摘要:分振幅光偏振测量仪(DOAP)是高速测量光偏振的传感器,它利用振幅分割原理,能够同时近似实时地测量出描述光偏振态的所有4个Stokes参数。从装置结构、定标方法、工作波长和应用领域等方面,对最近20年多年来国内外在该领域的研究状况进行了较为详细的分析和总结,并指出了该技术的发展方向。

　　1　引　言

　　光波的偏振态是丰富的信息来源,辐射光、反射光、透射光和散射光的偏振态承载着大量的宝贵信息,对它们的测量具有十分重要的意义。偏振测量术和椭偏测量术已经广泛地应用在物理、化学、光学、电子、金属、生物和医学等领域。测量光偏振的方法也在不断发展。常用的测量方法是使待测光通过一系列随时间周期性调制(机械转动或相位延迟)的光学元件,由光电探测器测量透射光的光强,对探测器输出电信号作傅里叶分析,得出描述待测光波偏振态的Stokes参数。旋转检偏器椭偏仪(RAE)和偏振调制椭偏仪(PME)[1]就利用上述原理。

　　但是,当待测的光偏振态变化非常快时(如研究样品表面发生快速变化的物理化学反应),由于转动元件或调制器的存在影响了偏振态的测量速度,上述测量方法就无法满足需求。新型偏振测量仪器的出现满足了快速测量光偏振的需求。目前已有两种类型的多信号通道快速测量光波偏振的方法:一种是利用分波前方式,另一种是利用分振幅方式。1982年,Azzam设计了第一台利用振幅分割方式测量光偏振的仪器[2]。分振幅光偏振测量仪(DOAP)没有转动部件和调制器,能够同时近似实时地测量光波所有4个Stokes参数。

　　20多年来,分振幅光偏振测量仪有了很大的发展。研究人员先后设计了10多种采用振幅分割原理测量光偏振的装置,部分装置已经应用于脉冲加热测量材料热物性[3,4]和在线测控金属薄膜生长厚度[5]等领域。国外的一些厂商也已经推出多款商品化的DOAP。在我国目前尚未见到有关DOAP应用研究的报道。

　　本文将介绍DOAP的工作原理、研究现状和发展方向。

　　2　DOAP的测量原理

　　2.1　理论基础

　　2.1.1　光波Stokes表示

　　Stokes参数是常用的描述光波偏振态的数学方式。它不仅可以描述完全偏振光,也可以用来描述部分偏振光和非偏振光。以S0、S1、S2和S3表示的光波Stokes参数定义如下(假设光束沿着笛卡儿坐标系xyz的正z轴传播):

　　S0给出光波的总光强;S1给出光波x方向线偏振分量与y方向线偏振分量的光强差;S2给出光波π/4方向线偏振分量与-π/4方向线偏振分量的光强差;S3表示光波右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量的光强差。习惯上,将4个Stokes参数组合成一个4×1阶列矢量

T表示矩阵的转置。此矢量称为光波的Stokes矢量。

　　2.1.2　光学系统的Mueller矩阵

　　当用Stokes矢量研究光波通过光学系统后的偏振态时,系统的性质可用一个称为Mueller矩阵的4×4矩阵表示。射出光波的Stokes矢量Sout等于光学系统的Mueller矩阵M乘以入射光波的Stokes矢量Si,即

　　2.2　原理分析

　　图1是第一台由Azzam提出的分振幅光偏振测量仪的原理图[2]

　　如图1所示,首先由镀膜分光器BS将待测入射光分为反射部分r和透射部分t,再由渥拉斯顿棱镜(或相同功能的偏振分光镜/体)WP1和WP2分别将反射光和透射光各自分割为正交的两束偏振光,然后由光电探测器Dm(m=1,2,3,4)测量出这4束光的光强,得到4路电信号im(m=1,2,3,4)。电信号im等于入射光4个Stokes参数的线性组合,即

称为仪器矩阵。

　　选择适宜的分光器BS,使投影矢量a1、a2、a3和a4线性无关,仪器矩阵A存在逆矩阵A-1。由式(6)有:

　　获得仪器矩阵A后,就可以利用光电探测器输出的电信号矢量,通过式(8)确定描述待测偏振态的全部4个Stokes参数。在实际应用中,仪器矩阵A是采用定标过程测得的。

　　2.3　DOAP定标

　　DOAP定标就是利用已知参数的偏振光测量得到仪器矩阵。常用的定标方法有:4点定标和Equa-tor-Poles定标。下面介绍4点定标的基本过程。利用偏振态发生器(能够产生任意完全偏振态的装置)产生4个线性无关的偏振态S1、S2、S3和S4,它们作用到DOAP上产生对应的电信号矢量I1、I2、I3和I4。根据式(6)有:

　　2.4　小结

　　综上所述,DOAP的基本原理是采用振幅分割方式将入射光分为4束或者更多,用光电探测器将各光束的光强线性地转换为电信号。选择适宜的分光器件和分光光路,确保至少有4个探测器的输出信号提供4个线性无关的入射光波Stokes矢量的投影。这样,描述输出电信号矢量与入射光波Stokes矢量之间关系的仪器矩阵是非奇异的,存在逆矩阵。定标得到仪器矩阵后,利用仪器矩阵和探测器输出的电信号矢量就可以确定入射光的所有4个Stokes参数。

　　3　应用举例

　　DOAP可广泛地应用在偏振测量术、椭偏测量术和Mueller矩阵椭偏测量术中。下面介绍它在脉冲加热测量材料热物性实验中的应用[3,4]。脉冲加热测量材料热物性技术的关键在于样品真温的测量。使用光学高温计可以精确地测量样品的辐射温度,要想知道它的真温还必须获得样品在光学高温计操作波长上的法线光谱发射率。利用椭偏测量术可以测量材料的发射率。由于脉冲加热实验的持续时间非常短,传统的椭偏仪无法满足要求,使用DOAP就可以很好地解决这个问题。利用DOAP测量材料发射率的原理图如图2所示。

　　用偏振态发生器(PSG)产生与入射面成45°夹角的线偏振光,光线以入射角θi斜入射到样品表面,用偏振态探测器(PSD)测出反射光的Stokes参数S0、S1、S2和S3。椭偏参数ψ和Δ由下列公式给出

　　根据基尔霍夫定律和能量守恒,得到不透明物体的法线光谱发射率ε⊥=1-ρ⊥。

　　4　研究现状和发展方向

　　4.1　DOAP研究现状

　　20多年来,科研人员在利用振幅分割方式实现光偏振的高速测量方面做了大量的工作,取得很大进展。下面从测量装置、测量波长、定标方法等5个方面对DOAP的研究现状进行描述。

　　4.1.1　测量装置

　　根据DOAP的工作原理,选择不同的分光器件和分光光路,目前已经研制成功了10多种类型的光偏振测量装置。按照主要分光器件的不同,可分为以下几类。

　　(1)镀膜分光器型

　　1982年,Azzam研制出使用一个镀膜分光器和两个渥拉斯顿棱镜实现分光的DOAP(图1)。1999年,李力等人设计的光度式偏振测量系统[6]也采用了这种分光形式。

　　1992年,Schwiecker等人研制了图3所示的DOAP[5],它是采用4个镀膜分光器(BS)实现分光的。这种装置已经应用在实时监控超薄金属薄膜的加工。

　　(2) 4探测器型

　　1985年,Azzam设计出图4所示的结构最简单的DOAP———4探测器偏振测量仪[7]。它仅由4个硅光电探测器构成,没有附加的光学元件。其中,探测器D1、D2和D3的表面部分镜反射入射光,而D4表面全部吸收。

　　(3)普通光栅型

　　当入射面与光栅的栅格既不垂直也不平行时,产生的衍射光束成圆锥形。1992年,Azzam研制了图5所示的利用光栅圆锥形衍射的光栅分振幅光偏振测量仪[8](G- DOAP)。

　　1993年,Azzam等人利用光栅的平面衍射研制了G-DOAP[9](图6)。与圆锥形衍射G-DOAP相比,平面衍射G-DOAP的衍射光束在同一个平面内,仪器结构更加紧凑。

　　1996年,Cui和Azzam利用光栅的透射衍射和探测器阵列研制了16光束的G-DOAP[10](图7)。

　　(4)特殊光栅型

　　1992年,Todorov和Nikolova研制了利用一个传统光栅DG和一个特殊光栅PDG实现分光的光谱光偏振测量仪[11](图8)。

　　(5)平行厚板型

　　当光线斜入射到一个一面镀有不透明的、高反射率金属膜的平行电介质厚板时,光线在板内多次反射,产生一系列平行的、等间隔光束。1996年,El-Saba和Azzam设计出利用平行厚板实现分光的DOAP[12](图9)。1999年,他们又设计了红外波段平行厚板DOAP[13]。

　　(6)其他类型

　　1998年,Compain和Drevillon提出了利用非镀膜棱镜实现分光的DOAP[14]。

　　1999年,El-Saba和Abushagu研制出用声光器件分光的DOAP[15](图10)。

　1999年,El-Saba和Abushagur设计了利用衍射光学器件(DOE)实现分光的DOAP[16](图11)。

　　4.1.2　测量波长

　　研究人员不仅研制出工作在可见光波段的单一波长DOAP,也开发出几种红外波段的单一波长DOAP及多款测量连续光谱偏振的仪器———分振幅光谱偏振仪[17,18]。

　　4.1.3　定标方法

　　常用的定标方法有4点定标法和Equator-Poles定标法两种[19]。

　　4.1.4　应用领域

　　DOAP已经在许多领域得到应用,如在脉冲加热测量材料热物性中,利用DOAP高速测量材料的法线光谱发射率;在金属、半导体等加工业中,利用DOAP在线实时监控薄膜的厚度。

　　4.1.5　偏振态发生器

　　偏振态发生器(PSG)是指能够产生各种线偏振、圆偏振和椭圆偏振态的装置。它的主要作用是:

　　(1)产生定标时所需要的偏振态;(2)当DOAP应用

　　在椭偏测量术和MME时,PSG产生作为探针的偏振光[18]。目前有两种常用的PSG:(1)由一个偏振片和一个延迟器构成,它们由电机控制,可以分别绕光轴旋转;(2)由一对液晶相位延迟器构成,它们由精确的电压控制。

　　4.1.6　DOAP商品化

　　国外的一些厂商,如美国的Gaertner科学公司和CRI(Containerless Research Inc.)公司,已经推出多款DOAP或基于DOAP的测量仪器。

　　4.2　DOAP的发展方向

　　笔者认为今后DOAP的发展方向是:(1)研制新型的分光器件[20,21]和设计结构更加紧凑的测量装置;(2)扩展DOAP的测量波长,研制光谱范围更宽的分振幅光谱光偏振测量仪;(3)提高测量装置的自动化程度;(4)拓宽DOAP的应用领域;(5)提高DOAP的测量速度。

　　5　结束语

　　分振幅光偏振测量仪是一种快速测量光波偏振态的传感器。它利用振幅分割方式实现多信号通道的同时检测,没有使用转动元件和调制器,能够同时近似实时地测量光波的全部4个Stokes参数。近年来,DOAP的研究已经取得很大进展,在半导体、金属和光学工业等许多领域得到应用。它具有测量速度快、精度高和非破坏性等优势,具有广泛的应用前景。