本文選題：復(fù)合波片　切入點：特征參數(shù)表征　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：雙折射波片是一種十分重要的偏振光學(xué)元件,能夠使偏振光的兩個垂直分量之間產(chǎn)生一定的相位延遲差,從而改變偏振光的偏振態(tài)。復(fù)合波片是由多個單波片按照光軸成不同夾角組合而成,能夠補(bǔ)償由波長、入射角、溫度等變化導(dǎo)致的光學(xué)特性的偏差。復(fù)合波片同其他偏振器件配合可實現(xiàn)偏振光的改性、調(diào)制和檢測等,廣泛應(yīng)用于偏振測量、光學(xué)成像、激光技術(shù)、光學(xué)通信等領(lǐng)域。復(fù)合波片的偏振光學(xué)特性可以用相位延遲量、光軸方位角、旋光角和快慢軸透過率幅值比等特征參數(shù)表征,這些光學(xué)特性對光學(xué)系統(tǒng)的適用光譜范圍、測量精度等性能有極大的影響。復(fù)合波片的特征參數(shù)由各單波片的制作材料、厚度、光軸方位等結(jié)構(gòu)特性和入射光的波長、入射角、溫度等應(yīng)用環(huán)境因素決定。因此,研究復(fù)合波片優(yōu)化設(shè)計方法、光學(xué)特性測量表征、誤差分析與校準(zhǔn)及其在相關(guān)光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用等,對提高復(fù)合波片偏振光學(xué)性能,進(jìn)而提高相關(guān)光學(xué)系統(tǒng)的性能具有十分重要的意義。鑒于此,本學(xué)位論文圍繞復(fù)合波片的優(yōu)化設(shè)計、特征參數(shù)表征、光軸對準(zhǔn)及殘余光軸對準(zhǔn)誤差校準(zhǔn)、以及在寬光譜穆勒矩陣橢偏測量系統(tǒng)中的應(yīng)用等方面開展研究,主要研究工作和創(chuàng)新點包括：基于瓊斯等效理論建立了復(fù)合波片等效模型,將任意復(fù)合波片等效為一個線相位延遲器和一個旋光器(圓相位延遲器)組成的級聯(lián)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,提出了GCW寬帶消色差復(fù)合波片優(yōu)化設(shè)計方法。相比傳統(tǒng)波片設(shè)計,GCW波片具有更一般的結(jié)構(gòu),各單波片的中心波長和光軸方位角均為待優(yōu)化參數(shù),為優(yōu)化設(shè)計提供了更多自由度,從而可以設(shè)計出適用更寬波段范圍、相位延遲量消色差效果更好的寬帶消色差復(fù)合波片�；诠獠▊鬏斃碚撏茖�(dǎo)了復(fù)合波片視場效應(yīng)理論,給出了復(fù)合波片在任意入射角和方位角下的相位延遲量表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上,提出了寬視場角復(fù)合波片的優(yōu)化設(shè)計方法,將正性和負(fù)性雙折射材料波片組合,用以抵消視場效應(yīng)帶來的相位延遲量偏差；利用有效折射率隨入射角變化速率,快速、可靠地計算寬視場角復(fù)合波片的設(shè)計初值,保證優(yōu)化設(shè)計過程的可靠性和可重復(fù)性。提出了基于穆勒矩陣橢偏儀的復(fù)合波片特征參數(shù)測量表征方法。定義了復(fù)合波片各偏振特征參數(shù),基于穆勒矩陣拓展了復(fù)合波片等效理論,推導(dǎo)了復(fù)合波片特征參數(shù)與穆勒矩陣元素之間的表達(dá)式。實驗表明,相比于現(xiàn)有技術(shù),該方法能夠在一次測量中表征出任意復(fù)合波片的全部偏振特征參數(shù)光譜,包括相位延遲量、光軸方位角、旋光角和快慢軸透過率幅值比。提出了基于復(fù)合波片特征參數(shù)光譜波動的復(fù)合波片光軸對準(zhǔn)及殘余光軸對準(zhǔn)誤差校準(zhǔn)方法。建立了復(fù)合波片特征參數(shù)與光軸對準(zhǔn)誤差之間的理論解析模型,分析了復(fù)合波片特征參數(shù)光譜波動特性以及不同特征參數(shù)光譜波動對復(fù)合波片光軸對準(zhǔn)誤差的靈敏度。實驗表明,相比于現(xiàn)有技術(shù),該方法能將光軸對準(zhǔn)精度提高近一個量級,并且能夠?qū)崿F(xiàn)光軸對準(zhǔn)精度和殘余光軸對準(zhǔn)誤差的定量評估與校準(zhǔn)。提出基于GCW復(fù)合波片的寬光譜穆勒矩陣橢偏測量系統(tǒng)設(shè)計方法。研究了基于GCW復(fù)合波片的穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)的系統(tǒng)測量和系統(tǒng)校準(zhǔn)等工作原理及其系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法。在此基礎(chǔ)上,組建了適用波段范圍為200-1000nm的基于GCW復(fù)合波片的寬光譜穆勒矩陣橢偏儀實驗平臺,驗證了所提穆勒矩陣橢偏儀工作原理和優(yōu)化設(shè)計方法的正確性和有效性,并為本文其他相關(guān)內(nèi)容提供了實驗驗證平臺。
[Abstract]:Birefringent filter is a polarizing optical element is very important, have a certain phase difference between the two vertical component can make the polarized light, thereby changing the polarization state. The composite plate is composed of a plurality of single wave plate according to the axis angle of different combination, can be compensated by the wavelength, incident angle, optical deviation the temperature variation characteristics of composite plate with other devices with polarization modification can realize polarized modulation and detection, etc., are widely used in polarization measurement, optical imaging, laser technology, optical communication and other fields. The polarization optical properties of composite plate can be used to measure the phase retardation and optical axis azimuth angle, rotation angle and speed the shaft transmission amplitude ratio and other characteristic parameters for characterization, spectral range of these optical characteristics of the optical system, greatly affects the measurement precision. The performance parameters of composite plate is composed of single Production of materials, the thickness of the wave plate, the structure characteristics and the optical axis of the incident wavelength, incident angle, decisions on the use of environmental factors such as temperature. Therefore, the optimization design method of composite plate, optical properties characterization, error analysis and calibration in the optical system and its related application, to improve the optical properties of the composite wave plate polarization and then improve the performance of optical system is very important. In view of this, this thesis is focused on the optimization design of composite plate, characteristic parameter, optical axis alignment and residual optical axis alignment error calibration, and the Muller matrix in wide spectral ellipsometry applications in the system to carry out the research, the main research work and innovations including: Jones equivalent theory established the equivalent model of composite plate based on arbitrary composite wave plate is equivalent to a linear phase retarder and a rotary device (circular phase Delay) cascade system. On this basis, put forward the optimization design method of composite plate. Compared with the traditional GCW broadband achromatic wave plate design, GCW plate structure is more general, each single filter center wavelength and azimuth of optical axis are the parameters to be optimized, with a more degree of freedom for optimization design, so as to we can design for a wider spectral range, broadband achromatic phase delay quantity better achromatic wave plate. The theory of wave propagation is derived based on the theory of composite plate of field effect, given the phase composite wave plate at arbitrary incident angle and azimuth angle under the delay expression. On this basis, put forward the design method of a wide viewing angle optimization of composite plate, the positive and negative birefringent material plate combination, the amount of delay deviation to offset the effects of phase field; the effective refractive index changes with incident angle velocity Rate, fast, reliable design and calculation of the initial wide viewing angle of composite plate, ensure the reliability optimization design process and repeatability. The measurement of characteristic parameters of composite plate characterization method of Muller matrix ellipsometer. Based on the definition of the polarization parameters of composite plate, base expanded composite plate equivalent theory to the Muller matrix. The expression between composite plate parameters and Muller matrix elements are derived. The results show that, compared with the prior art, the method can in a measurement in the characterization of full polarization characteristic parameters of arbitrary composite plate light spectrum, including phase delay, azimuth, angle of rotation speed and axial transmittance amplitude ratio is proposed. Error calibration method of optical axis alignment and the alignment of composite plate composite plate parameters and residual spectrum fluctuation. Based on the established parameters of optical axis and optical axis alignment error characteristics of composite plate The theoretical model of the analysis of the characteristic parameters of composite plate spectral fluctuation characteristic and sensitivity of different characteristic parameters of spectral fluctuations on the composite plate axis alignment error. Experimental results show that compared with the existing technology, this method can be a scale near axis alignment to improve the accuracy of quantitative evaluation and calibration, and can achieve the optical axis alignment accuracy and residual the optical axis alignment error. The wide spectrum of GCW composite plate Muller matrix ellipsometry system design method based on the system measurement system. Research on the Muller matrix of GCW composite plate based on elliptic partial instrument measurement and calibration system, working principle and system optimization design method. On this basis, set up suitable range for wide spectral band GCW composite plate Muller matrix ellipsometer experiment platform based on 200-1000nm, verified by Muller matrix ellipsometer working principle and optimization design The correctness and effectiveness of the method are calculated, and the experimental verification platform is provided for the other related contents of this paper.

【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O436.3

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