保偏反射镜相位延迟度测量分析

【摘 要】相位延迟度的测量方法有圆偏光光强测量法、消光比测量法和椭偏仪测试法。论文采用三种测试法，对具有532nm保偏性能的反射镜相位延迟度进行对比并分析其差异来源。主要得出以下结论：从操作过程看，采用椭偏仪测试法操作简单、方便，更利于批量性产品测试；从数据结果来看，椭偏仪测试法在数据处理上考虑了系统的校正，而圆偏光光强和消光比测量法虽然有校正系统，但是在数据处理上并未将系统背景考虑进去，这是产生差异的主要原因。

【Abstract】The methods of measuring phase delay include circle polarization， light intensity measurement， extinction ratio measurement and ellipsometry test. In this paper， three methods are used to compare the phase delay of the mirror with 532nm polarization preserving property， and the difference sources are analyzed. The main conclusion as following： according to the operation process， the test method of ellipsometer with simple and convenient operation， more conducive to the bulk of the product testing； the result shows that the test method of ellipsometry in the data processing system considering the correction and circular polarized light intensity and extinction ratio measurement method although the correction system， but in the data processing system will not background into consideration， this is the main reason for the differences.

【关键词】保偏反射镜；相位； 延迟度；光学测量

【Keywords】polarization-maintaining mirror； phase； delay； optical measurement

【中图分类号】TN216 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）06-0155-02

1 引言

光学系统中的透镜、反射镜等元件，会在一定程度上改变入射光的偏振状态，我们把这种偏振状态的改变称为残余偏振。而这种残余偏振是光学系统中不希望出现的偏振效应，会降低光学系统的成像能力。在有些光学反射系统中，需要降低残余偏振，要求入射光的偏振状态经过反射后必须保持不变。我们将这种能够保持入射光偏振状态的反射镜称为保偏反射镜。保偏，等效于光束经过产品后不发生相位延迟，P偏振和S偏振光强度一致。本文提出了采用圆偏光光强（Rotatory Polarization Intensity， RPI）测量法、消光比（ER）测试法和椭偏仪这三种测量方法测试532nm保偏反射镜的相位延迟度，以椭偏仪法的延迟度为参考，分别比较了RPI 延迟度、ER 延迟度及椭偏仪延迟度的线性相关性和差异，并分析其差异来源。

2 测试方法

2.1 RPI测量法原理

产品保偏，意味着当圆偏光入射到产品表面经过反射，通过旋转检偏器反射光的强度不发生改变。圆偏光光强测量法采用自组装的测试装置，由Laser（532nm）发出的光垂直入射，经过起偏器，然后再经过1/4波片，以45°入射到待测反射镜上，最后经过检偏器，出射光强由功率计接收。

测量步骤如下：

①系统调试。将光源、起偏器和功率计放置在光路上，保证光源发出的光垂直入射，记录功率计读数N1；将检偏器A的振动方向与起偏器振动方向成90°放置，然后将1/4波片放在起偏器和检偏器之间，旋转波片功率计接收功率最小，再将波片旋转45°，形成圆偏光，此时旋转检偏器，则可以得到一组不同检偏角度的光强度数据I1°......I360°，记录数据与N1的比值可以得到图1 Baseline曲线。

2.3 椭偏仪测量法原理

反射椭偏测量的原理是利用偏振光束在界面上反射时出现偏振变换、利用反射椭偏测量术，用椭偏仪直接测量偏振光波经过产品时偏振态的改变。本文中采用ESS03 VI椭偏仪测量相位延迟度。利用椭偏仪的测试软件，测试过程只需要设置测试波长和入射角度，就可以直接得到相位延迟度。

3 测试结果与分析

3.1 RPI测试法与椭偏仪测试法的相关性与差异性

如图3所示两种方法的相关性较好，但是仍存在一定的区别。理想情况下，利用RPI法得到的圆偏光在检偏器旋转360°都能得到相同的光强，但是由于系统误差（起偏器和检偏器的消光比、1/4波片延迟度），所得到的光强会出现轻微波动（见图1 曲线Baseline）。当系统中放入待测样品时，由于待测样品不能完全保偏，导致入射的圆偏光在反射后的偏振态发生轻微变化，光强的波动曲线会更明显（见图1 曲线product），代入公式计算时，延迟度差异会较大。采用RPI法测量延迟度，数据处理时未考虑系统圆偏光对结果的影响，因此在采用RPI法测量延迟度时，操作方法及数据记录烦琐，对于如何能控制更好的圆偏光以及数据处理时系统圆偏光对结果的影响值得进一步研究。

3.2 ER测试法与椭偏仪测试的相关性与差异性

如图4所示两种方法存在较好的相关性。结合图5的数据发现，用ER法测试的延迟度数值都略大于椭偏仪法测量的延迟度[1]。这种情况可能是由于采用ER法测试时需要调节系统消光，每次测试的系统消光值有差异，而这种差异在计算时并未考虑进去。而利用椭偏仪测试，直接利用测试软件，每次经过系统校正，且计算时已经考虑了系统误差，准确度上会优于ER法。且采用椭偏仪测试，测试过程简单、方便，避免了测试人员操作差异导致的误差。

4 结语

本文对具有532nm 保偏性能的反射镜的相位延迟度数据进行了整理和统计， 对三种测试方法的相关性和差异进行了分析讨论，主要得出以下结论：首先，圆偏光光测试法、消光比测试法和椭偏仪测试法的线性拟合度均较好，三种方法之间有较好的一致性，其差异来源主要是圆偏光光强测试法和消光比测试法在数据处理时未考虑系统背景对测试结果的影响。其次，从操作过程来看，采用椭偏仪测试操作简单、方便，更适用于批量性产品测试。

【参考文献】

【1】杨帆.光学系统中偏振光的传输特性研究[D].成都：中科院光电技术研究所，2006.