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偏振分光棱镜原理 基于偏振分光棱镜的高精度偏振分光系

2018-02-13 23:42:42 来源:时时资讯 编辑:诗诗

导读:偏振分光棱镜原理书 书第 43 卷 第 12 期 中 国 激 光 Vol.43 , No.122016 年 12 月CHINESEJ OURNALOFLASERSDecember , 2016基于偏振分光棱镜的高精度偏振分光系统罗 敬 1 刘 东 1 徐沛拓 1 白 剑 1 刘 崇 1

E - mail : jingluo0711@163.com导师简介:刘 东( 1982 —),男,博士,副教授,博士生导师,主要从事光电检测与遥感技术方面的研究。E - mail : liudongopt@zju.edu.cn (通信联系人)1210001 - 1中 国 激 光1 引 言偏振分光棱镜( PBS )广泛应用于多种光学系统中 [1 - 3 ] 。平行偏振光(P光)经过理想PBS会全部被透射,垂直偏振光(S光)则全部被反射(所述的P光和S光均相对于PBS的入射面)。然而,实际上PBS无法将入射光中的S光和P光完全分开,部分S光会进入透射通道(S光的透射率 T s >0 ),部分P光会进入反射通道(P光的反射率 R p >0 ),从而形成偏振串扰并对光学系统造成显著影响 [ 1 , 4 - 5 ] 。在偏振激光雷达等光学系统中 [4 , 6 - 9 ] ,一个非常重要的过程是准确得到回波信号中 S光与 P光的强度比。 PBS作为常用的偏振分光器件,通过测量其反射通道和透射通道出射光的强度比,并结合必要的系统定标 [4 ] ,可得到反演强度比。然而,由于实际PBS存在偏振串扰,导致测得的反演强度比并不等于入射光中S光与P光的强度比,从而造成偏振分光误差。

大量研究表明 [4 , 10 ] ,消除偏振分光误差对于提高偏振激光雷达等光学系统的探测精度至关重要。本文提出一种基于PBS的高精度偏振分光系统。该系统通过在PBS的反射通道和透射通道插入一定透光轴的偏振片,从而有效地抑制了偏振串扰。理论仿真和实验结果均表明,该系统的偏振串扰大大降低,能够显著提高偏振分光精度。2 基本原理当一束光入射到PBS后,其反射通道和透射通道探测器记录的强度比为IaRIaT= ηR ( I p R p + I s R s )η T (I p T p + I s T s ), (1 )式中 Is 和 I p 分别为入射光中S光和P光的光强,其比值为 V 0 = I s / I p ; R i 和 T i 分别为PBS对偏振光( i =p为P光,i =s为S光)的反射系数和透射系数;η R和 η T 分别为反射通道和透射通道探测器的光电转换系数,其比值为增益比 G =η R / η T[ 4 ] 。偏振分光系统的最终目的是使得测量的强度比等于入射光中S光与P光的比值 V 0 。然而,即使是理想的PBS,有T p = R s =1 , T s = R p =0 ,代入( 1 )式可以发现,反射通道和透射通道的强度比等于 G · V 0 。偏振分光棱镜原理

显然,如果两通道探测器的增益比 G≠1,将会造成测量误差。因此需要对偏振分光系统进行定标 [4 ] :将一束自然光入射到PBS ,记录偏振分光系统两出射通道的强度比。对于自然光,存在I s = I p ,代入(1 )式容易得到反射通道与透射通道出射光的强度比为 G ·( R s + R p )/( T s + T p )。 结合( 1 )式,仅采用PBS得到的反演强度比可以表示为 [10 ]V a =IaRIaT·T s + T pG ( R s + R p )= Rp + V 0 R sT p + V 0 T s ·T s + T pR s + R p 。(2 )图1 偏振分光系统示意图Fig.1 Schematicdiagramofpolarizing beamsplitting system 从( 2 )式可以发现,通过定标过程,消除了两通道探测器增益比的影响。此时对于理想PBS , V a = V 0 显然成立。事实上,当 T s = R p =0时,即使 T p ≠ R s≠1,V a = V 0 依然成立。 这表明只要将反射通道和透射通道的偏振串扰完全抑制,即便两个通道都存在光能损失,也能够消除偏振分光误差。

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