液晶相位可變延遲器極化電子碰撞實驗

1、液晶相位可變延遲器極化電子碰撞實驗                      作者：任少辣董占民龐文寧摘 要：液晶相位可變延遲器（liquid crystal variable retarders, LCVR）的快慢軸之間的相位差隨兩端所加的電壓連續(xù)可調(diào)，通過調(diào)節(jié)電壓可以實現(xiàn)對入射光偏振度、偏振方向的操控.文中第2,3部分介紹了LVCR在特定波長不同延遲相位的標定方法及標定結果，第4,5

2、部分介紹了利用LVCR測量Stokes參數(shù)的原理及方法.  關鍵詞：液晶相位可變延遲器（LCVR），相位延遲，Stokes參數(shù)，極化  AbstractThe phase difference between the fast and slow axes of a liquid crystal variable retarders (LCVR) can be changed continuously by modulating an AC voltage applied on the bi-surface of the LCVR. The polarization of a

3、n input light beam can thus be controlled by varying the voltage. The calibration method and results of determining the different phase retardances for given wavelengths are described. The theory and method for measuring the integral Stokes parameters by LCVR are also discussed.  Keywordsliquid

4、 crystal variable retarders (LCVR), phase retardance, Stokes parameters,polarize    1 引言    極化電子原子散射實驗是20世紀70年代在傳統(tǒng)電子動量譜學實驗的基礎上發(fā)展起來的一種實驗方法，主要通過分析靶原子退激發(fā)光的Stokes參數(shù)研究原子的精細結構，整個實驗包括極化電子的產(chǎn)生、傳輸及與靶原子的散射，在極化電子束的產(chǎn)生和靶原子退激發(fā)光Stokes參數(shù)的測量中，需要應用LCVR或1/4波片，但是應用LCVR可減少波片的更換與機械轉動次數(shù)，可以方便實驗操作和簡化實驗結構的

5、設計.    2 液晶相位可變延遲器    液晶相位可變延遲器(liquid crystal variable retarders, LCVR) 是一種實時、連續(xù)可調(diào)的、由雙折射液晶材料制成的波片，其結構與實物圖見圖1和圖2.波片中的長條型液晶分子的長軸在自然狀態(tài)下互相平行，將這個方向定義為LCVR的非常軸（慢軸，S軸），與之垂直的軸定義為尋常軸（快軸，F(xiàn)軸），快軸和慢軸均平行于波片表面.在波片兩面加上交流的電壓，液晶分子便向著電場的方向轉動，這樣雙折射材料的折射度將改變，從而使通過LCVR的光線平行于慢軸的電矢量延遲不同的相位，這個相位的延遲值隨電壓幅

6、值呈平滑關系，所以在一定范圍內(nèi)可以輸出任意的相位延遲.    我們使用的這種波片是將向列型液晶放置在特殊襯底上制成的，向列型液晶是各向異性的分子，它們可以形成單軸雙折射層.LCVR在工作中，其F軸是不被調(diào)制的，只有S軸被調(diào)制.    3 標定LCVR電壓    對于特定的波長，LCVR有4個電壓分別對應/4，/2，3/4和的延遲，標定LCVR，就是找到這4個特殊電壓值.    LCVR對溫度的依賴比較明顯，延遲隨著溫度上升而下降（大約為-0.4%/），因此標定應在同一溫度下進行，本文的標定溫度為25. 

7、表1和表2是分別對780nm激光和從單色儀出射的495.7nm的譜線的標定結果.    4 使用LCVR產(chǎn)生可控自旋方向的極化電子束    極化電子束可以用正負圓偏振光激發(fā)GaAs晶片來產(chǎn)生1，圖5是極化電子產(chǎn)生示意圖，用正圓偏振光可以激發(fā)自旋向上的電子，用負圓偏振光可以激發(fā)自旋向下的電子.  用1/4波片產(chǎn)生的正負圓偏振光時，需要通過1/4波片的機械的轉動交換快慢軸的取向來實現(xiàn)，其精度依賴于機械轉動結構的設計，利用LCVR則只需調(diào)節(jié)電壓使其延遲/4或3/4來控制圓偏振光的螺旋性，從而控制電子束的自旋方向，并且LCVR響應時間在毫秒量級，這使得

8、瞬時反轉自旋方向成為可能.    圖5 入射光圓偏振態(tài)與激發(fā)電子束的自旋方向  (偏振片p的箭頭方向為偏振片的偏振方向，F(xiàn)和S的箭頭方向分別表示LVCR的快軸及慢軸的方向)    5 用LCVR代替1/4波片來測量Stokes參量    Stokes參數(shù)可以完備地描述偏振光的特性9，相對Stokes參數(shù)P1=(I(0)-I(90)/ (I(0)+I(90)，P2=(I(45)-I(135)/ (I(45)+I(135)，P3=(I(-)-I(+)/ (I(-)+I(+)，其中I為光強度，括號內(nèi)的數(shù)字表示偏振方向與電子入射方向

9、的夾角度，+，-分別表示正負圓偏振光.在這類實驗中，P1與電子的初始極化度無關，P2與電子的自旋軌道相互作用有關，P3除了與電子的自旋軌道相互作用有關外，還與散射過程中的電子交換作用有關.  具體測量方法見圖6，其中為偏振片偏振方向與z軸（電子運動方向）的夾角，為1/4波片（或LCVR）的快軸與z軸的夾角，=nd/是延遲片的延遲(對于1/4波片,=90°對于LCVR,可調(diào)).光子通過相位延遲片和線偏振片后的光強為10  I(,)=1+P1cos2(-)cos2-sin2(-)sin2cos+P2cos2(-)sin2+sin2(-)cos2cos+P3sin2(-

10、)sinI/2,（1）   其中P1，P2，P3為相對Stokes參量.  在（1）式中，令=0°，=135°,則  I()=(1+P1cos+P3sin)I/2.（2）  當=/2,-/2和當=0,時，分別有：  P3=I(=/2)-I(=-/2)I(=/2)+I(=-/2);（3）  P1=I(=0)-I(=)I(=0)+I(=).（4）  令（1）式中的=135°，=90°,同樣延遲=0和,則有  P2=I(=)-I(=0)I(=)+I(=0).（5）

11、0; 實驗上，首先使偏振片與z軸的夾角=0°，且LCVR的快軸與z軸夾角=135° ，改變LCVR的控制電壓，使LCVR依次工作在原子受激輻射光的波長的/4、3/4(即-/4)、1(即=0°)、/2處，便可根據(jù)（3）式和（4）式得到P3，P1.旋轉偏振片到=135°，旋轉LCVR到=90°，使LCVR工作在1(即=0°)、/2處,便可根據(jù)（5）式得到P2.  用LCVR代替1/4波片來測量Stokes參量，可以大大降低旋轉各種波片的次數(shù)，并且在測量多組波長參數(shù)時無須更換不同波長的1/4波片，這樣就使Stokes參量的測量可以

12、適當?shù)刈兊煤唵?、快速、準確.    6 結束語      參考文獻  1 丁海兵. 極化電子碰撞譜儀的研制及氦原子積分Stokes參量實驗研究(清華大學: 物理系博士論文), 2005 Ding H B. Design and Construction of Spin-polarized Electron Collision Apparatus and Study on Helium Integrated Stokes Parameters(a doctoral thesis). Tsinghua University: Depart

13、ment of Physics, 2005( in Chinese)  2 Liquid Crystal products handbook, www. M  3 Juan M Bueno. Polarimetry using liquid-crystal variable retarders: theory and calibration. J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2000(2):216.  4 丁海兵, 龐文寧, 劉義保等. 物理學報, 2005, 54：4097 Ding H B, Pang W N, Liu Y B et a

14、l. Acta Physica Sinica, 2005, 54：4097( in Chinese)  5 Furst J E, Yu D H, Hayes P A et al. Rev. Sci. Instrum., 1996, 67:3813  6 Pierce D T, Celotta P J, Wang G C et al. Rev. Sci. Instrum, 1980, 51:478  7 Ding H B, Pang W N, Liu Y B. Chin. Phys. Lett., 2005, 22: 2546  8 Ding H B, Pang W N, Liu Y B et al.