復(fù)合波片光軸精確對(duì)準(zhǔn)方法研究及對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

復(fù)合波片光軸精確對(duì)準(zhǔn)方法研究及對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)設(shè)計(jì)提綱1項(xiàng)目簡介與研究意義2研究現(xiàn)狀與市場分析3研究內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)4項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)與研究基礎(chǔ)項(xiàng)目簡介相位延遲量波片級(jí)次材料消色差性能用途八分之一波片四分之一波片二分之一波片全波片其他零級(jí)波片真零級(jí)波片復(fù)合零級(jí)波片多級(jí)波片雙折射晶體高分子薄膜光柵結(jié)構(gòu)光子晶體超材料非消色差Pancharatnam波片Becker波片超級(jí)消色差偏振光學(xué)波片通信用波片寬視場角波片寬帶波片窄帶波片波片：又叫光學(xué)相位延遲器，是一種重要的偏振光學(xué)元件，能夠使偏振光兩個(gè)垂直分量之間產(chǎn)生一定的相位延遲，從而改變偏振光的偏振態(tài)，廣泛應(yīng)用于偏振光的調(diào)制與檢測等領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域：光學(xué)測量、偏光技術(shù)、激光技術(shù)、光學(xué)通信、光學(xué)成像種類研究目的及立項(xiàng)依據(jù)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展趨勢寬光譜適應(yīng)性高性能、高穩(wěn)定性低成本、大規(guī)模生產(chǎn)研究目的

設(shè)計(jì)寬光譜、高性能、低成本的光學(xué)相位延遲器，研究其性能及其誤差補(bǔ)償技術(shù)，為相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域提供切實(shí)可行可靠的光學(xué)相位延遲器解決方案立項(xiàng)依據(jù)光學(xué)相位延遲器是相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵光學(xué)元件其光譜適應(yīng)性制約相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域向?qū)捁庾V范圍領(lǐng)域發(fā)展研究光學(xué)相位延遲器性能及誤差分析對(duì)提高相關(guān)領(lǐng)域儀器精度至關(guān)重要尚未有同時(shí)滿足寬光譜、高性能、低成本的光學(xué)相位延遲器提綱1項(xiàng)目簡介與項(xiàng)目意義2研究現(xiàn)狀與市場分析3研究內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)4項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)與研究基礎(chǔ)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析設(shè)計(jì)方案特征參量表征性能研究誤差補(bǔ)償已有研究內(nèi)容設(shè)計(jì)類型：波片、棱鏡、光柵、液晶、高分子薄膜等；適用波段：紫外、可見、紅外、遠(yuǎn)紅外、太赫茲等。相位延遲量測量：偏振旋轉(zhuǎn)法、干涉法、時(shí)域法、激光頻率分裂法、相位補(bǔ)償法等；光軸對(duì)準(zhǔn)與標(biāo)定：消光法、外差干涉法、紅外光譜儀法、基于樣品特性法等。光學(xué)特性：相位延遲特性、旋光特性、干涉特性、二向色性；其他性能：對(duì)入射角、溫度、波長的穩(wěn)定性等。相位延遲器偏差對(duì)儀器系統(tǒng)測量影響及補(bǔ)償，包括：相位延遲量偏差、光軸對(duì)準(zhǔn)誤差、相位延遲器加工及安裝誤差等不足與缺點(diǎn)1，缺少寬波段相位延遲器設(shè)計(jì)方案；2，缺少針對(duì)具體應(yīng)用領(lǐng)域的相位延遲器設(shè)計(jì)方案；1，大多數(shù)方法只能表征相位延遲器的一個(gè)特征參數(shù)；2，間接方法，通過其他量來間接測量表征，系統(tǒng)復(fù)雜；3，部分方法原理上不嚴(yán)格，精度較差。1，缺少對(duì)相位延遲器在斜入射時(shí)光學(xué)特性的研究；2，缺少對(duì)相位延遲器退偏特性的研究。1，相位延遲器光軸傾斜導(dǎo)致的誤差分析與研究；2，相位延遲器在光路系統(tǒng)中產(chǎn)生的退偏效應(yīng)及其影響。本項(xiàng)目預(yù)期達(dá)到的解決方案1，給出寬光譜相位延遲器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；2，結(jié)合具體應(yīng)用領(lǐng)域，給出相位延遲器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案（包括橢偏測量系統(tǒng)、大NA偏振檢測系統(tǒng)等）。利用穆勒矩陣光譜橢偏測量技術(shù)，僅需一次測量便可表征相位延遲器的所有特征光譜，包括：相位延遲量、光軸方位角、旋光角、二向色角、以及退偏度等。1，基于光線追蹤原理，深入研究相位延遲器在斜入射下的光學(xué)特性；2，研究由于光路系統(tǒng)的帶寬、NA等引起的相位延遲器退偏效應(yīng)。1，研究光軸傾斜誤差對(duì)系統(tǒng)的影響及補(bǔ)償方法；2，研究退偏效應(yīng)的影響及其補(bǔ)償方法。市場調(diào)研與分析國內(nèi)外光學(xué)相位延遲器廠商國內(nèi)廠商：福州華科光電、福州光誠光電、武漢優(yōu)光科技等國外廠商：德國b-halle公司、美國Thorlabs公司、美國Newport公司等國內(nèi)外光學(xué)相位延遲器產(chǎn)品比較已有光學(xué)相位延遲器不足已有產(chǎn)品大多只能用于一小段特定的波長，在適用波長范圍外性能較差，很難滿足寬波段使用要求已有產(chǎn)品大多為1/2、1/4、1/8等標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣，但難以滿足特定應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο辔谎舆t量的使用要求產(chǎn)品類型加工工藝性能價(jià)格國內(nèi)公司標(biāo)準(zhǔn)波段的1/2、1/4、1/8等產(chǎn)品切片、磨片等基本工藝成熟，對(duì)準(zhǔn)、膠合等復(fù)雜工藝較差低低國外公司標(biāo)準(zhǔn)波段的1/2、1/4、1/8等產(chǎn)品切片、磨片、對(duì)準(zhǔn)、膠合等工藝成熟，且精度很高高高提綱1項(xiàng)目簡介與項(xiàng)目意義2研究現(xiàn)狀與市場分析3研究內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)4項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)與研究基礎(chǔ)研究內(nèi)容寬光譜光學(xué)相位延遲器優(yōu)化設(shè)計(jì)基于復(fù)合波片等效理論，本項(xiàng)目提出以∞-范數(shù)為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的寬光譜復(fù)合波片式相位延遲器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并利用模擬退火算法進(jìn)行快速全局優(yōu)化設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的四分之一復(fù)合波片相位延遲量曲線圖上：300-1000nm；下：800-2000nm已有四分之一復(fù)合消色差波片相位延遲量曲線圖上：450-650nm；下：310-1000nm研究內(nèi)容（續(xù)）橢偏儀相位延遲器優(yōu)化設(shè)計(jì)橢偏儀中的補(bǔ)償器就是光學(xué)相位延遲器，根據(jù)已有文獻(xiàn)可知，其在橢偏儀系統(tǒng)中的最優(yōu)化相位延遲量為127°。利用本項(xiàng)目所提優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，給出了橢偏儀用相位延遲器設(shè)計(jì)方案。上：雙旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器穆勒矩陣橢偏儀原理示意圖下：橢偏儀系統(tǒng)矩陣條件數(shù)與補(bǔ)償器相位延遲量關(guān)系橢偏儀光學(xué)相位延遲器設(shè)計(jì)曲線和測量曲線上：三片石英波片復(fù)合；下：四片石英波片復(fù)合研究內(nèi)容（續(xù)）寬視場角光學(xué)相位延遲器優(yōu)化設(shè)計(jì)普通相位延遲器的相位延遲量等特性會(huì)隨入射角不同而變化，為此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)寬視場角波片相位延遲器，以滿足此類應(yīng)用需求。相位延遲器相位延遲量隨入射角變化曲線本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)寬視場角波片相位延遲量隨入射角變化曲線對(duì)于某些大NA或者光路非理想準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，相位延遲器所處的光路不再是垂直入射，而是有一定的入射角（視場角），如左圖所示。研究內(nèi)容（續(xù)）復(fù)合波片光軸對(duì)準(zhǔn)技術(shù)研究復(fù)合波片光軸對(duì)準(zhǔn)誤差會(huì)導(dǎo)致其特征光譜參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)。復(fù)合波片光軸對(duì)準(zhǔn)通常用消光方法進(jìn)行光軸對(duì)準(zhǔn)，但消光法從原理上來講不嚴(yán)格，并且對(duì)準(zhǔn)精度不高。本項(xiàng)目提出光譜式光軸對(duì)準(zhǔn)方法。消光式復(fù)合波片光軸對(duì)準(zhǔn)示意圖光譜式復(fù)合波片光軸對(duì)準(zhǔn)示意圖研究內(nèi)容（續(xù)）光學(xué)特性表征與測量誤差補(bǔ)償技術(shù)研究誤差來源：加工或安裝誤差、非理想光路系統(tǒng)、有限帶寬等研究這些誤差對(duì)相位延遲器光學(xué)性能的影響；繼而研究對(duì)儀器系統(tǒng)的影響與誤差補(bǔ)償技術(shù)。一個(gè)廣義的光學(xué)相位延遲器可以用相位延遲量（

δ

）、透過率振幅比（

Ψ

）、快軸方位角（

θ

）和旋光角（

ρ

）完全表示，普通方法只能測得其中一個(gè)或兩個(gè)特征參量，本項(xiàng)目利用穆勒矩陣橢偏儀可在一次測量中獲得所有特征參數(shù)光譜。波片相位延遲器在加工和安裝過程可能存在的光軸傾斜誤差示意圖關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)復(fù)合波片等效理論

一個(gè)復(fù)合波片可以看成由多個(gè)單波片組成的光學(xué)系統(tǒng)，可以由如下光學(xué)等效

我們把這樣的光學(xué)系統(tǒng)稱為廣義光學(xué)相位延遲器，用四個(gè)光學(xué)特征參量來描述：相位延遲量（

δ

）、透過率振幅比（

Ψ

）、快軸方位角（

θ

）和旋光角（

ρ

）。實(shí)際的光學(xué)相位延遲器都是廣義光學(xué)相位延遲器。復(fù)合波片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

根據(jù)復(fù)合波片等效理論，以具體應(yīng)用領(lǐng)域需求為優(yōu)化目標(biāo)，本項(xiàng)目提出以∞-范數(shù)為準(zhǔn)則的復(fù)合波片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，具體如下式所示

式中，(λo,θo)和(λ,θ)分別表示各單片的優(yōu)化參數(shù)和取值范圍內(nèi)的任意參數(shù)，Λ和Γ分別表示各單波片的參數(shù)和復(fù)合波片適用波長的范圍，

δ0為復(fù)合波片優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)值。復(fù)合波片=1個(gè)相位延遲器+1個(gè)旋光器+1個(gè)衰減器關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)（續(xù)）光學(xué)相位延遲器全穆勒矩陣表征方法

根據(jù)復(fù)合波片等效理論，一個(gè)廣義的光學(xué)相位延遲器可以用下式描述：

式中：

由此可以推導(dǎo)出廣義相位延遲器各光學(xué)特征參數(shù)與其穆勒矩陣元素之間的函數(shù)關(guān)系：

因此，可以用穆勒矩陣完全表征光學(xué)相位延遲器。

關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)（續(xù)）復(fù)合波片光譜參數(shù)波動(dòng)特性研究

當(dāng)復(fù)合波片多個(gè)單波片的光軸之間存在對(duì)準(zhǔn)誤差時(shí)，復(fù)合波片的特征光譜參數(shù)光譜會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。如下圖所示。

研究復(fù)合波片光譜參數(shù)波動(dòng)特性有兩方面的意義：研究光譜參數(shù)波動(dòng)與光軸對(duì)準(zhǔn)誤差之間的關(guān)系，可以用于校準(zhǔn)復(fù)合波片光軸對(duì)準(zhǔn)誤差，指導(dǎo)光軸對(duì)準(zhǔn)（光譜式對(duì)準(zhǔn)）；為研究復(fù)合波片相位延遲器光軸對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)相關(guān)測量系統(tǒng)的影響