物理學(xué)論文-液晶相位可變延遲器在極化電子碰撞實驗中的應(yīng)用.doc

物理學(xué)論文-液晶相位可變延遲器在極化電子碰撞實驗中的應(yīng)用作者：任少辣董占民龐文寧摘要：液晶相位可變延遲器（liquidcrystalvariableretarders,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(biāo)定方法及標(biāo)定結(jié)果，第4,5部分介紹了利用LVCR測量Stokes參數(shù)的原理及方法.關(guān)鍵詞：液晶相位可變延遲器（LCVR），相位延遲，StokesAbstractThephasedifferencebetweenthefastandslowaxesofaliquidcrystalvariableretarders(LCVR)canbechangedcontinuouslybymodulatinganACvoltageappliedonthebi-surfaceoftheLCVR.Thepolarizationofaninputlightbeamcanthusbecontrolledbyvaryingthevoltage.Thecalibrationmethodandresultsofdeterminingthedifferentphaseretardancesforgivenwavelengthsaredescribed.ThetheoryandmethodformeasuringtheintegralStokesparametersbyLCVRarealsodiscussed.Keywordsliquidcrystalvariableretarders(LCVR),phaseretardance,Stokesparameters,polarize1極化電子原子散射實驗是20世紀(jì)70年代在傳統(tǒng)電子動量譜學(xué)實驗的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)，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(yīng)用LCVR或1/4波片，但是應(yīng)用LCVR可減少波片的更換與機械轉(zhuǎn)動次數(shù)，可以方便實驗操作和簡化實驗結(jié)構(gòu)的設(shè)計.2液晶相位可變延遲器(liquidcrystalvariableretarders,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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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值呈平滑關(guān)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(biāo)定LCVR對于特定的波長，LCVR有4個電壓分別對應(yīng)/4，/2，3/4和的延遲，標(biāo)定LCVR，就是找到這4個特殊電壓值.如圖3所示，使激光水平出射，并垂直于偏振片，偏振片的偏振方向為豎直方向.LCVR放在水平的平臺，保證F軸，S軸與偏振片偏振方向成45度.出射光垂直入射到旋轉(zhuǎn)檢偏器.用計算機控制LCVR工作電壓，使電壓在20V至0V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使延遲由最小開始增大.旋轉(zhuǎn)檢偏器輸出信號的波形隨著LCVR出射光的偏振態(tài)的改變而改變.輸出波形的峰峰值第一次出現(xiàn)極小值時對應(yīng)LCVR延遲為/4（左旋圓偏振），第一次出現(xiàn)極大值時對應(yīng)LCVR延遲為/2（水平線偏振），第二次出現(xiàn)極小值時對應(yīng)LCVR延遲為3/4（右旋圓偏振），第二次出現(xiàn)極大值時對應(yīng)LCVR延遲為1（豎直線偏振），依次類推.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(biāo)定應(yīng)在同一溫度下進行，本文的標(biāo)定溫度為25.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(biāo)定結(jié)果.4使用LCVR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(zhuǎn)動交換快慢軸的取向來實現(xiàn)，其精度依賴于機械轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的設(shè)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(yīng)時間在毫秒量級，這使得瞬時反轉(zhuǎn)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StokesStokes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(guān)，P2與電子的自旋軌道相互作用有關(guān)，P3除了與電子的自旋軌道相互作用有關(guān)外，還與散射過程中的電子交換作用有關(guān).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=nd/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10I(,)=1+P1cos2(-)cos2-sin2(-)sin2cos+P2cos2(-)sin2+sin2(-)cos2cos+P3sin2(-)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(dāng)=/2,-/2和當(dāng)=0,時，分別有：P3=I(=/2)-I(=-/2)I(=/2)+I(=-/2)；（3P1=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(zhuǎn)偏振片到=135，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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參量的測量可以適當(dāng)?shù)刈兊煤唵?、快速、?zhǔn)確.6用LCVR代替1/4波片，主要應(yīng)用在極化電子碰撞實驗中極化電子束的產(chǎn)生和極化電子原子碰撞后退激發(fā)光的stokes參數(shù)測量這兩部分.使用LCVR減少了波片的機械旋轉(zhuǎn)，且LCVR有較快的響應(yīng)時間，這都有助于提高實驗的精度.在涉及到需要多組適應(yīng)不同波長的1/4波片,或需要多次改變圓偏振光螺旋性以及其他有關(guān)光相位的延遲實驗時，LCVR都可以作為一種可選擇的器件.在接下來的實驗中,極化電子束的激發(fā)仍用780nm的激光，并就Ne495.7nm和Ne453.8nm的譜線,測量極化電子原子碰撞中的自旋相關(guān)效應(yīng)，已對780nm和495.7nm的譜線用LCVR做了標(biāo)定，還需要進一步確定LCVR在453.8nm處/4、/2、3/4和延遲所對應(yīng)的電壓值.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(xué):物理系博士論文),2005DingHB.DesignandConstructionofSpin-polarizedElectronCollisionApparatusandStudyonHeliumIntegratedStokesParameters(adoctoralthesis).TsinghuaUniversity:DepartmentofPhysics,2005(inChinese)2LiquidCrystalproductshandbook,www.M3JuanMBueno.Polarimetryusingliquid-crystalvariableretarders:theoryandcalibration.J.Opt.A:PureAppl.Opt.,2000(2):216.4丁海兵,龐文寧,劉義保等.物理學(xué)報,2005,54：4097DingHB,PangWN,LiuYBetal.ActaPhysicaSinica,2005,54：4097(inChinese)5FurstJE,YuDH,HayesPAetal.Rev.Sci.Instrum.,1996,67:38136PierceDT,CelottaPJ,WangGCetal.Rev.Sci.Instrum,1980,51:4787DingHB,PangWN,LiuYB.Chin.Phys.Lett.,2005