液晶相位可變延遲器在極化電子碰撞

1、本科生畢業(yè)設(shè)計 中英文翻譯學 生 姓 名 專 業(yè) 學 號 指 導 教 師 分 院 鄭立陽 光電子技術(shù)與科學 0713103 孫敬姝 光電科學分院2011年6月液晶相位可變延遲器在極化電子碰撞摘 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(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 Stokes參數(shù)

2、 極化引 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(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.1. 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(jié)構(gòu)與實物圖見圖1和圖2.

3、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.2. 標定LCVR電壓對于特定的波長，LCVR有

4、4個電壓分別對應(yīng)/4，/2，3/4和的延遲，標定LCVR，就是找到這4個特殊電壓值.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%/），因此標定應(yīng)在同一溫度下進行，本文的標定溫度為25.表1和表2是分別對780nm激光和從單色儀出射的495.7nm的譜線的標定結(jié)果.3.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

5、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)4. 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

6、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軸的夾角，=nd/ 是延遲片的延遲(對于1/4波片,=90&#

7、176;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=/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°，=9

8、0°,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

9、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?shù)刈兊煤唵?、快速、準確.5. 結(jié)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: Department o

10、f Physics, 2005( in Chinese)2 Liquid Crystal products handbook, www. M3 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 al. Acta Physica Sinica, 200

11、5, 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. Chinese Physics, 2005, 14:2440 9 Ka