復(fù)合波片光軸精確對準方法研究及對準平臺設(shè)計

復(fù)合波片光軸精確對準方法研究及對準平臺設(shè)計提綱1項目簡介與研究意義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項目團隊與研究基礎(chǔ)項目簡介相位延遲量波片級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波片真零級波片復(fù)合零級波片多級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償技術(shù)，為相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域提供切實可行可靠的光學(xué)相位延遲器解決方案立項依據(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提高相關(guān)領(lǐng)域儀器精度至關(guān)重要尚未有同時滿足寬光譜、高性能、低成本的光學(xué)相位延遲器提綱1項目簡介與項目意義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項目團隊與研究基礎(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)計方案特征參量表征性能研究誤差補償已有研究內(nèi)容設(shè)計類型：波片、棱鏡、光柵、液晶、高分子薄膜等；適用波段：紫外、可見、紅外、遠紅外、太赫茲等。相位延遲量測量：偏振旋轉(zhuǎn)法、干涉法、時域法、激光頻率分裂法、相位補償法等；光軸對準與標定：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：對入射角、溫度、波長的穩(wěn)定性等。相位延遲器偏差對儀器系統(tǒng)測量影響及補償，包括：相位延遲量偏差、光軸對準誤差、相位延遲器加工及安裝誤差等不足與缺點1，缺少寬波段相位延遲器設(shè)計方案；2，缺少針對具體應(yīng)用領(lǐng)域的相位延遲器設(shè)計方案；1，大多數(shù)方法只能表征相位延遲器的一個特征參數(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格，精度較差。1，缺少對相位延遲器在斜入射時光學(xué)特性的研究；2，缺少對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。本項目預(yù)期達到的解決方案1，給出寬光譜相位延遲器優(yōu)化設(shè)計方法；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系統(tǒng)的影響及補償方法；2，研究退偏效應(yīng)的影響及其補償方法。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等標準產(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格國內(nèi)公司標準波段的1/2、1/4、1/8等產(chǎn)品切片、磨片等基本工藝成熟，對準、膠合等復(fù)雜工藝較差低低國外公司標準波段的1/2、1/4、1/8等產(chǎn)品切片、磨片、對準、膠合等工藝成熟，且精度很高高高提綱1項目簡介與項目意義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項目團隊與研究基礎(chǔ)研究內(nèi)容寬光譜光學(xué)相位延遲器優(yōu)化設(shè)計基于復(fù)合波片等效理論，本項目提出以∞-范數(shù)為設(shè)計準則的寬光譜復(fù)合波片式相位延遲器優(yōu)化設(shè)計方法，并利用模擬退火算法進行快速全局優(yōu)化設(shè)計。本項目設(shè)計的四分之一復(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)計橢偏儀中的補償器就是光學(xué)相位延遲器，根據(jù)已有文獻可知，其在橢偏儀系統(tǒng)中的最優(yōu)化相位延遲量為127°。利用本項目所提優(yōu)化設(shè)計方法，給出了橢偏儀用相位延遲器設(shè)計方案。上：雙旋轉(zhuǎn)補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)與補償器相位延遲量關(guān)系橢偏儀光學(xué)相位延遲器設(shè)計曲線和測量曲線上：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)計普通相位延遲器的相位延遲量等特性會隨入射角不同而變化，為此，本項目設(shè)計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目所設(shè)計寬視場角波片相位延遲量隨入射角變化曲線對于某些大NA或者光路非理想準直的光學(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)合波片光軸對準技術(shù)研究復(fù)合波片光軸對準誤差會導(dǎo)致其特征光譜參數(shù)出現(xiàn)波動。復(fù)合波片光軸對準通常用消光方法進行光軸對準，但消光法從原理上來講不嚴格，并且對準精度不高。本項目提出光譜式光軸對準方法。消光式復(fù)合波片光軸對準示意圖光譜式復(fù)合波片光軸對準示意圖研究內(nèi)容（續(xù)）光學(xué)特性表征與測量誤差補償技術(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相位延遲器光學(xué)性能的影響；繼而研究對儀器系統(tǒng)的影響與誤差補償技術(shù)。一個廣義的光學(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或兩個特征參量，本項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)新點復(fù)合波片等效理論

一個復(fù)合波片可以看成由多個單波片組成的光學(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，本項目提出以∞-范數(shù)為準則的復(fù)合波片優(yōu)化設(shè)計方法，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)計的目標值。復(fù)合波片=1個相位延遲器+1個旋光器+1個衰減器關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點（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（續(xù)）復(fù)合波片光譜參數(shù)波動特性研究

當(dāng)復(fù)合波片多個單波片的光軸之間存在對準誤差時，復(fù)合波片的特征光譜參數(shù)光譜會出現(xiàn)波動現(xiàn)象。如下圖所示。

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