第一章 绪 论
1.1 引言
1808 年马吕斯发现光的偏振现象以来，陆续出现了各种形式的偏光器件[1-3]。偏光器件作为偏光信息处理和偏光技术应用的核心元件，得到越来越广泛的应用，特别是从上世纪60 年代起，随着第一台红宝石激光器的诞生，偏光技术得到飞速发展，已成为光学测量和光信息处理的一种专门化手段，偏光器件也由以前的几种发展到几十种。按功能不同，可以将偏光器件分为起（检）偏器[4-12]、延迟器[13-21]和退偏器[22-62]。其中，退偏器（depolarizer），又称消偏器，是将偏振光转化为非偏振光的偏光器件，被广泛应用于光电测量、光通信、激光加工、激光医学等领域。、按实现方式，退偏器可以分为漫反射型、散射型、旋光型、双折射型；按光源频率，可分为复色光退偏器、单色光退偏器和准单色光退偏器；按退偏器工作原理，可以分为时域、频域及空域退偏三大类。时域退偏是让光的偏振态随时间产生足够快的周期变化以致检测的平均效果为退偏；频域退偏是不同频率的偏振光经退偏器后转化为大量不同偏振态的集合，其总体的平均效果达到退偏；空域退偏是指从退偏器透射光的偏振态随空间位置连续周期变化，其对空间的平均效果为退偏。本文研究的晶体双折射退偏器利用冰洲石、石英晶体等的双折射特性可实现光在空域或频域的退偏（除 Lyot 型退偏器属于频域退偏外，其余均为空域退偏），具有退偏度高、透射比高、性能稳定、体积小等优点，被广泛应用于高性能的光学系统中。另外，任何偏振光通过双折射材料不可能转化为真正意义上的非偏振光，而是大量不同偏振态在空间内的平均测量效果，故晶体双折射退偏器属于伪退偏器的一种。
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1.2 研究背景
1808 年马吕斯发现光的偏振现象以来，各种偏光器件应运而生，并在各个领域逐步得到广泛应用。而退偏器的研究却相对较少。最早的退偏器是 1928 年 Lyot 发明的适合于复色光退偏的 Lyot 型退偏器，它在以后成为退偏领域重点关注的对象。这种退偏器的工作原理为频域退偏，由两块厚度比为 2:1 的 X 切割的双折射晶体平板组成（也可以用保偏光纤实现），晶体光轴间的夹角为 45°。Lyot 型退偏器的应用比较广泛，但是它只适用于复色光的退偏。可以成功实现广泛应用的单色光退偏器的种类则更少：1951 年 Billings 使用两块 ADP板设计了最早的单色光伪退偏器，但制作、使用比较复杂；Holzwarth 在 1965 年利用厚双折射石英晶体板制作了多色光退偏器，但使用条件严格，不易达到；这一时期还出现了单体石英晶体光楔设计的单色光退偏器，但同样适用条件严格，且对小直径激光束退偏不理想；Portigal 在 1969 年利用直径为 5mm，长 60cm 和 90cm 的两个商业级熔融石英棒制作的单色光退偏器，有很好的退偏效果，但是过大的长度限制了它的应用；Jeromo 在 1980年利用石英晶体发明了一种双光楔型单色光退偏器，但它使用时必须使入射光偏振面与退偏器某个晶体光轴成 45°，并且必须垂直入射；Billings 在 1941 年，A. P. Loeber 在 1982年利用 Mueller 矩阵对 Lyot 型退偏器进行理论分析和实验研究，两者结论不尽相同，利用光束叠加方法发现原因在于选取的光源功率密度谱不同；1978 年 Richter 分析了 Lyot 型退偏器对准单色光的应用；Burns 在 1983 年，Mochizuki 在 1984 年利用相干理论分析、总结了任意光源功率密度谱下的 Lyot 型退偏器的退偏度，P. L. Makowski 在 2012 对他们的研究结果作了分析比较；K. Bohm 在 1983 年，Kiyofumi Mochi 在 1984 年开始研究了 Lyot 型光纤退偏器；James P. McGuire在1990年分析了双巴比涅退偏器在成像系统中的应用；StephenC. McClain 等人在 1992 年研究了 HV 退偏器的偏振像差。
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第二章 光波叠加分析方法的提出
2.1 引言
偏振光的表示方法很多[86-88]，如偏振椭圆、Poincare 球、Jones 矢量、Stokes 矢量、相干矩阵等。在做定量分析时，我们常常用到矩阵这个数学工具。对偏振光我们可以用 Jones矢量和 Stokes 矢量来描述，相应的光学器件分别用 2×2 阶的 Jones 矩阵和 4×4 阶的 Mueller矩阵来描述。两者的差异非常明显：Jones 矢量只适用于偏振光，而 Stokes 矢量不仅适用于偏振光，还适用于描述非偏振光；相应的 Jones 矩阵只适用于偏振光，而 Mueller 矩阵可以用于退偏问题的处理。因此，在退偏器的定量分析中经常选择 Stokes 矢量和 Mueller 矩阵。1983 年起出现了基于光的相干原理的退偏器分析方法，使用相干矩阵描述偏振光。在这个系统中，光束用一个叫做相干矩阵或密度矩阵的 4×4 阶矩阵表示，它是 Jones 矢量与它的厄米共轭乘积的时间平均值，而光学器件的描述则与 Jones 矩阵相同。这种分析方法相对 Mueller 矩阵的数学运算有所简化，但物理意义仍不够清晰。在退偏问题的处理中发现，一般使用的描述理论越深，处理过程越复杂，物理意义越不清晰。光波叠加方法的提出基于最基本的光的波动理论。光是一种极高频的电磁波，其电场强度、磁场强度和波法线方向或传播方向构成一个右旋的正交矢簇。因为光的许多方面的效应主要通过其电场的作用表现出来，所以电场强度矢量又称光矢量。光的偏振便是指光矢量在时空分布的一种不对称性。反之，若光矢量的分布具有对称性则为非偏振光，即自然光。
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2.2 偏振光的分类
按照电矢量的时空分布规律，可以将光波分为自然光、部分偏振光、完全偏振光。完全偏振光又分为椭圆偏振光、圆偏振光、线偏振光。自然光是指在观察时间内，光矢量在垂直于光传播方向平面内的各个方向上的振动几率和大小相同。普通光源发出的光都是自然光，虽然光源内某个粒子某次发出的光是线偏振光，但是考虑光源由大量粒子组成，某一时刻不同粒子或同一粒子在不同时刻发出的光的偏振态是随机的，因此总体上不具有偏振特性，是完全非偏振光。部分偏振光指的是光矢量在某一方向上的振动比其它方向上具有优势，一般可以认为部分偏振光是由自然光和线偏振光叠加而成的。
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第三章 光波叠加分析方法的应用....19
3.1 引言....19
3.2 Lyot 改进型退偏器........19
3.3 Lyot 型退偏器....33
3.4 HV 退偏器........39
3.5 双巴比涅退偏器......48
3.6 小结........53
第四章 几种新型晶体双折射退偏器的分析与优化设计........55
4.1 引言........55
4.2 晶体光轴扇形分布退偏器........55
4.3 正反应用不同特性退偏器........62
4.4 四元结构退偏器的优化设计....70
4.5 Lyot 单色光退偏器....75
4.6 小结....79
第五章 全文总结及下一步的研究工作......80
5.1 全文总结......80
5.2 下一步工作....80
第四章 几种新型晶体双折射退偏器的分析与优化设计
4.1 引言
本章利用光波叠加方法对几种新型晶体双折射退偏器的退偏性能进行分析，首先是两种晶体光轴取向不同的四元结构晶体双折射退偏器：晶体光轴扇形分布退偏器、正反应用不同特性退偏器，然后在已有光波叠加分析的基础上，总结了晶体双折射退偏器的理想退偏条件，结合几种四元结构退偏器的优点，设计一种四元结构退偏器的优化形式，最后介绍的是在光波叠加方法对 Lyot 退偏器分析结论基础上得到的一种新型单色光退偏器。晶体光轴扇形分布退偏器是晶体光轴取向比较复杂的一种四元结构退偏器，入射光在其内部分解次数最多，透射子光束可达 16 个，相对双巴比涅退偏器要复杂。然而，众多光点“杂乱”的叠加，退偏效果却不及双巴比涅退偏器。本节将利用光波叠加方法予以分析，并通过实验验证。
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结论
本文提出一种适用于晶体双折射退偏器的性能分析的新方法，即光波叠加分析方法，除了用它对已有几种形式的退偏器进行分析外，还利用分析总结的成果，设计了四种新型退偏器，其中两种实现了性能优化；所有分析结论，几乎都得到了实验验证。通过对多个不同形式退偏器的分析，充分显示了光波叠加方法相对于传统的矩阵方法（Mueller 矩阵和相干矩阵）的优越性：数学过程简洁，物理意义清晰。由于它的优越性，使得在对已有形式退偏器的分析中，得到不少有意义的新结论：对 Lyot 改进型退偏器，不仅得到了它对单色线偏振光的退偏度表达式，还清晰、直观地看到了它在相位差、方位角共同影响下的退偏机制；对 Lyot 型退偏器的理想退偏条件进行分析、对比，实现统一认识；针对 HV 退偏器的特殊性，利用光波叠加方法从两种角度出发进行分析，充分显示了该方法的优越性；对双巴比涅退偏器，采用合理、灵活的相位近似处理，简化了分析过程。通过这些分析，总结了晶体双折射退偏器的理想退偏条件这个重要结论。在这个结论基础上，结合双巴比涅退偏器及新设计的晶体光轴扇形分布退偏器、正反应用不同特性退偏器的优点，给出四元优化设计退偏器，实现了比较完美的理想退偏；新设计的 Lyot 单色光退偏器结构简单，实现了对单个 1/4 波片形式的单色光退偏器性能的优化，尽管退偏度受到加工误差的影响，在一些对退偏度要求不是太高的光学探测系统仍有较好的应用。另外，光波叠加分析方法不仅是在数学形式上的创新，在物理思想上也有其独创之处，如从透射光点的角度出发进行分析，从相位差（入射角）角度改善退偏度，指出退偏效果取决于透射光强与相位差两者变化方向的关联性，提出了退偏度对楔角的“饱和性”以及受楔角及光屏位置影响的“边缘效应”等。#p#分页标题#e#
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参考文献（略）
