复合波片光轴精确对准方法研究及对准平台设计

复合波片光轴精确对准方法研究及对准平台设计提纲1项目简介与研究意义2研究现状与市场分析3研究内容与关键技术4项目团队与研究基础项目简介相位延迟量波片级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级波片真零级波片复合零级波片多级波片双折射晶体高分子薄膜光栅结构光子晶体超材料非消色差Pancharatnam波片Becker波片超级消色差偏振光学波片通信用波片宽视场角波片宽带波片窄带波片波片：又叫光学相位延迟器，是一种重要的偏振光学元件，能够使偏振光两个垂直分量之间产生一定的相位延迟，从而改变偏振光的偏振态，广泛应用于偏振光的调制与检测等领域。应用领域：光学测量、偏光技术、激光技术、光学通信、光学成像种类研究目的及立项依据相关应用领域发展趋势宽光谱适应性高性能、高稳定性低成本、大规模生产研究目的

设计宽光谱、高性能、低成本的光学相位延迟器，研究其性能及其误差补偿技术，为相关应用领域提供切实可行可靠的光学相位延迟器解决方案立项依据光学相位延迟器是相关应用领域不可缺少的关键光学元件其光谱适应性制约相关应用领域向宽光谱范围领域发展研究光学相位延迟器性能及误差分析对提高相关领域仪器精度至关重要尚未有同时满足宽光谱、高性能、低成本的光学相位延迟器提纲1项目简介与项目意义2研究现状与市场分析3研究内容与关键技术4项目团队与研究基础国内外研究现状分析国内外研究现状分析设计方案特征参量表征性能研究误差补偿已有研究内容设计类型：波片、棱镜、光栅、液晶、高分子薄膜等；适用波段：紫外、可见、红外、远红外、太赫兹等。相位延迟量测量：偏振旋转法、干涉法、时域法、激光频率分裂法、相位补偿法等；光轴对准与标定：消光法、外差干涉法、红外光谱仪法、基于样品特性法等。光学特性：相位延迟特性、旋光特性、干涉特性、二向色性；其他性能：对入射角、温度、波长的稳定性等。相位延迟器偏差对仪器系统测量影响及补偿，包括：相位延迟量偏差、光轴对准误差、相位延迟器加工及安装误差等不足与缺点1，缺少宽波段相位延迟器设计方案；2，缺少针对具体应用领域的相位延迟器设计方案；1，大多数方法只能表征相位延迟器的一个特征参数；2，间接方法，通过其他量来间接测量表征，系统复杂；3，部分方法原理上不严格，精度较差。1，缺少对相位延迟器在斜入射时光学特性的研究；2，缺少对相位延迟器退偏特性的研究。1，相位延迟器光轴倾斜导致的误差分析与研究；2，相位延迟器在光路系统中产生的退偏效应及其影响。本项目预期达到的解决方案1，给出宽光谱相位延迟器优化设计方法；2，结合具体应用领域，给出相位延迟器优化设计方案（包括椭偏测量系统、大NA偏振检测系统等）。利用穆勒矩阵光谱椭偏测量技术，仅需一次测量便可表征相位延迟器的所有特征光谱，包括：相位延迟量、光轴方位角、旋光角、二向色角、以及退偏度等。1，基于光线追踪原理，深入研究相位延迟器在斜入射下的光学特性；2，研究由于光路系统的带宽、NA等引起的相位延迟器退偏效应。1，研究光轴倾斜误差对系统的影响及补偿方法；2，研究退偏效应的影响及其补偿方法。市场调研与分析国内外光学相位延迟器厂商国内厂商：福州华科光电、福州光诚光电、武汉优光科技等国外厂商：德国b-halle公司、美国Thorlabs公司、美国Newport公司等国内外光学相位延迟器产品比较已有光学相位延迟器不足已有产品大多只能用于一小段特定的波长，在适用波长范围外性能较差，很难满足宽波段使用要求已有产品大多为1/2、1/4、1/8等标准产品，这些产品应用范围广，但难以满足特定应用领域对相位延迟量的使用要求产品类型加工工艺性能价格国内公司标准波段的1/2、1/4、1/8等产品切片、磨片等基本工艺成熟，对准、胶合等复杂工艺较差低低国外公司标准波段的1/2、1/4、1/8等产品切片、磨片、对准、胶合等工艺成熟，且精度很高高高提纲1项目简介与项目意义2研究现状与市场分析3研究内容与关键技术4项目团队与研究基础研究内容宽光谱光学相位延迟器优化设计基于复合波片等效理论，本项目提出以∞-范数为设计准则的宽光谱复合波片式相位延迟器优化设计方法，并利用模拟退火算法进行快速全局优化设计。本项目设计的四分之一复合波片相位延迟量曲线图上：300-1000nm；下：800-2000nm已有四分之一复合消色差波片相位延迟量曲线图上：450-650nm；下：310-1000nm研究内容（续）椭偏仪相位延迟器优化设计椭偏仪中的补偿器就是光学相位延迟器，根据已有文献可知，其在椭偏仪系统中的最优化相位延迟量为127°。利用本项目所提优化设计方法，给出了椭偏仪用相位延迟器设计方案。上：双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪原理示意图下：椭偏仪系统矩阵条件数与补偿器相位延迟量关系椭偏仪光学相位延迟器设计曲线和测量曲线上：三片石英波片复合；下：四片石英波片复合研究内容（续）宽视场角光学相位延迟器优化设计普通相位延迟器的相位延迟量等特性会随入射角不同而变化，为此，本项目设计宽视场角波片相位延迟器，以满足此类应用需求。相位延迟器相位延迟量随入射角变化曲线本项目所设计宽视场角波片相位延迟量随入射角变化曲线对于某些大NA或者光路非理想准直的光学系统，相位延迟器所处的光路不再是垂直入射，而是有一定的入射角（视场角），如左图所示。研究内容（续）复合波片光轴对准技术研究复合波片光轴对准误差会导致其特征光谱参数出现波动。复合波片光轴对准通常用消光方法进行光轴对准，但消光法从原理上来讲不严格，并且对准精度不高。本项目提出光谱式光轴对准方法。消光式复合波片光轴对准示意图光谱式复合波片光轴对准示意图研究内容（续）光学特性表征与测量误差补偿技术研究误差来源：加工或安装误差、非理想光路系统、有限带宽等研究这些误差对相位延迟器光学性能的影响；继而研究对仪器系统的影响与误差补偿技术。一个广义的光学相位延迟器可以用相位延迟量（

δ

）、透过率振幅比（

Ψ

）、快轴方位角（

θ

）和旋光角（

ρ

）完全表示，普通方法只能测得其中一个或两个特征参量，本项目利用穆勒矩阵椭偏仪可在一次测量中获得所有特征参数光谱。波片相位延迟器在加工和安装过程可能存在的光轴倾斜误差示意图关键技术与创新点复合波片等效理论

一个复合波片可以看成由多个单波片组成的光学系统，可以由如下光学等效

我们把这样的光学系统称为广义光学相位延迟器，用四个光学特征参量来描述：相位延迟量（

δ

）、透过率振幅比（

Ψ

）、快轴方位角（

θ

）和旋光角（

ρ

）。实际的光学相位延迟器都是广义光学相位延迟器。复合波片优化设计方法

根据复合波片等效理论，以具体应用领域需求为优化目标，本项目提出以∞-范数为准则的复合波片优化设计方法，具体如下式所示

式中，(λo,θo)和(λ,θ)分别表示各单片的优化参数和取值范围内的任意参数，Λ和Γ分别表示各单波片的参数和复合波片适用波长的范围，

δ0为复合波片优化设计的目标值。复合波片=1个相位延迟器+1个旋光器+1个衰减器关键技术与创新点（续）光学相位延迟器全穆勒矩阵表征方法

根据复合波片等效理论，一个广义的光学相位延迟器可以用下式描述：

式中：

由此可以推导出广义相位延迟器各光学特征参数与其穆勒矩阵元素之间的函数关系：

因此，可以用穆勒矩阵完全表征光学相位延迟器。

关键技术与创新点（续）复合波片光谱参数波动特性研究

当复合波片多个单波片的光轴之间存在对准误差时，复合波片的特征光谱参数光谱会出现波动现象。如下图所示。

研究复合波片光谱参数波动特性有两方面的意义：研究光谱参数波动与光轴对准误差之间的关系，可以用于校准复合波片光轴对准误差，指导光轴对准（光谱式对准）；为研究复合波片相位延迟器光轴对准误差对相关测量系统的影响