正入射角錐偏振光的失偏測量與糾偏

任遠 黃春暉

摘要：為解決角錐棱鏡失偏效應，提出一種外加晶片的橢圓偏振光糾偏方案。總結角錐實棱傾斜時的修正公式，同時建立角錐在順、逆時針反射次序下的糾偏模型。分析該模型表明利用兩個半波片和一個延遲片可以使角錐的入/出射偏振態保持不變。根據上述模型，用1064nm波長的激光器，對實棱線豎直擺放的BK7玻璃角錐進行順、逆時針糾偏實驗。光波矢與水平方向的夾角在90°至0°之間變化，以獲得不同的線偏振態，經糾偏后最大失偏橢圓率絕對值從35°糾正為5°。對于近圓偏振光，經糾偏后橢圓率從44°下降到40°。

關鍵詞：角錐;偏振態;糾偏

中圖分類號：O4363 文獻標志碼：A

引言

角錐棱鏡能使任意方向入射的光線，經其三次內部反射后，光線的出射方向與入射方向平行。利用這一特性，將角錐棱鏡用作激光器的后腔鏡，可以使激光器在較大范圍內不失調，譬如免調試固體激光器。但光束在依次進行棱鏡內部三次全反射時，偏振面需要偏轉一定角度，結果導致失偏，即輸出光束與輸入的偏振態不。對于單激光媒質來說，諧振器中光束的失偏會降低其Q值，降低激光器的效率。對于多激光媒質來說，角錐棱鏡可用于激光束間的相干合成，提高合成效率，獲得高能量密度的強激光，同時要求輸出光束不產生失偏，以保證相干合成激光器的高Q品質。因此，如何使得角錐的輸入和輸出偏振態保持一致，也就是實現“保偏”，成為研制高性能相干合成固體激光器的關鍵。角錐棱鏡共有6種傳輸路徑，對于同一束入射光來說，每條反射路徑引起的失偏也不同。實現角錐保偏，可使用折射率為1.22的材料，使得全反射后平行與垂直偏振分量相移相等，但折射率為1.22的材料難以尋找，而且折射率常常隨著波長變化，因此保偏難以實現。目前角錐的保偏方式分為鍍膜和外加晶片兩種。對于鍍膜保偏方式，李剛等H設計了光學保偏薄膜用于角錐保偏;Lee等利用相控涂層保持s或P輸入的偏振態;Kalibjian研究了633～1550nm光譜范圍內的14種金屬鍍膜的角錐棱鏡的偏振特性;這些保偏方式均需要額外的鍍膜工藝。對于外加晶片方式，李建民等利用角錐棱鏡入射區域中存在一對正交的本征線偏振光，其被角錐棱鏡反射后仍然是該方向線偏振光的原理，研制了折疊式角錐棱鏡諧振腔激光器，但該保偏方式只能保持某對特殊的偏振態;彭堂超等使用3片1/4波片實現保偏，但該方案僅能用于線偏振態保偏。本文提出一種利用兩個半波片、附加延遲器的角錐糾偏方案，該方案不僅適用于正入射下線偏振的保偏，還可以用于橢圓偏振態保偏。理論和實驗證明該方案確實可行。

1正入射角錐的瓊斯矩陣

以圖1（a）和1（b）角錐擺放方式研究偏振特性，定義光坐標系，棱BA始終豎直，定義為s方向，光線方向K垂直入射面ABC，定義P=sxK，面AOC記為1，面AOB記為2，面BOC記為3，Q'對應面ABC中心，反射次序定義如圖1（c）所示，實/虛線為兩反射面邊界及其對稱像，稱為實/虛棱。依據光線入射角錐的反射方向只分為順、逆時鐘兩種，以123對應逆時針反射次序、321對應順時針反射次序作為偏振特性研究基礎。

對BK7玻璃材料角錐，使用中心波長1064 nm的光纖激光器作為光源，采用NewPort公司生產的壓電旋轉電機AG-PR100旋轉1/4波片和偏振片改變偏振態，其旋轉精度為1”（5urad）。用Thorlabs公司生產的偏振態測量儀PAX 1000分別測量順、逆反射方式下無保偏時入射角周期變化的線偏振態的出射結果，以及采用半波片與延遲器保偏的結果。實驗裝置原理如圖5所示，u軸表示波片的光軸或線偏振片方向軸，θo表示沿K方向P軸順時針轉向u軸的夾角，角錐內部的反射路線用虛線表示。

圖6為角錐未糾偏時，132和231反射方式下輸入線偏振態時的輸出結果，使用Stokes參數表示，理論結果用實線表示，空心圓點是每20個實驗數據點取平均值。從圖中可以看到實驗與理論基本符合，圖6（a）中實驗與理論的最大值有誤差，是由角錐實棱AO'垂直擺放偏差引起，圖6（b1中實驗與理論的周期有誤差，是由于實驗中輸入的線偏振角速度非均速導致。

糾偏前后的結果如圖7所示。為直觀比較對失偏角錐的糾偏程度，使用方向角（灰）和橢圓率（黑）描述，入射偏振態依次為：偏振方向與P軸夾角從90°變為0°的線偏振光，左、右旋圓偏振光。其中，線偏振光源經過1/4波片得到圓偏振光;再通過逆時針方向旋轉的偏振片后，當測得S1為1、S2為0時標記為人射線偏振態角180°或0°的位置，測得S1為-1、S2為0時為入射線偏振態角90°的位置，繼續旋轉偏振片即可得到夾角從90°變為0°的線偏振光。可以看到經過糾偏后，線偏振態最大失偏橢圓率絕對值從35°降低至5°，方向角跟隨入射偏振態呈一條斜線。實驗中入射近似圓的左右旋偏振光，橢圓率絕對值為44°，入射角錐后失偏僅為10°，經糾偏后橢圓率絕對值保持在40°，橢圓率僅下降40°;未糾偏時方向角依賴入射角錐的方式，經糾偏后因十分接近于圓偏振態，方向角傾向于隨機方向。

4結論

本文利用角錐瓊斯矩陣對應的實特征向量，給出一種外加晶片的角錐糾偏方案。利用旋轉公式，給出傾斜角度下角錐的瓊斯矩陣，同時證明對任意傾斜擺放角度的角錐，均可使用半波片和延遲器，實現所有反射次序下正入射角錐保偏。該方式依賴于折射率，因此可適用于較寬波長范圍內的糾偏，與傳統方式只能對線偏振態保偏相比，該方式可用于橢圓偏振光的保偏。這種糾偏方式為實現高性能偏振態保持的角錐腔固體激光器提供了參考。