[論文レビュー] Complete Stokes vector analysis with a compact, portable rotating waveplate polarimeter

T. A. Wilkinson, Cole Maurer+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Optical Polarization and Ellipsometry参考文献 18被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、四分の波長板、偏光子、フォトダイオード、およびArduinoベースの信号処理を用いて、平行光の完全なストークスベクトル解析を可能にするコンactで低コストなポータブル回転波長板偏光計を提案する。写真インタラプタを用いた位相リファレンシングとソフトウェアベースの信号補正を統合することで、ポアンカーベー球上で1度未塔の精度を達成し、商業機器の性能をわずか数分の一のコストで再現する。

ABSTRACT

Accurate calibration of polarization dependent optical elements is often necessary in optical experiments. A versatile polarimeter device to measure the polarization state of light is a valuable tool in these experiments. Here we report a rotating waveplate-based polarimeter capable of complete Stokes vector analysis of collimated light. Calibration of the device allows accurate measurements over a range of wavelengths, with a bandwidth of >30 nm in this implementation. A photo-interrupter trigger system supplies the phase information necessary for full determination of the Stokes vector. An Arduino microcontroller performs rapid analysis and displays the results on a liquid crystal display. The polarimeter is compact and can be placed anywhere on an optical table on a single standard post. The components to construct the device are only a fraction of the cost of commercially available devices while the accuracy and precision of the measurements are of the same order of magnitude.

研究の動機と目的

• 光の完全なストークスベクトル特性を特徴付けるための低コストでポータブルかつ自己完結型の偏光計の開発。
• 高価な商業機器に依存せずに正確な偏光測定を実現すること。
• コンパクトさと使いやすさを維持しつつ、商業機器と同等の高い精度と再現性を達成すること。
• 物理的整列とソフトウェアオフセットを用いて位相ずれを補正するキャリブレーション手法の提供。

提案手法

• 回転する四分の波長板（QWP）を約π/2の遅延として使用し、固定された偏光子（アナライザー）とフォトダイオードを組み合わせ、QWPの回転によって変調される強度を検出する。
• 写真インタラプタとタイミングディスクを用いて、QWP回転の既知の位相でトリガ信号を生成し、位相リファレンシングを実現する。
• 検出された強度信号 I(θ) = 1/2 [A + B sin(2θ) + C cos(4θ) + D sin(4θ)] に対してフーリエ解析を適用し、ストークスパラメータ S0, S1, S2, S3 を抽出する。
• Arduino Pro-Microマイコンを用いてリアルタイムの信号処理を実行し、ストークスベクトルを計算し、LCDに結果を表示する。
• 既知のX偏光状態入力（S = [1,1,0,0]）を用いてシステムをキャリブレーションし、QWPの速軸がアナライザーと一致するように、5.625°の刻みでソフトウェアオフセットを調整する。
• 上流の偏光子とゼロ次QWPを回転させながら、期待値との差を測定することで、ポアンカーベー球上の角度（2ψおよび2χ）のずれを検証し、性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストでポータブルな偏光計は、商業機器と同等のストークスベクトル精度を達成できるか？
• RQ2 写真インタラプタによる位相リファレンシングは、回転波長板偏光計の精度をどのように向上させるか？
• RQ3 ソフトウェアベースの信号オフセットは、QWP位相における機械的ずれをどの程度補正できるか？
• RQ4 上流の偏光状態を変化させた場合、ストークスベクトル成分の測定不確かさはどの程度か？
• RQ5 異なる入力状態および光学的構成において、偏光測定の安定性と再現性はどの程度か？

主な発見

• 線形偏光を測定する際、偏光子を0°から180°に回転させた場合、経度角2ψの平均偏差は0.18°、標準偏差は0.41°であった。
• 楕円偏光および円偏光を測定する際、上流のQWPを回転させた場合、高度角2χの平均偏差は0.11°、標準偏差は0.23°であった。
• 装置の精度はゼロの半分の標準偏差以内に収まっており、偏光状態測定の高精度と信頼性を示している。
• システムの性能は、仕様精度が±0.25°とされているThorlabs PAX1000シリーズなどの商業機器と定量的に同等である。
• 64点のソフトウェアオフセット（5.625°解像度）を用いることで、機械的位相ずれが効果的に補正され、完全な物理的整列が不要な正確なキャリブレーションが可能になった。
• 装置は30 nmを超える帯域幅で動作し、さまざまな波長範囲で精度を維持しており、実用的な光学系における頑健性を示している。