[論文レビュー] Simple Self-calibrating Polarimeter for Measuring the Stokes Parameters of Light

Vitaly Wirthl, Cristian D. Panda+2 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2021

Optical Polarization and Ellipsometry参考文献 27被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、光のストークスパラメータを非常に高い精度で測定する、シンプルで自己キャリブレーション可能な回転波偏光計を提案する。入射光強度の変動に対して極めて敏感でない。イン・サイトキャリブレーションを用い、線形偏光光源と二重検出器を組み合わせることで、円偏光成分の測定精度が0.1%、線形偏光成分の測定精度が0.4%に達し、ACME実験における電子電気双極モーメント測定に不可欠な高精度な偏光勾配測定を可能にする。

ABSTRACT

A simple, self-calibrating, rotating-waveplate polarimeter is largely insensitive to light intensity fluctuations and is shown to be useful for determining the Stokes parameters of light. This study shows how to minimize the in situ self-calibration time, the measurement time and the measurement uncertainty. The suggested methods are applied to measurements of spatial variations in the linear and circular polarizations of laser light passing through glass plates with a laser intensity dependent birefringence. These are crucial measurements for the ACME electron electric dipole measurements, requiring accuracies in circular and linear polarization fraction of about 0.1% and 0.4%, with laser intensities up to 100 $ ext{mW/mm}^2$ incident into the polarimeter.

研究の動機と目的

• 実験物理学における部分偏光光のストークスパラメータを測定する低コストで頑丈な偏光計の開発を目的とする。
• 屈折性ガラス板に起因する偏光勾配が電子電気双極モーメント測定に与える系統的不確かさを是正することを目的とする。
• 光学素子の分解や再構成を一切行わずに、測定時間、不確かさ、キャリブレーション時間の最小化を実現することを目的とする。
• 外部キャリブレーション工程を回避するため、線形偏光キャリブレーション光源と二重検出器のみを用いて、イン・サイトでの自己キャリブレーションを可能にする。
• 最大100 mW/mm²の高レーザー強度下でも、強度変動に対して極めて敏感でない高精度な偏光測定を実現することを目的とする。

提案手法

• 偏光計は、回転する1/4波プレートに続いて、それぞれの軸を中心に独立して回転可能な線形偏光子と検出器を備える。
• 1つの検出器が線形偏光子とともに回転する二重検出器構成を採用し、入射光強度の変動に対する感度を低減する。
• システムは、未知のパrameter（波プレート遅延量δ、角度オフセットα₀およびβ₀）を特定するため、線形偏光光源を用いたイン・サイトキャリブレーションを実施する。
• 検出強度は、波プレートおよび偏光子のムーア行列を用いてモデル化され、回転角度を変化させた際の強度測定値から、完全なストークスベクトルが再構成される。
• 不完全な偏光子の消光比rを考慮した修正ムーア行列を用い、高動態レンジを実現するため、r ≲ 10⁻⁵を仮定する。
• デバイスの分解や再構成を一切行わず、イン・サイトで完全にキャリブレーションが実施され、実用性と再現性が保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストークスパラメータ測定中に光強度の変動に最も敏感でないシンプルな偏光計をどのように設計できるか？
• RQ2 回転波プレート偏光計における角度オフセットおよび波プレート遅延量を自己キャリブレーションするための最小限のイン・サイト測定は何か？
• RQ3 0.1%未満の円偏光成分精度と0.4%未満の線形偏光成分精度を維持しつつ、測定時間と不確かさを最小限に抑えるにはどうすればよいか？
• RQ4 高消光比偏光子とイン・サイトキャリブレーションを組み合わせることで、光学素子に起因する屈折性に起因する系統的誤差はどの程度低減できるか？
• RQ5 本偏光計は、最大100 mW/mm²の高強度レーザー下および複雑な偏光勾配条件下でも、ACME実験に必要な精度を達成できるか？

主な発見

• 本偏光計は、円偏光成分の測定精度が約0.1%に達する。
• 線形偏光成分の測定不確かさは約0.4%である。
• 線形偏光光源を用いたイン・サイトキャリブレーションにより、外部キャリブレーションやデバイスの再構成を一切不要にする。
• 二重検出器構成により、入射光強度の変動に対する感度が顕著に低減される。
• 屈折性ガラス板を通過するレーザービームの空間的偏光勾配を正確に測定可能である。
• 不完全な偏光子に起因する残留円偏光汚染に対しても、本システムは頑健であり、一般的な高品質偏光子では√r ≈ 10⁻³未満の汚染レベルに抑えられる。