[논문 리뷰] Complete Stokes vector analysis with a compact, portable rotating waveplate polarimeter

T. A. Wilkinson, Cole Maurer외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 05.

Optical Polarization and Ellipsometry참고 문헌 18인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 충분한 스토크스 벡터 분석을 가능하게 하는 소형, 저비용, 이동식 회전 웨이브플레이트 편광도계를 제시한다. 이는 분석기, 광다이오드, 아두이노 기반 신호 처리를 사용하는 1/4파장판을 포함한다. 신호 보정을 위한 사진 인터럽터를 통합하고 소프트웨어 기반 신호 보정을 통해, 편광도계는 Poincaré 구상에서 1도 이내의 정밀도를 달성하며, 상용 기기의 성능을 훨씬 저렴한 비용으로 재현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 빛의 완전한 스토크스 벡터 특성화를 위한 저비용, 이동식, 자체 완비형 편광도계 개발
• 고비용 상용 기기 의존 없이 정확한 편광 측정 가능
• 소형화와 사용 편의성 유지하면서도 상용 기기 수준의 높은 정확도와 정밀도 확보
• 소프트웨어 오프셋과 물리적 정렬을 통한 단계 오차 보정을 위한 校정 방법 제공

제안 방법

• 회전하는 1/4파장판(QWP)을 약 π/2 감도로 사용하고, 고정된 분석기와 광다이오드를 통해 QWP의 회전에 의해 조절된 강도를 측정
• 회전 단계를 참조하기 위해 사진 인터럽터와 타이밍 디스크를 사용하여 QWP의 특정 단계에서 트리거 신호 생성
• 측정된 강도 신호 I(θ) = 1/2 [A + B sin(2θ) + C cos(4θ) + D sin(4θ)] 에 푸리에 분석을 적용하여 스토크스 매개변수 S0, S1, S2, S3 추출
• 아두이노 프로-마이크로 마이크로컨트롤러를 사용해 실시간 신호 처리를 수행하고, 스토크스 벡터를 계산하며 결과를 LCD에 표시
• 알려진 X-편광 입력(S = [1,1,0,0])을 사용해 시스템 校정하고, QWP의 빠른 축이 분석기와 일치하도록 소프트웨어 오프셋을 5.625° 간격으로 조정
• 상류 분석기와 0차 순서 QWP를 회전시키며 Poincaré 구상의 각도(2ψ 및 2χ)의 편차를 예상값과 비교하여 성능 검증

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용 이동식 편광도계가 상용 기기 수준의 스토크스 벡터 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 사진 인터럽터를 통한 단계 참조가 회전 웨이브플레이트 편광도계의 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 소프트웨어 기반 신호 오프셋이 QWP 단계의 기계적 오차를 어느 정도 보상할 수 있는가?
• RQ4 상류 편광 상태가 변할 경우 스토크스 벡터 성분의 측정 불확도는 얼마인가?
• RQ5 다양한 입력 상태와 광학 구성에서 편광 측정이 얼마나 안정적이고 반복 가능한가?

주요 결과

• 선형 편광을 측정할 때, 분석기를 0°에서 180°로 회전한 결과, 장위도 각도 2ψ의 평균 편차는 0.18°이며 표준편차는 0.41°였다.
• 타원 및 원형 편광을 측정할 때, 상류 QWP를 회전한 결과, 고도 각도 2χ의 평균 편차는 0.11°이며 표준편차는 0.23°였다.
• 장치의 정확도는 0의 반 표준편차 이내에 위치하여, 편광 상태 측정의 높은 일관성과 신뢰성을 입증했다.
• 시스템 성능은 품질이 ±0.25°로 명시된 Thorlabs PAX1000 시리즈와 정량적으로 유사하다.
• 64점 소프트웨어 오프셋(5.625° 해상도)을 사용함으로써 기계적 단계 오차가 효과적으로 보상되었으며, 정확한 校정을 위해 완벽한 물리적 정렬이 필요하지 않음을 입증했다.
• 장치는 30 nm 이상의 대역폭을 가지며 다양한 파장에서 정확도를 유지하여 실용적 광학 설정에서의 강건성을 입증했다.