[论文解读] 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 13

一句话总结

本文提出了一种紧凑、低成本、便携式的旋转波片偏振计，通过四分之一波片、偏振片、光电二极管和基于Arduino的信号处理，实现对准直光束的完整斯托克斯矢量分析。通过集成光电中断器进行相位参考，并采用软件信号校正，该设备在庞加莱球上的测量精度达到亚度级，性能与商用仪器相当，但成本仅为后者的几分之一。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、便携且自包含的偏振计，用于光束的完整斯托克斯矢量表征。
• 实现在不依赖昂贵商用仪器的条件下，实现精确的偏振测量。
• 在保持紧凑性和易用性的同时，实现与商用设备相当的高精度和高重复性。
• 提供一种校准方法，通过软件补偿和物理对准，消除相位错位的影响。

提出的方法

• 采用约π/2延迟的旋转四分之一波片（QWP）、固定偏振片（分析器）和光电二极管，检测由QWP旋转调制的光强。
• 利用光电中断器和定时圆盘在QWP旋转的已知相位生成触发信号，实现相位参考。
• 对检测到的光强信号 I(θ) = 1/2 [A + B sin(2θ) + C cos(4θ) + D sin(4θ)] 进行傅里叶分析，提取斯托克斯参数 S0, S1, S2, S3。
• 使用Arduino Pro-Micro微控制器实时处理信号，计算斯托克斯矢量，并在LCD上显示结果。
• 通过已知的X偏振输入（S = [1,1,0,0]）对系统进行校准，并以5.625°为步长调整软件补偿值，使QWP快轴与分析器对齐。
• 通过旋转上游偏振片和零级QWP，测量庞加莱球上角度（2ψ和2χ）的偏差，并与预期值进行对比，验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 低成本、便携式偏振计能否实现与商用设备相当的斯托克斯矢量精度？
• RQ2 通过光电中断器实现的相位参考如何提升旋转波片偏振计的测量精度？
• RQ3 软件信号补偿在多大程度上可补偿QWP相位的机械错位？
• RQ4 当上游偏振态变化时，斯托克斯矢量分量的测量不确定度是多少？
• RQ5 在不同输入状态和光学配置下，偏振测量的稳定性和重复性如何？

主要发现

• 在测量线性偏振光时，经0°至180°旋转偏振片，纵向角2ψ的平均偏差为0.18°，标准偏差为0.41°。
• 在通过旋转上游QWP测量椭圆和圆偏振光时，仰角2χ的平均偏差为0.11°，标准偏差为0.23°。
• 该设备的测量精度在零值的半倍标准差范围内，表明其在偏振态测量中具有高度一致性和可靠性。
• 该系统的性能在定量上可与商用仪器（如Thorlabs PAX1000系列）相媲美，后者标称精度为±0.25°。
• 采用64点软件补偿（5.625°分辨率）有效补偿了机械相位错位，实现了精确校准，而无需严格物理对准。
• 该设备在带宽 >30 nm 范围内正常工作，并在多种波长下保持精度，表现出在实际光学系统中的鲁棒性。