[论文解读] Simple Self-calibrating Polarimeter for Measuring the Stokes Parameters of Light
本文提出了一种简单、自校准的旋转波片偏振计，能够以极低的强度波动敏感度精确测量光的斯托克斯参数。通过使用线性偏振光源进行原位校准并结合双探测器，其在圆偏振度测量中达到0.1%的精度，在线性偏振度测量中达到0.4%的精度，从而实现对极化梯度的精确测量，这对ACME实验中电子电偶极矩的测量至关重要。
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.
研究动机与目标
- 开发一种低成本、鲁棒的偏振计，用于在实验物理中测量部分偏振光的斯托克斯参数。
- 解决由双折射玻璃板引起的偏振梯度对电子电偶极矩测量系统性不确定度的影响。
- 在不拆除或重新配置光学元件的前提下，最小化偏振测量的时间、不确定度和校准时间。
- 仅通过线性偏振校准光源和双探测器实现高精度的原位自校准，避免外部校准步骤。
- 在高达100 mW/mm²的激光强度下实现高精度偏振测量，且对光强波动的敏感度极低。
提出的方法
- 该偏振计采用一个可绕轴旋转的四分之一波片，后接一个可独立绕轴旋转的线性偏振片和探测器。
- 采用双探测器结构，其中一个探测器随线性偏振片同步旋转，从而降低对入射光强波动的敏感度。
- 系统使用线性偏振光源进行原位校准，以确定未知参数，如波片延迟量δ、以及角度偏移量α₀和β₀。
- 通过波片和偏振片的穆勒矩阵模型对检测到的光强进行建模，利用不同旋转角度下的强度测量值重构完整的斯托克斯矢量。
- 通过改进的穆勒矩阵考虑偏振片消光比r的不完美性，假设r ≲ 10⁻⁵以实现高动态范围。
- 校准过程完全在原位完成，无需拆卸或重新配置设备，确保了实用性和可重复性。
实验结果
研究问题
- RQ1如何设计一种简单的偏振计，以最小化在斯托克斯参数测量过程中对光强波动的敏感度？
- RQ2在旋转波片偏振计中，实现自校准所需的角度偏移量和波片延迟量的最少原位测量集是什么？
- RQ3如何在保持圆偏振度测量精度低于0.1%、线性偏振度测量精度低于0.4%的前提下，最小化测量时间和不确定度？
- RQ4高消光比偏振片与原位校准在多大程度上可减少光学元件双折射引起的系统误差？
- RQ5该偏振计是否能在高达100 mW/mm²的激光强度和复杂偏振梯度条件下，满足ACME实验所需的测量精度？
主要发现
- 该偏振计实现了约0.1%的圆偏振度测量精度。
- 线性偏振度的测量不确定度约为0.4%。
- 使用线性偏振光源进行原位校准，消除了对外部校准或设备重新配置的需求。
- 双探测器结构显著降低了对入射光强波动的敏感度。
- 该方法可准确测量通过双折射玻璃板的激光光束中的空间偏振梯度。
- 系统对由非理想偏振片引起的残余圆偏振污染具有鲁棒性，对于典型高质量偏振片，污染水平低于√r ≈ 10⁻³。
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