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Sandbox Physics
物理仪器怎样测量

走进仪器

偏振仪怎样看出样品把光混在了一起

穆勒偏振仪轮流照入几种偏振,再从几种偏振方向测出射光强,便能看出样品怎样改变偏振。它还能区分两种情形:每束光都被同样转动,或许多方向不同的光混在一起,整体偏振减弱。

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转一转偏光片,亮度就有了区别

把偏光太阳镜放在液晶屏幕前转动,屏幕会一会儿亮、一会儿暗。光的电场可以沿不同方向振动,屏幕发出的光偏向某个方向,镜片又更容易让其中一个方向通过。只放一个普通光电探测器,读到的是总强度;多加一片能转动的偏光片,就能问光更偏向哪个方向。

水平与竖直的透射强度之差,描述一种线偏振对比。把镜片转到两个斜向,还能测另一种对比。圆偏振则需要先用波片改变两个垂直电场分量的相对步调,再测强度。把总强度和这三种对比放在一起,就是四个斯托克斯参量。每一个数都有一种强度比较的来历。

来源:[1]

一片波片会改变偏振,却未必改变总强度

设想一束斜向线偏振光穿过理想四分之一波片。两个垂直分量原先同步振动,穿过波片后错开四分之一周期。它们合成的电场方向不断转动,成了圆偏振。理想波片没有吸收,探测器仍读到原来的总强度。要看见变化,就得换检偏方式。

偏振仪在样品前放一组起偏元件,准备不同的入射光;样品后再放一组检偏元件,把不同的出射偏振变成强度。换完一组入射,再换下一组,就得到一张强度表。由这张表可以求出一个四行四列的穆勒矩阵,描述样品怎样把四个入射参量变成四个出射参量。

一个入射状态只问了样品一个方向的问题。若始终只照线偏振,某些圆偏振响应就没有被问到。完整测量要让入射组和检偏组都覆盖四个坐标;多测一些状态,还能比较重复信息是否相合。

来源:[2]

每小块都保持偏振,合起来也能退偏振

取两块面积相等的理想波片。一块不改变偏振,另一块把水平偏振转成竖直偏振。水平光同时照到两块上,探测器把两块的光混在一起接收。若两块之间没有稳定的相位关系,应该把强度相加;水平与竖直各占一半,整体便没有偏向。这个平均过程称为退偏振。

现在改照一种斜向偏振。如果这两块波片都把它送到同一个斜向,混合后便仍然完全偏振。两次测量的区别来自样品对不同入射的不同作用。只用水平光观察,会把这块样品误以为对所有偏振都同样“打乱”。

一块均匀波片的作用可以用两个电场分量之间的确定关系描述。未分辨区域混合后的结果,需要描述平均强度的穆勒矩阵。测得退偏振并不自动指向某种微观随机运动;空间上不同的小区域被同一个探测器接收,也会给出这样的结果。

来源:[2][3]

仪器也会改变偏振

检偏片会漏过少量垂直方向的光,波片也可能没有精确延迟四分之一周期。若把命令角度直接当成实际偏振,仪器误差便会被算到样品头上。已知参考光能先测出每种检偏状态真正怎样响应,再在无样品时测出实际送入的偏振。样品测量随后使用这些校准结果。

还要留下没有参与校准的空气光路和已知波片。它们给了仪器一次新的预测机会。光子计数本身会波动,矩阵的微小不合理数值要和这种波动相比;明显偏离无源光学要求的结果,则提示继续检查对准、校准或模型。参考光和探测器看不清的那些区域,共同决定了最后读到的是什么。

来源:[1][3]

来源与延伸阅读

  1. NIST — Optical Polarization Metrology

    四个斯托克斯坐标描述强度与偏振,调制入射和检偏可测样品结构。

  2. NIST SCATMECH — MuellerMatrix

    穆勒变换、退偏振指标,以及映射偏振锥和琼斯混合可实现性的区别。

  3. San José and Gil — Characterization of passivity in Mueller matrices (2019 preprint)

    物理可实现的穆勒矩阵还须同时满足两条无源条件,才能表示无源元件的混合。

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