一种可调横向剪切量的新型偏振干涉成像光谱仪

一种可调横向剪切量的新型偏振干涉成像光谱仪
摘要： 为了克服传统成像光谱仪稳定性差，干涉条纹杂乱复杂等缺点，提出了一种基于可调横向剪切量萨伐尔 (Savart)偏光镜的新型偏振干涉成像光谱仪。具体分析推导了光线入射角变化对这种新型的可调横向剪切量萨伐 尔偏光镜的光程差、偏振度以及对系统干涉条纹的影响；简要论述了这种新型偏振干涉成像光谱仪的工作机理和 运行方式，从原理上论证了它具有重量轻、体积小、抗震性好、适用范围广、分束光线平行均匀分布、干涉图样清晰、 处理简便等诸多优点，为新型可调横向剪切量的偏振干涉成像光谱仪的设计、研制、调试和工程化提供理论依据和 实践指导。

1 引 言 自20世纪80年代初期美国宇航局喷气推进实 验室(JPL)提出了成像光谱仪的概念至今，成像光 谱技术已得到了飞速的发展和广泛的应用 。早 期出现的成像光谱仪大多基于色散棱镜或衍射光 栅，称为色散型成像光谱仪。这类成像光谱仪原理 简单、性能稳定，但存在系统光通量小探测灵敏度低 的不足，妨碍了它的进一步发展，对高灵敏度探测器 的依赖和对光学系统的苛刻要求成为此类技术的瓶 颈。经典的干涉成像光谱仪则基于迈克耳孙干涉 仪，依靠精密动镜的匀速、直线往返运动获得干涉 图，光路不受狭缝限制，其系统光通量比色散型成像 光谱仪可高两个数量级，但由于扫描时对镜面的倾 斜和横移具有很高的要求，系统的稳定性大大降低， 应用环境和条件也受到限制。为了克服精密动镜系 统稳定性的难题，人们又提出了空间调制干涉成像 光谱仪，并在航天遥感、风场探测等方面得到了重要 的应用l_3]。这种成像光谱仪的光路中也设置狭缝， 其探测灵敏度不高，但与色散型光谱成像仪相比，由 于其狭缝的宽度与光谱分辨力无关，因此，在空间分 辨力要求不高的条件下，空间调制干涉成像光谱仪 也可以具有较高的灵敏度。为了解决成像光谱技术 中高稳定度与高灵敏度的矛盾，本文在对干涉成像 光谱技术多年研究结果的基础上l_4 ]，提出了一种 可调横向剪切量的新型偏振干涉成像光谱仪，采用 转镜代替直线运动的精密动镜机构，具有较高的系 统稳定性、探测灵敏度和探测速度，同时也克服了现 有技术中存在的一些原理缺陷。

2 萨伐尔偏光镜结构与原理分析 分束装置是光学实验尤其是干涉光谱仪中常用 的重要部件。传统的迈克耳孙干涉仪中，它由一个 半透半反镜和两个反射镜组成。这种分束装置在防 震条件好的场合能够有效地工作，但在环境干扰严 重时，由于反射镜、半反镜及各自的支架振动状态 (幅度、频率和振动方向)的不同，造成了分束光之间 的相位抖动，降低了形成的干涉条纹的稳定度，严重 时会使相关的实验不能进行。改进的常规可调分束 角棱镜 (如罗雄棱镜、沃拉斯顿棱镜等)虽然能形 成相对稳定的分光束，但分光束偏振性较差，光强分 布不均，以及干涉图像复杂干涉数据不易处理等弱 点极大地限制了其应用与发展。而本文描述的基于 萨伐尔板的可调横向剪切量偏光镜产生的两线偏振 光彼此平行，偏振度高相干性好，干涉图像简单干涉 数据处理方便，其横向剪切量不但具有较大取值而 且可调，这些明显的特点，无疑将拓宽横向剪切偏光 器件的应用范围。 可调横向剪切量萨伐尔偏光镜是一种新型的分 束装置l_9]，它由如图1所示的光轴相互垂直且各与 系统光轴成45。角的两块等厚单轴负(正)晶萨伐尔 板及 ／2相位延迟片组成。从光源发出的光经起偏 后，入射到萨伐尔板的左板，分为寻常光(o光)和非 常光(e光)，O光沿原方向传播，e光偏折。当两束 光通过 ／2板时，由于它们的偏振方向与 ／2板光 轴都成45。角，所以两束线偏振光出射 ／2板时振动 方向转动了90。。射入第二块晶体板后，原O光变为 e光，原e光变为。光，在萨伐尔板的后表面偏折后 沿平行于入射光的方向射出，并由此形成一定的横 向简切量d，为光线经成像系统形成干涉图样奠定 了基础。 图1 萨伐尔偏光镜结构组成与光学原理图 Fig．1 Structure and optical principle of Savart polariscope 在图2中，光线从折射率为 的各向同性介质 以0点为入射点入射萨伐尔偏光镜。入射光入射角 为i，入射面与ZOX平面(主截面)成 角。 图2 萨伐尔偏光镜光线追迹图 Fig．2 Beam tracing diagram of Savart polariscope 通过计算可知经萨伐尔偏光镜后光线成为平行 于入射光线且有一定间距的二光束l_1 ，其总的横向 剪切量为 d一丽一~／1葡丌 ， (1) 总的光程差A—L。 一L 。一 l l，分别将各参量 代入： ． t ( ) ~／ 2( )一 sin i ~／ 垒 ； 一ni l l一 1 ( )一 sin i 。 。 (cos + sin )sin i+ 孺 ∞o z +十 in2w) in2 2) 更为详细的具体推导可参考文献[10]。以方解 石晶体为例( 一1．48640，‰一1．65835)，可得到图3 所示的萨伐尔偏光镜光程差随i，0．／的变化曲线。 ’ 、I — i=0。 ， ～ ＼ 、 一i=2。 。 — 一 。 。 — ． ／ ／ ～ 0 60 l2O l80 240 300 360 ∞／(。) 图3 光程差随i， 的变化曲线 Fig．3 Variation of optical path difference versus the parameters of i and(u 结合图像可以直观地发现，横向剪切量和光程 差在叫一180。左右成对称分布，这是因为视场补偿 型萨伐尔偏光镜前后两个萨伐尔板的光轴方向在空 间关于叫一180。完全对称所导致的。横向剪切量和 光程差在入射角 ≠0时围绕i一0做类似于正弦曲 线的上下波动。横向剪切量在0。、180。出现最小值， 在90。、270。出现最大值。而光程差在0。出现最小 值，在180。出现最大值，并在90。、270。出现零光程 差。这些都与两块萨伐尔板的光轴方向有直接 关系。 根据可调分束角棱镜，在光源以固定方向入射 时通过旋转镜体改变入射角从而得到较大的分束角 获得大光程差的原理口¨，我们也可利用萨伐尔偏光 镜光程差随入射角近似线性增长的特点，在保持入 射平面与主截面叫不变的前提下，旋转棱镜改变入 射角i即可获取较大的光程差，若在此条件下连续 采样一定的干涉数据即可获取光源在一定光程差范 围内的干涉数据，适当处理即可获取光谱信息，这也 是我们设计的基于可调横向剪切量萨伐尔偏光镜的 新型偏振干涉光谱仪的理论基础。

3 干涉成像光谱仪 图4是我们自主设计的基于双折射晶体(可调 横向简切量萨伐尔偏光镜)分光器的偏振干涉成像 光谱仪的光路图。其中P1和P2为偏振方向互相 垂直放置的两偏振片，萨伐尔偏光镜固定在叫一 180。的平面上，并可在纸面方向上围绕镜体中心旋 转摆动。初始时刻，P1的偏振方向与萨伐尔偏光镜 左板主光轴成45。角，以确保两分光光束光强对称 分布，且初始光程差为零，便于后期数据处理。 Slit r 一 J l ^ 。 {。。 一{ 一l ’Ce O ／] 一 l， j oe Savart Z 图4 新型司调横向剪切量偏振干涉成像光谱仪原理图 由上面的计算分析可知当叫一180。时系统可获 得最大的光程差，而光谱仪的分辨力一般与光程差 成正比l_】 ，从而有利于提高光谱仪的分辨力。光源 (Source)发出的光通过狭缝后经起偏器变为沿偏振 片偏振方向振动的线偏振光，入射到萨伐尔偏光镜 上后发生双折射，成为两束线偏振光：寻常光(0光) 和非寻常光(e光)，0光沿原入射方向传播，e光则 发生偏折。而在进入萨伐尔偏光镜右板时，由于光 轴方向的改变，原。光变成e光，原e光变成。光。 出射光变成两束有横向剪切量，振动方向互相垂直 且平行于原入射光传播方向的线偏振光，经分析器 后两束光振动方向一致，经成像镜后在探测器表面 相遇形成干涉条纹。旋转偏光镜，通过旋转镜体使 入射角在一i到i区间内往复连续变化，虽然由于旋 转使入射点发生变化，但是根据萨伐尔偏光镜出射 光线与入射光线平行传播的特点，易知镜体旋转造 成入射角改变(不同入射点)与光线入射角改变(同 一入射点)造成的光程差分布是相同的，即可获取如 图3随旋转入射角变化的光程差分布，并由此获得 最终不同光程差下的干涉条纹。且由于入射角关于 可调横向剪切量萨伐尔偏光镜中心平面(图4中的 YZ面)具有良好的上下对称变化性，因此通过适当 的数据采集(单边或双边)l_1 ，就可以得到一定光程 差范围内的一组干涉数据，由于这种干涉图像采集 模式类似迈克耳孙干涉光谱仪，因此数据之间关系 清晰，数据采样与复原处理可利用光程差非线性的 转镜式傅里叶变换光谱仪的处理方式l_】 ，相关实验 表明这种转镜式傅里叶变换光谱仪中用转镜代替直 线移动的精密动镜，可有效提高光谱分辨力和时间 分辨力[14ds]。此外，由图3光程差随i，叫的变化曲 O 5毗 O毗 5∞ O 5∞ O毗 5吡 O O O O O O O O O 一 一 一 一 芒aJ 葛II苗盆rBu 盆0 线可知，当 一定时(cu≠180。)，光程差始终与i成 近似的线性关系，而对 的小幅变化不敏感，因此 干涉成像光谱仪中萨伐尔偏光镜允许的倾斜误差容 限较大，系统稳定性大大提高 。

4 结 论 可调横向剪切量萨伐尔偏光镜与可调分束角棱 镜相比，其最大的优点在于保持了分束后的出射光 线极高的偏振度，且分束光线保持彼此平行，光束强 度分布对称均匀，克服了分束角型分束棱镜光线发 散不易收集，干涉条纹杂乱复杂等缺点。而基于可 调横向剪切量萨伐尔偏光镜的新型偏振干涉成像光 谱仪，和传统的迈克耳孙干涉仪相比，其突出优点是 装置的整体性强，消除了半反半透镜和反射镜之间 的相对震动，同时由于两光束均出射于同一器件，对 于工作平台和分束棱镜震动造成的两光束之间相位 相对抖动也有很好的补偿作用，可得到相当稳定的 干涉条纹，大大提高了光学系统的抗震性能。 其次由于使用了萨伐尔偏光镜，改传统干涉仪 动镜相对移动为绕分束器中心旋转，采用转镜代替 直线运动或摆动的精密动镜机构，具有较高的系统 稳定性、探测灵敏度和探测速度，能够在与被探测目 标相对静止的情况下，获取目标的两维空间信息和 一维光谱信息。因此光谱仪具有体积小，重量轻，抗 震性好等诸多优点。依靠转动镜体形成连续变化的 光程差，在采用非线性补偿后_】 ，可大大拓宽转镜 的折射率、工作角等参量的选择余地，在工程设计中 也具有很大的实际意义，极大地提高了干涉成像光 谱仪的应用范围。