一種可調橫向剪切量的新型偏振干涉成像光譜儀
摘要： 為了克服傳統成像光譜儀穩定性差，干涉條紋雜亂復雜等缺點，提出了一種基于可調橫向剪切量薩伐爾 (Savart)偏光鏡的新型偏振干涉成像光譜儀。具體分析推導了光線入射角變化對這種新型的可調橫向剪切量薩伐 爾偏光鏡的光程差、偏振度以及對系統干涉條紋的影響；簡要論述了這種新型偏振干涉成像光譜儀的工作機理和 運行方式，從原理上論證了它具有重量輕、體積小、抗震性好、適用范圍廣、分束光線平行均勻分布、干涉圖樣清晰、 處理簡便等諸多優點，為新型可調橫向剪切量的偏振干涉成像光譜儀的設計、研制、調試和工程化提供理論依據和 實踐指導。

1 引 言 自20世紀80年代初期美國宇航局噴氣推進實 驗室(JPL)提出了成像光譜儀的概念至今，成像光 譜技術已得到了飛速的發展和廣泛的應用 。早 期出現的成像光譜儀大多基于色散棱鏡或衍射光 柵，稱為色散型成像光譜儀。這類成像光譜儀原理 簡單、性能穩定，但存在系統光通量小探測靈敏度低 的不足，妨礙了它的進一步發展，對高靈敏度探測器 的依賴和對光學系統的苛刻要求成為此類技術的瓶 頸。經典的干涉成像光譜儀則基于邁克耳孫干涉 儀，依靠精密動鏡的勻速、直線往返運動獲得干涉 圖，光路不受狹縫限制，其系統光通量比色散型成像 光譜儀可高兩個數量級，但由于掃描時對鏡面的傾 斜和橫移具有很高的要求，系統的穩定性大大降低， 應用環境和條件也受到限制。為了克服精密動鏡系 統穩定性的難題，人們又提出了空間調制干涉成像 光譜儀，并在航天遙感、風場探測等方面得到了重要 的應用l_3]。這種成像光譜儀的光路中也設置狹縫， 其探測靈敏度不高，但與色散型光譜成像儀相比，由 于其狹縫的寬度與光譜分辨力無關，因此，在空間分 辨力要求不高的條件下，空間調制干涉成像光譜儀 也可以具有較高的靈敏度。為了解決成像光譜技術 中高穩定度與高靈敏度的矛盾，本文在對干涉成像 光譜技術多年研究結果的基礎上l_4 ]，提出了一種 可調橫向剪切量的新型偏振干涉成像光譜儀，采用 轉鏡代替直線運動的精密動鏡機構，具有較高的系 統穩定性、探測靈敏度和探測速度，同時也克服了現 有技術中存在的一些原理缺陷。

2 薩伐爾偏光鏡結構與原理分析 分束裝置是光學實驗尤其是干涉光譜儀中常用 的重要部件。傳統的邁克耳孫干涉儀中，它由一個 半透半反鏡和兩個反射鏡組成。這種分束裝置在防 震條件好的場合能夠有效地工作，但在環境干擾嚴 重時，由于反射鏡、半反鏡及各自的支架振動狀態 (幅度、頻率和振動方向)的不同，造成了分束光之間 的相位抖動，降低了形成的干涉條紋的穩定度，嚴重 時會使相關的實驗不能進行。改進的常規可調分束 角棱鏡 (如羅雄棱鏡、沃拉斯頓棱鏡等)雖然能形 成相對穩定的分光束，但分光束偏振性較差，光強分 布不均，以及干涉圖像復雜干涉數據不易處理等弱 點極大地限制了其應用與發展。而本文描述的基于 薩伐爾板的可調橫向剪切量偏光鏡產生的兩線偏振 光彼此平行，偏振度高相干性好，干涉圖像簡單干涉 數據處理方便，其橫向剪切量不但具有較大取值而 且可調，這些明顯的特點，無疑將拓寬橫向剪切偏光 器件的應用范圍。 可調橫向剪切量薩伐爾偏光鏡是一種新型的分 束裝置l_9]，它由如圖1所示的光軸相互垂直且各與 系統光軸成45。角的兩塊等厚單軸負(正)晶薩伐爾 板及 ／2相位延遲片組成。從光源發出的光經起偏 后，入射到薩伐爾板的左板，分為尋常光(o光)和非 常光(e光)，O光沿原方向傳播，e光偏折。當兩束 光通過 ／2板時，由于它們的偏振方向與 ／2板光 軸都成45。角，所以兩束線偏振光出射 ／2板時振動 方向轉動了90。。射入第二塊晶體板后，原O光變為 e光，原e光變為。光，在薩伐爾板的后表面偏折后 沿平行于入射光的方向射出，并由此形成一定的橫 向簡切量d，為光線經成像系統形成干涉圖樣奠定 了基礎。 圖1 薩伐爾偏光鏡結構組成與光學原理圖 Fig．1 Structure and optical principle of Savart polariscope 在圖2中，光線從折射率為 的各向同性介質 以0點為入射點入射薩伐爾偏光鏡。入射光入射角 為i，入射面與ZOX平面(主截面)成 角。 圖2 薩伐爾偏光鏡光線追跡圖 Fig．2 Beam tracing diagram of Savart polariscope 通過計算可知經薩伐爾偏光鏡后光線成為平行 于入射光線且有一定間距的二光束l_1 ，其總的橫向 剪切量為 d一麗一~／1葡丌 ， (1) 總的光程差A—L。 一L 。一 l l，分別將各參量 代入： ． t ( ) ~／ 2( )一 sin i ~／ 壘 ； 一ni l l一 1 ( )一 sin i 。 。 (cos + sin )sin i+ 孺 ∞o z +十 in2w) in2 2) 更為詳細的具體推導可參考文獻[10]。以方解 石晶體為例( 一1．48640，‰一1．65835)，可得到圖3 所示的薩伐爾偏光鏡光程差隨i，0．／的變化曲線。 ’ 、I — i=0。 ， ～ ＼ 、 一i=2。 。 — 一 。 。 — ． ／ ／ ～ 0 60 l2O l80 240 300 360 ∞／(。) 圖3 光程差隨i， 的變化曲線 Fig．3 Variation of optical path difference versus the parameters of i and(u 結合圖像可以直觀地發現，橫向剪切量和光程 差在叫一180。左右成對稱分布，這是因為視場補償 型薩伐爾偏光鏡前后兩個薩伐爾板的光軸方向在空 間關于叫一180。完全對稱所導致的。橫向剪切量和 光程差在入射角 ≠0時圍繞i一0做類似于正弦曲 線的上下波動。橫向剪切量在0。、180。出現最小值， 在90。、270。出現最大值。而光程差在0。出現最小 值，在180。出現最大值，并在90。、270。出現零光程 差。這些都與兩塊薩伐爾板的光軸方向有直接 關系。 根據可調分束角棱鏡，在光源以固定方向入射 時通過旋轉鏡體改變入射角從而得到較大的分束角 獲得大光程差的原理口¨，我們也可利用薩伐爾偏光 鏡光程差隨入射角近似線性增長的特點，在保持入 射平面與主截面叫不變的前提下，旋轉棱鏡改變入 射角i即可獲取較大的光程差，若在此條件下連續 采樣一定的干涉數據即可獲取光源在一定光程差范 圍內的干涉數據，適當處理即可獲取光譜信息，這也 是我們設計的基于可調橫向剪切量薩伐爾偏光鏡的 新型偏振干涉光譜儀的理論基礎。

3 干涉成像光譜儀 圖4是我們自主設計的基于雙折射晶體(可調 橫向簡切量薩伐爾偏光鏡)分光器的偏振干涉成像 光譜儀的光路圖。其中P1和P2為偏振方向互相 垂直放置的兩偏振片，薩伐爾偏光鏡固定在叫一 180。的平面上，并可在紙面方向上圍繞鏡體中心旋 轉擺動。初始時刻，P1的偏振方向與薩伐爾偏光鏡 左板主光軸成45。角，以確保兩分光光束光強對稱 分布，且初始光程差為零，便于后期數據處理。 Slit r 一 J l ^ 。 {。。 一{ 一l ’Ce O ／] 一 l， j oe Savart Z 圖4 新型司調橫向剪切量偏振干涉成像光譜儀原理圖 由上面的計算分析可知當叫一180。時系統可獲 得最大的光程差，而光譜儀的分辨力一般與光程差 成正比l_】 ，從而有利于提高光譜儀的分辨力。光源 (Source)發出的光通過狹縫后經起偏器變為沿偏振 片偏振方向振動的線偏振光，入射到薩伐爾偏光鏡 上后發生雙折射，成為兩束線偏振光：尋常光(0光) 和非尋常光(e光)，0光沿原入射方向傳播，e光則 發生偏折。而在進入薩伐爾偏光鏡右板時，由于光 軸方向的改變，原。光變成e光，原e光變成。光。 出射光變成兩束有橫向剪切量，振動方向互相垂直 且平行于原入射光傳播方向的線偏振光，經分析器 后兩束光振動方向一致，經成像鏡后在探測器表面 相遇形成干涉條紋。旋轉偏光鏡，通過旋轉鏡體使 入射角在一i到i區間內往復連續變化，雖然由于旋 轉使入射點發生變化，但是根據薩伐爾偏光鏡出射 光線與入射光線平行傳播的特點，易知鏡體旋轉造 成入射角改變(不同入射點)與光線入射角改變(同 一入射點)造成的光程差分布是相同的，即可獲取如 圖3隨旋轉入射角變化的光程差分布，并由此獲得 最終不同光程差下的干涉條紋。且由于入射角關于 可調橫向剪切量薩伐爾偏光鏡中心平面(圖4中的 YZ面)具有良好的上下對稱變化性，因此通過適當 的數據采集(單邊或雙邊)l_1 ，就可以得到一定光程 差范圍內的一組干涉數據，由于這種干涉圖像采集 模式類似邁克耳孫干涉光譜儀，因此數據之間關系 清晰，數據采樣與復原處理可利用光程差非線性的 轉鏡式傅里葉變換光譜儀的處理方式l_】 ，相關實驗 表明這種轉鏡式傅里葉變換光譜儀中用轉鏡代替直 線移動的精密動鏡，可有效提高光譜分辨力和時間 分辨力[14ds]。此外，由圖3光程差隨i，叫的變化曲 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 線可知，當 一定時(cu≠180。)，光程差始終與i成 近似的線性關系，而對 的小幅變化不敏感，因此 干涉成像光譜儀中薩伐爾偏光鏡允許的傾斜誤差容 限較大，系統穩定性大大提高 。

4 結 論 可調橫向剪切量薩伐爾偏光鏡與可調分束角棱 鏡相比，其最大的優點在于保持了分束后的出射光 線極高的偏振度，且分束光線保持彼此平行，光束強 度分布對稱均勻，克服了分束角型分束棱鏡光線發 散不易收集，干涉條紋雜亂復雜等缺點。而基于可 調橫向剪切量薩伐爾偏光鏡的新型偏振干涉成像光 譜儀，和傳統的邁克耳孫干涉儀相比，其突出優點是 裝置的整體性強，消除了半反半透鏡和反射鏡之間 的相對震動，同時由于兩光束均出射于同一器件，對 于工作平臺和分束棱鏡震動造成的兩光束之間相位 相對抖動也有很好的補償作用，可得到相當穩定的 干涉條紋，大大提高了光學系統的抗震性能。 其次由于使用了薩伐爾偏光鏡，改傳統干涉儀 動鏡相對移動為繞分束器中心旋轉，采用轉鏡代替 直線運動或擺動的精密動鏡機構，具有較高的系統 穩定性、探測靈敏度和探測速度，能夠在與被探測目 標相對靜止的情況下，獲取目標的兩維空間信息和 一維光譜信息。因此光譜儀具有體積小，重量輕，抗 震性好等諸多優點。依靠轉動鏡體形成連續變化的 光程差，在采用非線性補償后_】 ，可大大拓寬轉鏡 的折射率、工作角等參量的選擇余地，在工程設計中 也具有很大的實際意義，極大地提高了干涉成像光 譜儀的應用范圍。