液晶相位可變延遲器極化電子碰撞實(shí)驗(yàn)

1、液晶相位可變延遲器極化電子碰撞實(shí)驗(yàn)                      作者：任少辣董占民龐文寧摘 要：液晶相位可變延遲器（liquid crystal variable retarders, LCVR）的快慢軸之間的相位差隨兩端所加的電壓連續(xù)可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光偏振度、偏振方向的操控.文中第2,3部分介紹了LVCR在特定波長(zhǎng)不同延遲相位的標(biāo)定方法及標(biāo)定結(jié)果，第4,5

2、部分介紹了利用LVCR測(cè)量Stokes參數(shù)的原理及方法.  關(guān)鍵詞：液晶相位可變延遲器（LCVR），相位延遲，Stokes參數(shù)，極化  AbstractThe phase difference between the fast and slow axes of a liquid crystal variable retarders (LCVR) can be changed continuously by modulating an AC voltage applied on the bi-surface of the LCVR. The polarization of a

3、n input light beam can thus be controlled by varying the voltage. The calibration method and results of determining the different phase retardances for given wavelengths are described. The theory and method for measuring the integral Stokes parameters by LCVR are also discussed.  Keywordsliquid

4、 crystal variable retarders (LCVR), phase retardance, Stokes parameters,polarize    1 引言    極化電子原子散射實(shí)驗(yàn)是20世紀(jì)70年代在傳統(tǒng)電子動(dòng)量譜學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種實(shí)驗(yàn)方法，主要通過(guò)分析靶原子退激發(fā)光的Stokes參數(shù)研究原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)包括極化電子的產(chǎn)生、傳輸及與靶原子的散射，在極化電子束的產(chǎn)生和靶原子退激發(fā)光Stokes參數(shù)的測(cè)量中，需要應(yīng)用LCVR或1/4波片，但是應(yīng)用LCVR可減少波片的更換與機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，可以方便實(shí)驗(yàn)操作和簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的

5、設(shè)計(jì).    2 液晶相位可變延遲器    液晶相位可變延遲器(liquid crystal variable retarders, LCVR) 是一種實(shí)時(shí)、連續(xù)可調(diào)的、由雙折射液晶材料制成的波片，其結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖見(jiàn)圖1和圖2.波片中的長(zhǎng)條型液晶分子的長(zhǎng)軸在自然狀態(tài)下互相平行，將這個(gè)方向定義為L(zhǎng)CVR的非常軸（慢軸，S軸），與之垂直的軸定義為尋常軸（快軸，F(xiàn)軸），快軸和慢軸均平行于波片表面.在波片兩面加上交流的電壓，液晶分子便向著電場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣雙折射材料的折射度將改變，從而使通過(guò)LCVR的光線平行于慢軸的電矢量延遲不同的相位，這個(gè)相位的延遲值隨電壓幅

6、值呈平滑關(guān)系，所以在一定范圍內(nèi)可以輸出任意的相位延遲.    我們使用的這種波片是將向列型液晶放置在特殊襯底上制成的，向列型液晶是各向異性的分子，它們可以形成單軸雙折射層.LCVR在工作中，其F軸是不被調(diào)制的，只有S軸被調(diào)制.    3 標(biāo)定LCVR電壓    對(duì)于特定的波長(zhǎng)，LCVR有4個(gè)電壓分別對(duì)應(yīng)/4，/2，3/4和的延遲，標(biāo)定LCVR，就是找到這4個(gè)特殊電壓值.    LCVR對(duì)溫度的依賴比較明顯，延遲隨著溫度上升而下降（大約為-0.4%/），因此標(biāo)定應(yīng)在同一溫度下進(jìn)行，本文的標(biāo)定溫度為25. 

7、表1和表2是分別對(duì)780nm激光和從單色儀出射的495.7nm的譜線的標(biāo)定結(jié)果.    4 使用LCVR產(chǎn)生可控自旋方向的極化電子束    極化電子束可以用正負(fù)圓偏振光激發(fā)GaAs晶片來(lái)產(chǎn)生1，圖5是極化電子產(chǎn)生示意圖，用正圓偏振光可以激發(fā)自旋向上的電子，用負(fù)圓偏振光可以激發(fā)自旋向下的電子.  用1/4波片產(chǎn)生的正負(fù)圓偏振光時(shí)，需要通過(guò)1/4波片的機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)交換快慢軸的取向來(lái)實(shí)現(xiàn)，其精度依賴于機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，利用LCVR則只需調(diào)節(jié)電壓使其延遲/4或3/4來(lái)控制圓偏振光的螺旋性，從而控制電子束的自旋方向，并且LCVR響應(yīng)時(shí)間在毫秒量級(jí)，這使得

8、瞬時(shí)反轉(zhuǎn)自旋方向成為可能.    圖5 入射光圓偏振態(tài)與激發(fā)電子束的自旋方向  (偏振片p的箭頭方向?yàn)槠衿钠穹较?，F(xiàn)和S的箭頭方向分別表示LVCR的快軸及慢軸的方向)    5 用LCVR代替1/4波片來(lái)測(cè)量Stokes參量    Stokes參數(shù)可以完備地描述偏振光的特性9，相對(duì)Stokes參數(shù)P1=(I(0)-I(90)/ (I(0)+I(90)，P2=(I(45)-I(135)/ (I(45)+I(135)，P3=(I(-)-I(+)/ (I(-)+I(+)，其中I為光強(qiáng)度，括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示偏振方向與電子入射方向

9、的夾角度，+，-分別表示正負(fù)圓偏振光.在這類(lèi)實(shí)驗(yàn)中，P1與電子的初始極化度無(wú)關(guān)，P2與電子的自旋軌道相互作用有關(guān)，P3除了與電子的自旋軌道相互作用有關(guān)外，還與散射過(guò)程中的電子交換作用有關(guān).  具體測(cè)量方法見(jiàn)圖6，其中為偏振片偏振方向與z軸（電子運(yùn)動(dòng)方向）的夾角，為1/4波片（或LCVR）的快軸與z軸的夾角，=nd/是延遲片的延遲(對(duì)于1/4波片,=90°對(duì)于LCVR,可調(diào)).光子通過(guò)相位延遲片和線偏振片后的光強(qiáng)為10  I(,)=1+P1cos2(-)cos2-sin2(-)sin2cos+P2cos2(-)sin2+sin2(-)cos2cos+P3sin2(-

10、)sinI/2,（1）   其中P1，P2，P3為相對(duì)Stokes參量.  在（1）式中，令=0°，=135°,則  I()=(1+P1cos+P3sin)I/2.（2）  當(dāng)=/2,-/2和當(dāng)=0,時(shí)，分別有：  P3=I(=/2)-I(=-/2)I(=/2)+I(=-/2);（3）  P1=I(=0)-I(=)I(=0)+I(=).（4）  令（1）式中的=135°，=90°,同樣延遲=0和,則有  P2=I(=)-I(=0)I(=)+I(=0).（5）

11、0; 實(shí)驗(yàn)上，首先使偏振片與z軸的夾角=0°，且LCVR的快軸與z軸夾角=135° ，改變LCVR的控制電壓，使LCVR依次工作在原子受激輻射光的波長(zhǎng)的/4、3/4(即-/4)、1(即=0°)、/2處，便可根據(jù)（3）式和（4）式得到P3，P1.旋轉(zhuǎn)偏振片到=135°，旋轉(zhuǎn)LCVR到=90°，使LCVR工作在1(即=0°)、/2處,便可根據(jù)（5）式得到P2.  用LCVR代替1/4波片來(lái)測(cè)量Stokes參量，可以大大降低旋轉(zhuǎn)各種波片的次數(shù)，并且在測(cè)量多組波長(zhǎng)參數(shù)時(shí)無(wú)須更換不同波長(zhǎng)的1/4波片，這樣就使Stokes參量的測(cè)量可以

12、適當(dāng)?shù)刈兊煤?jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確.    6 結(jié)束語(yǔ)      參考文獻(xiàn)  1 丁海兵. 極化電子碰撞譜儀的研制及氦原子積分Stokes參量實(shí)驗(yàn)研究(清華大學(xué): 物理系博士論文), 2005 Ding H B. Design and Construction of Spin-polarized Electron Collision Apparatus and Study on Helium Integrated Stokes Parameters(a doctoral thesis). Tsinghua University: Depart

13、ment of Physics, 2005( in Chinese)  2 Liquid Crystal products handbook, www. M  3 Juan M Bueno. Polarimetry using liquid-crystal variable retarders: theory and calibration. J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2000(2):216.  4 丁海兵, 龐文寧, 劉義保等. 物理學(xué)報(bào), 2005, 54：4097 Ding H B, Pang W N, Liu Y B et a

14、l. Acta Physica Sinica, 2005, 54：4097( in Chinese)  5 Furst J E, Yu D H, Hayes P A et al. Rev. Sci. Instrum., 1996, 67:3813  6 Pierce D T, Celotta P J, Wang G C et al. Rev. Sci. Instrum, 1980, 51:478  7 Ding H B, Pang W N, Liu Y B. Chin. Phys. Lett., 2005, 22: 2546  8 Ding H B, Pang W N, Liu Y B et al.