液晶相位可變延遲器在極化電子碰撞

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 中英文翻譯學(xué) 生 姓 名 專 業(yè) 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 分 院 鄭立陽(yáng) 光電子技術(shù)與科學(xué) 0713103 孫敬姝 光電科學(xué)分院2011年6月液晶相位可變延遲器在極化電子碰撞摘 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)

2、 極化引 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)的設(shè)計(jì).1. 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.

3、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.2. 標(biāo)定LCVR電壓對(duì)于特定的波長(zhǎng)，LCVR有

4、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.為/4（左旋圓偏振），第一次出現(xiàn)極大值時(shí)對(duì)應(yīng)LCVR延遲為/2（水平線偏振），第二次出現(xiàn)極小值時(shí)對(duì)應(yīng)LCVR延遲為3/4（右旋圓偏振），第二次出現(xiàn)極大值時(shí)對(duì)應(yīng)LCVR延遲為1（豎直線偏振），依次類推.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.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.3.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

5、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)4. 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

6、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的夾角度，+，-分別表示正負(fù)圓偏振光.在這類實(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&#

7、176;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10I(,)=1+P1cos2(-)cos2-sin2(-)sin2cos +P2cos2(-)sin2+sin2(-)cos2cos +P3sin2(-)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°，=9

8、0°,同樣延遲=0和,則有P2=I(=)-I(=0)I(=)+I(=0).（5）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)

9、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)量可以適當(dāng)?shù)刈兊煤?jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確.5. 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: Department o

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