液晶相位可變延遲器應用于電子碰撞實驗

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摘要：液晶相位可變延遲器（liquidcrystalvariableretarders,LCVR）的快慢軸之間的相位差隨兩端所加的電壓連續(xù)可調，通過調節(jié)電壓可以實現(xiàn)對入射光偏振度、偏振方向的操控.文中第2,3部分介紹了LVCR在特定波長不同延遲相位的標定方法及標定結果，第4,5部分介紹了利用LVCR測量Stokes參數(shù)的原理及方法.

關鍵詞：液晶相位可變延遲器（LCVR），相位延遲，Stokes參數(shù)，極化

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AbstractThephasedifferencebetweenthefastandslowaxesofaliquidcrystalvariableretarders(LCVR)canbechangedcontinuouslybymodulatinganACvoltageappliedonthebi-surfaceoftheLCVR.Thepolarizationofaninputlightbeamcanthusbecontrolledbyvaryingthevoltage.Thecalibrationmethodandresultsofdeterminingthedifferentphaseretardancesforgivenwavelengthsaredescribed.ThetheoryandmethodformeasuringtheintegralStokesparametersbyLCVRarealsodiscussed.

Keywordsliquidcrystalvariableretarders(LCVR),phaseretardance,Stokesparameters,polarize

1引言

極化電子原子散射實驗是20世紀70年代在傳統(tǒng)電子動量譜學實驗的基礎上發(fā)展起來的一種實驗方法，主要通過分析靶原子退激發(fā)光的Stokes參數(shù)研究原子的精細結構，整個實驗包括極化電子的產(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)的測量中，需要應用LCVR或1/4波片，但是應用LCVR可減少波片的更換與機械轉動次數(shù)，可以方便實驗操作和簡化實驗結構的設計.

2液晶相位可變延遲器

液晶相位可變延遲器(liquidcrystalvariableretarders,LCVR)是一種實時、連續(xù)可調的、由雙折射液晶材料制成的波片，其結構與實物圖見圖1和圖2.波片中的長條型液晶分子的長軸在自然狀態(tài)下互相平行，將這個方向定義為LCVR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的方向轉動，這樣雙折射材料的折射度將改變，從而使通過LCVR的光線平行于慢軸的電矢量延遲不同的相位，這個相位的延遲值隨電壓幅值呈平滑關系，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軸是不被調制的，只有S軸被調制.

3標定LCVR電壓

對于特定的波長，LCVR有4個電壓分別對應λ/4，λ/2，3λ/4和λ的延遲，標定LCVR，就是找到這4個特殊電壓值.

如圖3所示，使激光水平出射，并垂直于偏振片，偏振片的偏振方向為豎直方向.LCVR放在水平的平臺，保證F軸，S軸與偏振片偏振方向成45度.出射光垂直入射到旋轉檢偏器.用計算機控制LCVR工作電壓，使電壓在20V至0V范圍內(nèi)調節(jié)，使延遲由最小開始增大.旋轉檢偏器輸出信號的波形隨著LCVR出射光的偏振態(tài)的改變而改變.輸出波形的峰－峰值第一次出現(xiàn)極小值時對應LCVR延遲為λ/4（左旋圓偏振），第一次出現(xiàn)極大值時對應LCVR延遲為λ/2（水平線偏振），第二次出現(xiàn)極小值時對應LCVR延遲為3λ/4（右旋圓偏振），第二次出現(xiàn)極大值時對應LCVR延遲為1λ（豎直線偏振），依次類推.

LCVR對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%/℃），因此標定應在同一溫度下進行，本文的標定溫度為25℃.

表1和表2是分別對780nm激光和從單色儀出射的495.7nm的譜線的標定結果.

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圓偏振光激發(fā)GaAs晶片來產(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)生的正負圓偏振光時，需要通過1/4波片的機械的轉動交換快慢軸的取向來實現(xiàn)，其精度依賴于機械轉動結構的設計，利用LCVR則只需調節(jié)電壓使其延遲λ/4或3λ/4來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響應時間在毫秒量級，這使得瞬時反轉自旋方向成為可能.

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的箭頭方向為偏振片的偏振方向，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波片來測量Stokes參量

Stokes參數(shù)可以完備地描述偏振光的特性［9］，相對Stokes參數(shù)P1=(I(0)-I(90))/(I(0)+I(90))，P2=(I(45)-I(135))/(I(45)+I(135))，P3=(I(σ-)-I(σ+))/(I(σ-)+I(σ+))，其中I為光強度，括號內(nèi)的數(shù)字表示偏振方向與電子入射方向的夾角度，σ+，σ-分別表示正負圓偏振光.在這類實驗中，P1與電子的初始極化度無關，P2與電子的自旋軌道相互作用有關，P3除了與電子的自旋軌道相互作用有關外，還與散射過程中的電子交換作用有關.

具體測量方法見圖6，其中α為偏振片偏振方向與z軸（電子運動方向）的夾角，β為1/4波片（或LCVR）的快軸與z軸的夾角，δ=Δn•d/λ是延遲片的延遲(對于1/4波片,δ=90°;對于LCVR,δ可調).光子通過相位延遲片和線偏振片后的光強為［10］

I(α,β,δ)={1+P1［cos2(α-β)cos2β-sin2(α-β)sin2βcosδ］+P2［cos2(α-β)sin2β+sin2(α-β)cos2βcosδ］+P3［sin2(α-β)sinδ］}I/2,（1）

其中P1，P2，P3為相對Stokes參量.

在（1）式中，令α=0°，β=135°,則

I(δ)=(1+P1cosδ+P3sinδ)I/2.（2）

當δ=π/2,-π/2和當δ=0,π時，分別有：

P3=I(δ=π/2)-I(δ=-π/2)I(δ=π/2)+I(δ=-π/2);（3）

P1=I(δ=0)-I(δ=π)I(δ=0)+I(δ=π).（4）

令（1）式中的α=135°，β=90°,同樣延遲δ=0和π,則有

P2=I(δ=π)-I(δ=0)I(δ=π)+I(δ=0).（5）

實驗上，首先使偏振片與z軸的夾角α=0°，且LCVR的快軸與z軸夾角β=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的λ/4、3λ/4(即-λ/4)、1λ(即δ=0°)、λ/2處，便可根據(jù)（3）式和（4）式得到P3，P1.旋轉偏振片到α=135°，旋轉LCVR到β=90°，使LCVR工作在1λ(即δ=0°)、λ/2處,便可根據(jù)（5）式得到P2.

用LCVR代替1/4波片來測量Stokes參量，可以大大降低旋轉各種波片的次數(shù)，并且在測量多組波長參數(shù)時無須更換不同波長的1/4波片，這樣就使Stokes參量的測量可以適當?shù)刈兊煤唵巍⒖焖佟蚀_.

6結束語

用LCVR代替1/4波片，主要應用在極化電子碰撞實驗中極化電子束的產(chǎn)生和極化電子原子碰撞后退激發(fā)光的stokes參數(shù)測量這兩部分.使用LCVR減少了波片的機械旋轉，且LCVR有較快的響應時間，這都有助于提高實驗的精度.在涉及到需要多組適應不同波長的1/4波片,或需要多次改變圓偏振光螺旋性以及其他有關光相位的延遲實驗時，LCVR都可以作為一種可選擇的器件.在接下來的實驗中,極化電子束的激發(fā)仍用780nm的激光，并就Ne495.7nm和Ne453.8nm的譜線,測量極化電子原子碰撞中的自旋相關效應，已對780nm和495.7nm的譜線用LCVR做了標定，還需要進一步確定LCVR在453.8nm處λ/4、λ/2、3λ/4和λ延遲所對應的電壓值.

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參考文獻

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