采用单波长反射式椭偏仪以及多次旋转样品的方法,实现了光轴平行于表面的各向异性晶体光学参数的测量。分析了单波长椭偏法测量各向异性晶体光学参数的原理,改进了模拟退火单纯形联合反演算法,利用数值模拟讨论了光入射角、样品光轴取向、旋转角度及其定位误差对测量结果的影响。实验结果表明,该方法测量晶体的主折射率、吸收系数及光轴方位角的精度分别为0.0001~0.0003、0.000001~0.000400、0.02°~0.40°,具有较好的自洽性和准确性。

基于Mueller矩阵和斯托克斯矢量的测量原理及方法,实现了对波片相位延迟量和快轴方位角的快速同时测量。激光通过偏振片和标准1/4波片后产生标准的右旋圆偏振光入射待测波片,用斯托克斯测量仪记录通过样品后激光的斯托克斯矢量,同时得到待测波片的相位延迟量和快轴方位角;分析了标准1/4波片的参数误差及系统稳定性对测量结果的影响。利用该实验系统测量得到的波片相位延迟量和快轴方位角的平均标准差分别为±0.05°和±0.03°,同时,得到了云母波片及石英波片的参数与温度的实验关系。所提方法具有测量过程简单、精确度高及可以对未知各向异性材料相位延迟量及其等效快轴方位角进行实时测量等特点。

为了实现生物组织及相位光栅等透明相位物体的快速定量相位测量与成像, 基于共轴干涉及相衬干涉原理, 构建了一套相位物体定量相位快速测量与成像系统。分析了定量成像原理, 设计了相应的相位提取及恢复算法。通过拍摄单幅或两幅相衬图, 实现了相位光栅、水滴等小相位变化的相位样品的定量相位测量与成像。设计了相应的分区差分相位解包裹算法, 实现了相位值超过π的微透镜的定量相位测量与成像。结果表明, 通过该系统测量所得到的全息相位光栅的相位分布以及不同超声驱动电压下弱超声驻波光栅的相位振幅变化关系与其它方法所得的测量结果基本一致; 微透镜的实验测量厚度值与理论计算值相比, 绝对误差约为0.03μm。本系统具有一定的可行性和适应性, 在生物细胞和组织等透明相位物体的快速测量与成像方面有潜在的应用意义。

为了满足光偏振态分振幅测量模块(DOAP)对分光棱镜复杂且严格的加工要求, 采用在经典DOAP透射光路及反射光路各引入一块波片的方法, 组成改进后的光偏振态测量模块。推导了新的仪器矩阵表达式, 通过分析波片参量对仪器矩阵条件数的影响, 得到了最佳波片的参量及其关系。结果表明, 优化后的斯托克斯椭偏仪测量薄膜样品的厚度和折射率的标准差分别为0.1nm和0.001。通过选择波片的最佳方位角或相位延迟量可以实现斯托克斯椭偏仪仪器矩阵的优化, 从而提高系统的测量稳定性及可靠性。

为了研究冰醋酸溶液和酒精溶液的折射率与体积分数的关系, 采用全反射的方法测量了不同体积分数的冰醋酸溶液与酒精溶液的折射率, 得到了溶液折射率与体积分数的关系曲线。结果表明, 冰醋酸水溶液和酒精水溶液的折射率与体积分数均不存在简单的线性关系, 而是呈现出类抛物线型的变化关系。开始体积分数随折射率的增大而增大, 但在某一中间体积分数处折射率有一最大值, 即冰醋酸在体积分数为0.90附近存在最大折射率, 酒精在体积分数为0.80附近存在最大折射率。这一结果对于全面认识溶液折射率与体积分数的关系是有帮助的。

斯托克斯椭偏仪可以快速测量薄膜材料的光学参数，其仪器矩阵的精确度直接影响系统对薄膜反射光线斯托克斯参量的测量，间接限制了薄膜参数的测量精度。对线偏振光与标准薄膜片产生不同偏振态的机制进行理论推导，并根据四点定标法原理，利用线偏振光与标准薄膜片组合的在位定标方法实现对斯托克斯椭偏仪仪器矩阵的精确测量，有效避免了传统定标方法中光学元件方位角及其不完美产生的误差，进而提高了薄膜光学参数的测量精度。实验表明，采用在位定标方法，薄膜反射光线的斯托克斯参量的测量精度达0.6%，薄膜厚度及折射率的测量偏差分别小于0.2 nm及0.003。

依据全反射原理和自准直测角法，实现了对棱镜折射率的精确测量。通过使用高准直半导体激光器将激光入射到棱镜内部与空气分界面上，逐步旋转棱镜或改变棱镜的入射角，得到待测棱镜的反射光强随入射角变化曲线。在曲线左侧收尾处出现一个台阶，其反射光强随入射角增大迅速衰减。全反射临界点，对应的入射角为全反射角。用两次自准直测角法精确测量棱镜底角。通过该方法，分别对两块不同棱镜的折射率进行了测量，测量棱镜折射率精度为±1.24×10-4。

依据线偏振光反射原理，实现了对介质折射率的测量。使用高准直半导体激光器激光入射到待测样品表面，逐步旋转样品或改变样品表面的入射角，得到待测样品反射光强随入射角变化的关系曲线；当用p线偏振光入射时，曲线上有一光强随入射角的变化趋近于零的点，其对应入射角为布儒斯特角，由线偏振光反射原理可求得样品折射率。用此方法测量了玻璃和棱镜的折射率，测量的结果偏差控制在1×10-3量级，测量的重复性比较好。

依据偏振光反射原理和多角度测量的多点拟合算法，实现了对薄膜材料折射率和厚度的精确测量。将高准直半导体激光入射到薄膜样品与空气分界面上，逐步旋转样品或改变样品表面的入射角，得到待测样品的反射率随入射角变化曲线。在曲线上取不同入射角处所对应的反射率，根据计算公式求解出多组薄膜厚度和折射率。利用已测量的多组反射率与求解出的薄膜参数相应反射率拟合后可确定出薄膜参数最优解。在求出的薄膜参数附近拓展一定范围再次拟合，可求出更精确的薄膜参数。基于此方法测量了SiO2薄膜的折射率和厚度，测量折射率误差不超过0.3%，厚度误差不超过0.07%。

根据偏振光反射原理和多角度测量的多点拟合算法，研究了薄膜材料的厚度、实际测量中的噪声、特殊入射角三个因素对薄膜参数测量精度的影响。对SiO2薄膜样品进行数值模拟分析，结果表明，薄膜厚度大于150 nm时的反演误差较小，50 nm以下的薄膜反演误差较大；噪声越小测量精度越高；SiO2薄膜存在特殊的入射角，该角选为初始入射角将出现较大误差甚至错误，测量时应避开。若初始入射角的选取偏离特殊角±2°，即可消除特殊点所带来的影响。