针对现有光弹调制器定标方法受探测器频率响应的局限性，提出一种新的光弹调制器相位调制幅值（A_m）定标方法。利用起偏器、光弹调制器、波片，以及检偏器构建定标光路，利用A_m=5.136 rad的二次谐波分量零值点作为定标辅助点，将待定标点与定标辅助点间的一阶贝塞尔函数比值作为定标函数，通过测量待定标点与定标辅助点的一次谐波分量比值反推出待定标点的真实相位延迟量幅值。该方法排除了由探测系统频率响应特性带来的定标偏差，并且可以对光弹调制器整个工作区间的相位延迟量幅值进行定标。该方法操作简单、系统鲁棒性强、定标范围广。

电流密度分布是等离子体物理研究的关键分布参数, 在托卡马克先进运行模式发展, 电流驱动, 约束与输运等方面发挥着重要的作用。 中性束与等离子体相互作用产生的分裂光谱, 包括σ分量与π分量, 水平观测时, σ分量的偏振方向垂直于等效电场的方向, π分量的偏振方向平行于等效电场的方向, 通过测量分裂光谱的偏振方向可以反演出等离子体电流密度分布。 基于光弹调制器的偏振检测系统具有检测精度高、 时间响应迅速的独特优点, 非常适用于等离子体电流快速变化下的电流密度分布测量。 光弹调制器的双折射晶体在周期性外部驱动源的作用下发生弹性形变, 其折射率会产生周期性的变化, 当偏振光通过时, 出射光的偏振特性将相应产生周期性变化, 再经过偏振片, 形成调制的光强变化。 运动斯塔克效应(MSE)诊断的偏振检测系统由两个光弹调制器(PEM)和一个偏振片组成, 通过检测不同调制频率的调制强度的比值, 从而快速、 精确地获得分裂光谱的偏振方向的实时变化, 进而得到等离子体电流密度分布。 详细介绍了东方超环托卡马克(EAST)装置上的MSE诊断, 初步完成了离线测试与标定, 参与中性束电流本文驱动物理实验, 初步获得了等离子体电流密度分布的信息。

光弹调制器是一种基于压电效应和光弹效应的光学调制器件。光弹调制器采用共振工作模式, 具有调制频率高,灵敏度高, 调制波段宽(紫外~远红外)等特点, 可广泛应用于半导体、新材料、生命科学及航天**等高新技术领域。该文首先阐述了光弹调制器的基本工作原理, 包括压电效应、光弹效应等; 其次介绍了光弹调制器的结构和重要参数, 并分析了不同结构和各参数对器件性能的影响; 然后进一步介绍了目前新型光弹调制器的相关研究; 最后, 针对目前主流的八角形二维结构, 该文给出了基于有限元法的数值仿真结果, 并对该类型光弹调制器的工作原理和振动特性进行了验证。

基于光弹调制器(PEM)的高速椭偏测量法具有测量速度快, 灵敏度高的优势, 目前已被广泛应用于半导体、显示器和**等领域。现有PEM光学模型验证方法大多采用谐波分量提取法, 但其受系统偏差影响较大。该文提出一种基于最优化方法——PEM光学模型验证法, 该方法将椭偏测量过程转化成最优化问题进行求解, 将系统参数作为自变量进行处理, 可抑制系统偏差造成的影响, 提高测量系统的鲁棒性。该文介绍了该方法的基本原理, 并通过数值仿真和椭偏测量光学实验进行了验证。结果表明, 该方法可有效地抑制系统参数偏差对测量精度的影响。

介绍了一种基于光弹调制器的应力双折射测量方法，并进行了理论研究。建立了测量原理的数学模型，并根据数学模型进行了接收信号的分析，提出了相位延迟量的解算方法。该解算方法利用直流分量和一次谐波分量对相位延迟量进行解算，可消除仪器常数对测量结果的影响，并且相位延迟量在90°附近时测量灵敏度最高，对延迟量在45°~135°之间的样品测量结果可靠。利用MATLAB进行了数值仿真分析，并对理论延迟量74.17°的波片进行了测量实验，测量结果平均值为74.28°。实验结果证明测量了该方案准确可靠。

光弹调制器(PEM)是一种广泛应用于光学检测的光调制器件,其利用压电晶体的逆压电效应来周期性改变光弹晶体内部的折射率,从而实现对通过光弹晶体的光信号的相位调制。当系统处于谐振状态时,PEM的调制效率最高。因此,谐振频率和表征其工作效率的品质因子是PEM的两个重要参数。为了研究PEM的谐振特性,设计了一款目标频率在50 kHz附近的二维八角对称结构PEM并进行了理论和实验验证,同时提出一种基于阻抗分析的PEM谐振特性测量方法。首先建立频率模型进行分析以得到目标PEM的理论参数,再通过数值仿真软件进行理论验证,最终完成了两组PEM样品的制备。此外,还基于阻抗分析方法对样品的谐振特性进行了实验验证,测得样品的谐振频率分别为52.363 kHz和52.353 kHz,品质因子分别为5071.2和6096.7。

基于石英(SiO2)制作光弹调制器(PEM)的压电驱动器时, 存在机电耦合系数小、需高压驱动且谐振频率随温度漂移严重等缺陷,故本文研究了PEM的优化设计方法。考虑铌酸锂(LiNbO3)特殊的晶体结构, 从理论上推导了LiNbO3晶片作为压电驱动器的可行性, 并确定其切型为zyw/35°切。基于有限元分析软件COMSOL4.3a仿真, 确定了晶片体积和谐振频率, 设计了LiNbO3压电驱动器。对设计出的压电驱动器进行了压电性能测试, 并和SiO2压电驱动器进行了比较。将LiNbO3压电驱动器和硒化锌(ZnSe)光弹晶体组合成PEM, 用671 nm激光进行了光弹调制实验。实验结果表明: 实现相同位移时, SiO2压电驱动器需要的驱动电压是LiNbO3压电驱动器的100多倍, 且后者横向长度伸缩振动模式单一性和稳定性均优于前者。驱动电压为3.76 V时, 671 nm的激光通过基于LiNbO3压电驱动器的PEM的调制光程差为3.7 μm。得到的结果表明: 基于LiNbO3压电驱动器的PEM易于驱动控制, 调制性能优于基于SiO2 驱动器的PEM。

提出了一种基于双光弹调制差频调制和傅里叶 -贝塞尔 (Fourier-Bessel)变换的光谱偏振测量方法, 该方法将双光弹调制器 (Dual-photoelastic-modulator, Dual-PEM)分别工作在数值略有差异的频率上, 以对光进行差频调制, 并产生载有被测偏振信息的低频 (几十~几千赫兹)调制分量, 普通阵列探测器就可以实现低频分量的探测。通过对调制信号中的低频成分进行傅里叶 -贝塞尔变换, 可得到被测光对应的 Stokes矢量中 Q(σ)和 U(σ)的光谱。该方法降低了偏振光谱测量系统的复杂度。本文介绍了其原理并推导出了偏振光谱反演公式, 并通过仿真和实验验证其可行性。

针对已有单光弹调制器米勒矩阵测量技术缺乏定量误差分析的不足，提出了单光弹调制器米勒矩阵测量误差方程，给出了相对误差分析方法，并结合矩阵条件数得到了降低米勒矩阵各元素最大相对误差的两组1/4波片方位角优化组合。实验结果表明，该两组1/4波片方位角优化组合，测量得到的待测1/4波片米勒矩阵各元素的最大相对误差分别为0.12%和0.20%，相比传统1/4波片方位角优化组合{-90°,-45°,30°,60°}条件下得到的各元素最大相对误差为0.83%，分别降低了85.54%和75.90%。

针对已有米勒矩阵测量方法的不足，提出了一种基于单光弹调制器的米勒矩阵测量技术，给出了米勒矩阵测量优化算法及系统参数两步校准法。该技术通过两步校准法对系统参数进行校准测量，利用优化算法计算得到待测样品的米勒矩阵。实验结果表明，待测1/4波片相位延迟量测量值为90.4185°，误差在标称偏差λ/300以内，快轴方位角测量值为0.2348°，误差在最大旋转误差0.4°以内。同快轴方位角为0°的1/4波片标准米勒矩阵相比，待测1/4波片米勒矩阵各元素最大相对误差的直接测量值和间接测量值分别为1.97%和0.83%，均小于最大相对误差的模拟仿真值2.11%。通过提高旋转台的读数精度和减小相位延迟量的标称偏差，可以进一步减小米勒矩阵各元素的最大相对误差。