高精度微偏振结构多光参量光谱成像探测技术研究

Many properties of the celestial emission source can be retrieved from the electromagnetic wave of the celestial body, which contains many kinds of information. The spectral imaging technology of multi optical parameters is a new means of astronomical observation, which provides many other important information besides conventional intensity and spectral imaging. The multi-optical parameters spectral imaging system with self low-polarization will be developed by exploring the periodic polarizer film with four different polarization direction and phase retarder based on the polarization characteristics of plasmonic waveguide in micro structure in this project. The system-level radiation response model will be constructed according to optical parametric imaging principle, and the system-level calibration will be carried out using the standard light source. The astronomical observation should be supported by a new single measurement technology of high precision multi-optical parameters spectral imaging.. Compared with the traditional polarization measurement，the new technology has the following advantages: micro structure overcoming the polarization polarizer (or polarization beam splitter) defects, one phase retarder film and no moving parts in measurement system, low polarization effect design and system-level calibration， high precision multi-optical parameters (intensity, polarization radiation, non polarization radiation, linear degree of polarization, circular degree of polarization and angle of polarization etc) obtained through a single fast measurement.

天体辐射的电磁波含有多维信息，观测这些信息可揭示关于天体辐射源的许多性质。多光参量光谱成像技术作为一种天文观测新手段，提供常规强度成像和光谱测量以外的其它多维信息。本项目研究微偏振结构中等离激元光波导的偏振特性，探索四个不同偏振方向的周期性微偏振片膜层和相位延迟膜层设计方法，研制自身低偏振的多光参量光谱成像装置；通过多光参量成像原理构建系统级偏振辐射响应模型，并基于标准光源对整机进行系统级定标，实现单次测量获取高精度多光参量光谱成像的新技术，为天文观测的发展提供技术支持。. 与传统偏振测量方法相比较，新技术应用的优势在于：微偏振结构克服偏振片（或偏振分束器）缺陷、测量系统无运动部件且仅需要有一个相位延迟膜层，系统自身低偏振效应且经过系统级定标、单次测量可快速高精度获取探测目标的多光参量信息（强度、偏振辐射、非偏振辐射、线偏振度、圆偏振度和偏振角等）。

任何天体目标在发射或反射电磁辐射的过程中都会产生由他们自身性质决定的偏振状态。偏振探测技术可获取目标本征属性所决定的偏振光谱信息，可以作为一种新手段，提供常规强度成像和光谱测量以外的另一维信息。目前天文偏振测量仍是一项未被充分开发的技术，与大多数经典天文技术比较存在技术障碍。偏振成像测量仪器光学镜头自身的偏振效应、偏振器透光轴空间非均匀性、相位延迟器的二向色性和相位延迟量误差等，都会使偏振测量仪器产生各种类型的系统误差。. 本项目从微偏振结构多光参量光谱成像技术的机理、多光参量光谱成像试验系统搭建及部件级测试、系统级定标、多光参量光谱成像系统精度测试及天文观测等方面开展了研究工作。通过微偏振结构线栅的厚度、周期和线宽三维几何尺度、以及微结构材料等方面分析研究，发现在1200nm周期和700nm线宽下微偏振膜层获得了最佳的偏振效果；固定该周期和线宽度值，对400纳米、600纳米、800纳米和1000纳米厚的金属丝网从500纳米到4500纳米的波长进行了扫描模拟，发现微偏振结构厚度变化对短波长透光率影响不明显，但对长波长影响明显。基于微偏振结构的偏振调制特性，研制自身低偏振的多光参量成像系统,实现高精度的多光参量光谱成像。基于标准偏振定标光源，完成微偏振多光参量光谱成像系统基本性能测试及定标研究；利用可调偏振度光源（理论精0.2％），对多光参量光谱成像系统的偏振度精度检测，结果发现对可调偏振度光源的偏振度测量误差控制在0.5％。. 多光参量光谱成像与传统的光谱强度测量相比，最大的优点就是既能够获取光谱强度信息，同时又增加了偏振辐射、非偏振辐射、线偏振、圆偏振和偏振角图等多维信息。单次测量就可获取目标的多维图像数据信息，这样将大大增加天文目标的遥感解译水平。