用于光纤和自由空间光束的偏振分析仪 ——偏振态测量、保偏光纤的精确对准以及任意偏振态的准确调整
用于光纤和自由空间光束的偏振分析仪
——偏振态测量、保偏光纤的精确对准以及任意偏振态的准确调整
一、问题的起点：偏振光为什么难对付？
偏振是光作为横波的基本属性。激光器通常输出线偏振光，保偏光纤通过应力结构维持偏振，但前提是入射偏振方向必须与光纤的快轴或慢轴严格对齐。一旦存在角度偏差，输出偏振态会随温度、弯曲、应变剧烈变化，甚至退偏。
SK010PA型偏振分析仪，用于调整保偏光纤。右侧圆球即为用来表达偏振的庞加莱球。
Ex(t)=Êxcos(ωt+δx)，Ey(t)=Êycos(ωt+δy)
偏振态由偏振比Êx/Êy和相位差 δ=δy−δx 决定。这在x-y平面上画出一个椭圆(见图2a)：方位角 ϕ （椭圆长轴方向）和椭圆率 η （描述椭圆的扁平程度，η=±45∘为圆偏振）。
斯托克斯参数(S0,S1,S2,S3)，其中 S0 为总光强，归一化后：
这三个归一化参数恰好是庞加莱球上的笛卡尔坐标。庞加莱球的赤道对应线偏振，南北极对应左/右旋圆偏振，其余点对应椭圆偏振。任意偏振态与球面上一点一一对应。
椭圆(a)中方位角 ϕ 与椭圆率 η 的几何定义。(b) 庞加莱球 – 赤道为线偏振，南北极为圆偏振，任意点（如橙色点）对应唯一的椭圆偏振态。
完全偏振光 DOP=1，自然光 DOP=0。部分偏振光相当于球心到球面之间的某个点。
SK010PA内部结构：旋转四分之一波片 + 固定线偏振器 + 光电二极管。波片以已知角速度旋转，光电二极管记录光强随时间的变化曲线。该曲线包含多个频率分量，通过傅里叶分析可解算出四个斯托克斯参数。
这种方法不依赖光源波长调谐，不需要机械旋转整个偏振分析仪，也无需已知参考偏振态。经过出厂标定后，直接输出 (ϕ，η，DOP，PER) 等参数，并实时更新庞加莱球上的点位。
l PER 测量精度（典型值 @25 dB）：±0.5 dB；高于 35 dB 时误差显著增大，读数仅供参考。
Δφ 会随着环境温度变化或光纤轻微弯曲而连续改变。因此，在稳定的室温下用手轻触光纤或用电吹风缓慢加热，Δφ 会扫过 0 到 2π，对应的输出偏振态在庞加莱球上画出一个圆——这就是“数据圆”。
圆的半径：只与角度误差 θ 有关。 θ 越大，圆半径越大（偏振随扰动变化越剧烈）；对准完美时，圆收缩成一个点。
圆心的位置：反映平均 PER。理想情况下圆心应在赤道上（纯线偏振）；若圆心偏离赤道，说明存在额外双折射。
图3(a) 不良对准 – 庞加莱球上数据圆半径大，偏振随环境变化剧烈；图3(b) 良好对准 – 数据圆半径小，偏振稳定。
2. 施加缓慢扰动（如弯曲光纤或改变温度），软件自动记录一系列数据点并拟合出圆；
4. 旋转光纤连接器，观察屏幕上的反馈，直到圆半径最小——此时对准完成
这个方法的优势是：把静态对准问题转化为动态轨迹的几何优化，抗干扰能力强，而且一次扰动过程就能评估在所有可能环境条件下的最差 PER。
图4使用60SMS激光束耦合器进行偏振轴对准：当光源的偏振轴与光纤的偏振轴未对准时的偏振消光比（PER）。
偏振分析仪会同时给出 DOP，如果 DOP 明显小于 1，说明你需要检查：是光源本身退偏，还是光纤长度超过了相干长度？
在量子光学（如磁光阱）、椭偏仪、偏振调制器等场景中，需要精确产生圆偏振光或任意椭圆偏振光。方法通常是：线偏振光入射到可旋转的四分之一波片上。
当波片旋转时，输出偏振态在庞加莱球上画出一条 “8”字形轨迹。轨迹的两个极点对应圆偏振（南北极），赤道上两个点对应与波片快轴成 ±45° 的线偏振。
图 5：庞加莱球体上描绘的四分之一波片的对齐。偏振状态在四分之一波片旋转期间产生“8”字形。对于圆形SOP，该figure的极值到达两极：北极为右旋圆偏振，南极点对应左旋圆偏振
ü 实时观察“8”字是否精确经过南北极——若是，则波片延迟量为完美的 90°；
SK010PA不仅可以对准，还可以定位双折射干扰源。当系统中有多个光纤连接器或自由空间元件时，某一处应力双折射可能会导致整体偏振性能下降。利用偏振分析仪，可以通过交换测量法来定位干扰源。
1.正常连接偏振分析仪，施加缓慢扰动（如弯曲光纤），测量得到数据圆的半径r1以及圆心到赤道的距离d1。
·交换后，原有的d1会变成新的圆半径，原有的r1会变成新的圆心到赤道的距离。
·如果系统更关心偏振态的稳定性而非 PER 绝对值，则选择使圆心更靠近赤道的连接方向，可获得最稳定的配置。
[2] M. Born, E. Wolf: Principles of Optics, Pergamom Press , 1984.
