偏振測量法(Polarimetry)用於測量來自物體的光線偏振,從而確定其屬性。最準確的偵測器一般採取在同一地點進行連續測量的方式,或是利用不同偵測器進行平行測量,但這兩種方式也可能分別導致時間與空間上的誤差。因此,NCSU的研究人員提出一種新方法,能夠有效提高在相同地點進行同步偵測的準確度。

「我們的方法是透過垂直方式串連偏振感應偵測器取得空間樣本,」NCSU電子與電腦工程系教授Michael Kudenov表示。

由於傳統的方法需要多個相鄰的空間樣本,才能取得相同的資訊,因而較難有效地利用光線。「這是因為對於偏振測量而言,通常用線性偏光板會抑制掉一半(至少)的入射功率,」Kudenov解釋。

「而我們的技術測量的就是這個被抑制的光,」Kudenov強調。剩下的光線則可經由裝置傳送,而且可透過連線的偵測器進行測量。

20160720 NCSC NT01P1 在此半透明的偏振偵測器圖中,其上的正方形區域是金電極之一。其下則是有機光電電池(OPV)材料,能將偏振光轉換成電訊號。這些影像顯示偏振的光線在OPV偵測到(a)0度、(b)45度與(c)90度時如何隨之減少。(來源:NCSC)

必須進行三次測量的原因在於線性偏振濾光器在同一平面上僅阻擋平行的光線,因而實現向量量測結果。唯一常用的其他類型是圓偏光板,它可讓光線呈直線偏振旋轉——順時針或逆時針方向的360度旋轉。從1940年以來,數學家們已經找到如何測量光線偏振的角度了,其方式是採用結合兩種線性偏振濾波器和一個圓偏光板。

“這必須進行三種測量作業,才能計算出線性偏振的完整狀態。通常,偏振狀態可以利用Jones或Mueller矩陣來表示。在Mueller矩陣時,我們定義使用Stokes向量定義偏振狀態。該向量分成四部分:S0表示光的總功率、S1表示線性水平或垂直偏振狀態容納的功率、S2類似於S1,但僅針對在45或135度線性狀態時的功率,而S3則代表右邊或左邊圓偏振光的功耗」Kudenov解釋。

一般的偏振計使用多種方法,包括偏振棱鏡、移動元件、溫控外殼和矽晶偵測器等。大多數都需要進行手動調整,但即使是自動的機型也需要時間測量偏振。。

Kudenov的創新在於打造了所謂本質一致的偏振,因而無需使用移動元件或溫度控制。其關鍵是在偏振聚合物中包覆了PV偵測器(使用透明的金屬電極,即銦錫氧化物ITO和金薄膜)。這三層都有其必要——2線性層用於0度和45度角,加上第三個圓偏光板。光線先通過0度線性偏振的PV層,測得其強度。第2層類似,但測量通過第1 層而偏振45度的光線。最後的圓偏光層測量未被阻擋的剩餘光線。將這三種輸出導入電腦執行客製的Meuller演算法,實現接近即時感應的偏振角度與入射光線強度,同時達到1.2%的準確度。

「我們下一步在於提高透明電極的傳輸。目前,我們使用ITO和薄金層。金本身具有約60%的傳輸能力。我們正致力於提高到90%,同時讓有機材料保有所需的功能。如此將可提高訊噪比(SNR)與準確度。此外,我們還打算探索其他替他材料,以改善量子效率。我們希望,透過這改變,能夠達到更高10倍的準確度或提高0.1%,」Kudenov表示。