Design of polarimeters based on liquid crystals and biaxial crystals for polarization metrology

Abstract

La polarimetria proporciona informació crucial en nombroses aplicacions en diferents camps, com en la medicina, la biologia, la teledetecció, la caracterització de materials, l’astronomia, etc. Els polarímetres són els instruments bàsics per a la metrologia de polarització. Nombroses arquitectures de polarímetres han estat analitzades en la literatura, cada una d’elles presenta les seves desavantatges i avantatges. En general, els paràmetres del muntatge del polarímetre són optimitzats per tal de reduir l’amplificació del soroll present en les mesures radiomètriques fins a la mesura final de polarització. D'altra banda, els errors experimentals, com una desalineació o un calibratge erroni, ocasionen una reducció de la precisió del polarímetre en la mesura del contingut polarimètric. Recentment, els dispositius de cristall líquid s'han introduït en les arquitectures de polarímetres, aprofitant les seves atractives característiques de canviar les seves propietats òptiques de manera dinàmica i ràpida. Degut a que les arquitectures basades en cristalls líquids no tenen parts mòbils, s'eviten errors experimentals relacionats amb moviments mecànics, i aquells errors deguts a desalineaments poden ser significativament reduïts després d'un calibratge del sistema complet. Aquesta tesi s'emmarca en el camp de la polarimetria, centrant-se en el disseny òptic, optimització, anàlisi i comparativa de polarímetres basats en materials que presenten anisotropia d’índex de refracció. En concret, es revisen algunes arquitectures de polarímetres conegudes basades en cristalls líquids existents en la literatura, s’introdueixen algunes variants als dissenys d’aquests polarímetres per tal de millorar alguns aspectes del seu funcionament, com ara la minimització de soroll, i es presenten nous dissenys de polarímetres basats en cristalls líquids. Concretament, s'utilitzen tres tipus diferents de làmines de cristall líquid: amb estructura paral·lela, amb estructura helicoïdal i ferroelèctriques. A més, es presenta un nou polarímetre estàtic capaç de mesurar qualsevol estat de polarització. Aquesta última arquitectura es basa en el fenomen de la refracció cònica que es produeix quan la llum es propaga al llarg d'un dels eixos òptics d'un cristall biàxic. Per a cada prototip de polarímetre es duu a terme una anàlisi completa del seu disseny, que inclou una optimització de soroll, estudi de robustesa, anàlisi de tolerància, així com també es detalla la implementació del polarímetre, incloent el seu calibratge i mesures experimentals. Es realitza una comparativa entre els diferents prototips implementats, donant una revisió molt valuosa de les principals característiques dels polarímetres basats en cristalls líquids, així com el polarímetre basat en la refracció cònica. A partir d'aquesta comparativa, es selecciona el millor candidat per a la polarimetria d'imatge. Finalment, en aquesta tesi es proposa un nou muntatge experimental que combina un polarímetre d'imatge i un mòdul utilitzat per a aconseguir imatges amb una resolució sub-píxel en un sistema en què la resolució està limitada per la grandària del píxel del detector. Es proporcionen resultats experimentals crucials, validant la millora de la resolució espaial aconseguida en les imatges de polarització.

Polarimetry provides crucial information in many applications in diverse fields, including medicine, biology, remote sensing, material characterization, astronomy, etc. Polarimeters are the basic instruments for polarization metrology. Several polarimeters architectures have been analyzed in the literature, each one presenting its own drawbacks and strengths. In general, the parameters of the polarimeter set-up are optimized in order to reduce the amplification of noise present at the radiometric measurements to the final polarization measurement. Moreover, experimental errors, as misalignment or miscalibration, lead to a polarimeter accuracy reduction to the measure of such polarization content. Recently, liquid crystal (LC) devices have been introduced in polarimeters architectures, taking advantage of their appealing features of changing their optical properties dynamically and at high rates. Because architectures based on LC have no moving parts, experimental errors related to mechanical movements are avoided, and those due to misalignments may be significantly reduced after a calibration of the whole system. This thesis is framed in the field of polarimetry, focusing on the optical design, optimization, analysis and comparative of polarimeters based on materials presenting index anisotropy. In particular, it reviews some existing LC based polarimeter architectures popular in the literature, introduces some variants to those polarimeter layouts in order to improve some aspects in their performance such as noise minimization, and presents new designs of LC based polarimeters. In particular, we use three different types of LC cells: parallel aligned nematic, twisted nematic and ferroelectric. Moreover, it presents a new static polarimeter able to measure any state of polarization. This last architecture is based on the conical refraction (CR) phenomenon occurring when light propagates along one of the optical axes of a biaxial crystal. For each polarimeter prototype we conduct a comprehensive analysis of its design, including a noise optimization, robustness study, tolerance analysis, as well as we detail the implementation of the polarimeter, including its experimental calibration and measurements. A comparative between the different implemented prototypes is conducted, giving a very valuable review of the main features of LC based polarimeters as well as the CR based polarimeter. From this comparative, the best candidate for imaging polarimetry is selected. Finally, in this thesis it is proposed a new experimental configuration which combines an imaging polarimeter and a module used to achieve sub-pixel-resolution imaging in a system where the resolution is limited by detector pixel size. Crucial experimental results are provided, validating the resolution enhancement achieved in polarization images.