高速动态过程发生时间短,且伴随着物质的物理性质以及微观结构的改变,对探测仪器的需求尤为苛刻。原有卧式高速穆勒矩阵椭偏测量系统由于结构设计的限制,无法对一些微小尺寸的薄膜样品以及液体或胶状样品的反应过程进行动态测量。采用立式结构设计,可以有效地拓展实验平台的应用范围,为材料制备过程实时监控提供一种新的测量手段,同时也可以对动态反应的机理研究起到一定的引导作用。本学位论文围绕着扩展原有卧式高速穆勒矩阵椭偏测量系统的应用范围这一目标,研制出一台具有立式结构的基于光弹调制的穆勒矩阵椭偏仪。主要研究工作概括如下:首先,在卧式高速穆勒矩阵椭偏仪的基础上,设计并搭建了一台具有立式结构的光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪。同时为了验证仪器的强度与刚度,对仪器变角机构进行了有限元分析,完成了所设计立式结构的强度校核。其次,基于非线性偏振光学响应系统模型,对透射模式下的检偏系统模型进行了等效。同时,根据系统结构由卧式到立式改造引起的偏振态定义基准面的变化,重新定义了反射模式下的系统模型。根据所提出的系统模型,基于非线性回归迭代光强拟合算法完成了所研制仪器在不同测量模式下的检偏系统校准。然后,提出了一种基于冯·米塞斯-费舍尔分布和多目标遗传算法的起偏矩阵优化方法。利用所提出的多目标优化模型,对起偏臂进行了配置优化,得到了单个测量周期内的最优偏振态分布,提高了起偏矩阵的校准精度。最后,针对多种不同形式的样品开展了测量实验,完成了仪器在不同测量模式下的性能评估。实验结果阐明所搭建仪器入射角变化范围为45°～90°,极限时间分辨力可至10μs,穆勒矩阵元素测量准确度优于0.008,测量精密度优于0.005,符合高速动态过程测量需求。