CN102261955A - 一种光束偏振光谱特性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光束偏振光谱特性检测方法。现有技术系统复杂、光谱测量灵敏度低，无法实现光束偏振态分布检测，以及偏振和光谱特性同时检测。本发明利用柔性偏光膜制成圆锥形光束偏振态检测元件，两平面均镀有高反射膜的平板电光晶体两侧设置有平行透光电极板，平行透光电极板与可调电源相连接，构成微腔式谱线扫描元件；入射光束依次经过圆锥形光束偏振态检测元件、微腔式谱线扫描元件、光束会聚元件和面阵光电探测器，面阵光电探测器采集到含有光谱信息和偏振分布的光斑，进而得到了光束偏振光谱特性。本发明方法简单灵活、结构定位要求低、同步实现高精度光谱测量和光束横向偏振态分布分析、系统可靠性和稳定性高，可操作性强。

Description

一种光束偏振光谱特性检测方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光学特性检测方法，特别是一种光束偏振光谱特性检测方法。主要用于光与物质相互作用、光谱分析、光学测量、光学仪器评估等领域中的光束特性检测。

背景技术

对光束光学特性检测的需求广泛存在于光与物质相互作用、光学显微、光谱分析、光学测量、光学仪器评估等领域中。在光与物质相互作用领域中，光束经过物质散射后，在不同方向上的散射光的偏振态和光谱特性不同，通过检测散射光的偏振态分布和光谱特性，可以对物质本身性质进行研究分析。在光学显微领域中，偏光显微镜则利用了光束偏振特性对被观察对象进行显微成像。

在先技术中，存在对光学偏振光谱特性进行检测的方法，检索光束偏振特性通常采用检偏器，被检测光束通过检偏器时，只有偏振方向与检偏器偏振通过方向相同的光能量才能通过，这种方法虽然具有一定的优点，但是存在本质不足，这种方法本质上无法检测光束横向偏振态分布，因此无法检测与偏振分布特性相关的光与物质相互作用、光谱分析、光学测量、光学仪器评估等领域中的光学性质和系统性能参量。在先技术中，测量光束光谱特性有光谱仪，参见发明专利集成化微型光谱仪，专利号为ZL02119512.9，该发明具有一定的优点，但是仍然存在本质不足，系统复杂，结构定位要求高；系统光谱分析精度受到光栅参量和光电传感器参数的限制，无法实现高灵敏度光谱测量；并且本质上无法检测光束的偏振特性信息。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种检测光束偏振光谱特性的方法，具有实现简单，结构定位要求低，可分析光束横向偏振态分布，并且同步实现高灵敏度光谱测量等功能。

本发明的基本构思是：利用柔性偏光膜制成圆锥形光束偏振态检测元件，两平面均镀有高反射膜的平板电光晶体两侧设置有平行透明电极板，平行透明电极板与可调电源相连接，构成微腔式谱线扫描元件；入射光束依次经过圆锥形光束偏振态检测元件、微腔式谱线扫描元件、光束会聚元件和面阵光电探测器，面阵光电探测器采集到含有光谱信息和偏振分布的光斑，进而得到了光束偏振光谱特性。此方法简单灵活、结构定位要求低、同步实现高精度光谱测量和光束横向偏振态分布分析、系统可靠性和稳定性高，可操作性强。

本发明方法的具体步骤如下：

步骤(1)将柔性偏光膜修剪成扇形，扇形的发散角大于π/4弧度，并且小于7π/4弧度，扇形圆弧的长度除以2π后的商值大于被测光束的半径，将扇形柔性偏光膜两个径向边界胶合在一起，形成圆锥形光束偏振态检测元件。

步骤(2)平板电光晶体的两个平行平面上镀有高反射膜，每个高反射膜的反射率大于70%；平板电光晶体光束入射和出射端分别入设置有射透明电极板和出射透明电极板，入射透明电极板和出射透明电极板分别与可调电源的正负极相连接，由镀有高反射膜的平板电光晶体、入射透明电极板、出射透明电极板和可调电源就构成了微腔式谱线扫描元件。

步骤(3)入射被检测光束经过扩束镜进行扩束，圆锥形光束偏振态检测元件设置在扩束镜光束出射一侧的光路上，圆锥形光束偏振态检测元件的旋转对称轴与入射光束的光轴重合，光束经过圆锥形光束偏振态检测元件时，每个接触点区域均存在一个偏振透过方向，并且光束横截面上偏振透过方向均非均匀分布。

步骤(4)在圆锥形光束偏振态检测元件的光束出射一侧的光路上依次设置有入射透明电极板、平板电光晶体、出射透明电极板、光束会聚元件和面阵光电探测器，入射光束光轴与平板电光晶体两个平面相垂直，面阵光电探测器的光电传感面与入射光束光轴相互垂直，并且偏离光束会聚元件的焦平面设置。

步骤(5)通过可调电源调节加在入射透明电极板和出射透明电极板上的电压值，改变作用在平板电光晶体区域的电场强度，实现谱线的扫描。

步骤(6)面阵光电探测器在谱线扫描过程中，采集含有光谱信息和偏振分布的光斑光强分布；光斑的横向光强分布为与采集时刻的透明谱线光频率相对应的光束偏振分布特性，光斑光强演化过程为入射光束的光谱信息，从而，实现了被检测光束的偏振光谱特性的检测。

本发明中圆弧形柔性偏光膜两个径向边界胶合技术、可调电源使用技术、面阵光电探测器光斑采集和处理技术均为成熟技术。本发明的发明点在于运用光束偏振分布检测技术和微腔式谱线扫描技术给出一种方法简单灵活、结构定位要求低、同步实现高灵敏度光谱测量和光束横向偏振态分布分析的光束偏振光谱特性检测方法。

与现有技术相比，本发明的优点： 

1）本发明可以同步检测光束偏振特性和光谱特性，克服了现有技术中的偏振特性和光谱特性需要分别检测，并且，需要不同检测系统和方法的本质不足，可以给出光束偏振光谱特性；

2）本发明基于柔性偏光膜制成圆锥形光束偏振态检测元件，进行光束偏振分布检测，基于电光晶体构成的微腔式谱线扫描元件进行光谱扫描，本发明实现方法简单灵活，结构定位要求低，系统可靠性和稳定性高，可操作性强；

3）本发明采用基于电光晶体构成的微腔式谱线扫描元件进行光谱扫描，具有透射谱线窄、光谱选择性好、光谱检测精度高等特性，可实现高精度光谱测量和光束横向偏振态分布分析。

附图说明

图1为本发明中所使用的偏振膜修剪成扇形形状示意图。

图2为本发明中的圆锥形光束偏振态检测元件透明偏振态分布图。

图3为本发明的光束偏振光谱特性检测方法构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

在先技术中检测光束偏振特性通常采用检偏器，这种方法本质上无法检测光束横向偏振态分布；测量光束光谱特性用光谱仪，存在系统复杂，结构定位要求高，系统光谱分析精度受到光栅参量和光电传感器参数的限制，无法实现高灵敏度光谱测量，本质上无法检测光束的偏振特性信息等不足。本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种检测光束偏振光谱特性的方法，具有实现简单，结构定位要求低，可分析光束横向偏振态分布，并且同步实现高灵敏度光谱测量等功能。具体制作步骤如下：

步骤(1)将柔性偏光膜修剪成扇形，扇形的发散角大于π/4弧度，并且小于7π/4弧度，扇形圆弧的长度除以2π后的商值大于被测光束的半径，将扇形柔性偏光膜两个径向边界胶合在一起，形成圆锥形光束偏振态检测元件2。本实施例中，扇形的发散角为π弧度，扇形圆弧的长度为200厘米，被测光束的半径为5厘米，柔性偏光膜采用偏光聚乙烯醇薄膜，图1为本发明中所使用的偏振膜修剪成扇形形状示意图，图中点划线为柔性偏光膜透明偏振方向，O为中心点。扇形柔性偏光膜两个径向边界利用透明胶进行胶合，将图1中OA和OE两个半径边界胶合，制成圆锥形光束偏振态检测元件2。

步骤(2)如图3所示，平板电光晶体8的两个平行平面上镀有高反射膜，每个高反射膜的反射率大于70%；平板电光晶体8光束入射和出射端分别设置有入射透明电极板3和出射透明电极板5，入射透明电极板3和出射透明电极板5分别与可调电源4的正负极相连接，由镀有高反射膜的平板电光晶体8、入射透明电极板3、出射透明电极板5和可调电源4就构成了微腔式谱线扫描元件。本实施例中，平板电光晶体8采用铌酸锂电光晶体，平板厚度为5毫米，平板电光晶体8两个平行平面上镀有多层介质高反射膜，反射率为92%，入射端平行透明电极板3和出射端射端平行透明电极板5均为导电玻璃。

步骤(3)入射被检测光束经过扩束镜1进行扩束，圆锥形光束偏振态检测元件2设置在扩束镜光束出射一侧的光路上，圆锥形光束偏振态检测元件2的旋转对称轴与入射光束的光轴重合，光束经过圆锥形光束偏振态检测元件2时，每个接触点区域均存在一个偏振透过方向，并且光束横截面上偏振透过方向均非均匀分布，图2为本发明中的圆锥形光束偏振态检测元件透明偏振态分布图。

步骤(4)在圆锥形光束偏振态检测元件2的光束出射一侧的光路上依次设置有入射透明电极板3、平板电光晶体8、出射透明电极板5、光束会聚元件6和面阵光电探测器7，入射光束光轴与平板电光晶体8两个平面相垂直，面阵光电探测器7的光电传感面与入射光束光轴相互垂直，并且偏离光束会聚元件6的焦平面设置。光束会聚元件6可以为单透镜、透镜组、菲涅尔透镜、透镜阵列的一种，本实施例中采用光束会聚元件6单透镜，焦距为20厘米。面阵光电探测器7可以为电荷耦合器件（简称CCD）面阵光电探测器和互补金属氧化物半导体（简称CMOS）面阵光电探测器的一种，本实施例采用电荷耦合器件面阵光电探测器。

步骤(5)通过可调电源4调节加在入射透明电极板3和出射透明电极板5上的电压值，改变作用在平板电光晶体8区域的电场强度，实现谱线的扫描。

步骤(6)面阵光电探测器7在谱线扫描过程中，采集含有光谱信息和偏振分布的光斑光强分布；光斑的横向光强分布为与采集时刻的透明谱线光频率相对应的光束偏振分布特性，光斑光强演化过程为入射光束的光谱信息，从而，实现了被检测光束的偏振光谱特性的检测。

本实施例成功完成了光束偏振光谱特性的检测，与在先技术进行了比较，本发明克服了现有技术中的偏振特性和光谱特性需要分别检测、需要不同检测系统和方法的本质不足，可以同步检测光束偏振特性和光谱特性。本发明具有实现方法简单灵活、结构定位要求低、系统可靠性和稳定性高、可操作性强光谱选择性好、光谱检测精度高等特性，实现了高精度光束偏振光谱特性的检测。

Claims (1)

1.一种光束偏振光谱特性检测方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

步骤(1)将柔性偏光膜修剪成扇形，扇形的发散角大于π/4弧度，并且小于7π/4弧度，扇形圆弧的长度除以2π后的商值大于被测光束的半径，将扇形柔性偏光膜两个径向边界胶合在一起，形成圆锥形光束偏振态检测元件；

步骤(2)平板电光晶体的两个平行平面上镀有高反射膜，每个高反射膜的反射率大于70%；平板电光晶体光束入射和出射端分别设置有入射透明电极板和出射透明电极板，入射透明电极板和出射透明电极板分别与可调电源的正负极相连接，由镀有高反射膜的平板电光晶体、入射透明电极板、出射透明电极板和可调电源就构成了微腔式谱线扫描元件；

步骤(3)入射被检测光束经过扩束镜进行扩束，圆锥形光束偏振态检测元件设置在扩束镜光束出射一侧的光路上，圆锥形光束偏振态检测元件的旋转对称轴与入射光束的光轴重合，光束经过圆锥形光束偏振态检测元件时，每个接触点区域均存在一个偏振透过方向，并且光束横截面上偏振透过方向均非均匀分布；

步骤(4)在圆锥形光束偏振态检测元件的光束出射一侧的光路上依次设置有入射透明电极板、平板电光晶体、出射透明电极板、光束会聚元件和面阵光电探测器，入射光束光轴与平板电光晶体两个平面相垂直，面阵光电探测器的光电传感面与入射光束光轴相互垂直，并且偏离光束会聚元件的焦平面设置；

步骤(5)通过可调电源调节加在入射透明电极板和出射透明电极板上的电压值，改变作用在平板电光晶体区域的电场强度，实现谱线的扫描；

步骤(6)面阵光电探测器在谱线扫描过程中，采集含有光谱信息和偏振分布的光斑光强分布；光斑的横向光强分布为与采集时刻的透明谱线光频率相对应的光束偏振分布特性，光斑光强演化过程为入射光束的光谱信息，从而，实现了被检测光束的偏振光谱特性的检测。

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