CN102279052A - 一种实时测量偏振光特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时测量偏振光特性的方法，它采用非偏振分光棱镜、半波片、2片偏振分光棱镜及4路光探测器，通过4路光功率的测量来实现入射偏振光特性的实时测量，它适用于偏振光学系统、椭圆偏振测量领域、激光技术等与偏振相关的测量与检测领域。该方法采用不同正交基对偏振光进行测量，来获得偏振光的方位角及偏振消光比信息，从而实现对偏振光的特性进行测量，由于两组正交基是同时获得测量数据，可以实现实时测量。

Description

一种实时测量偏振光特性的方法

技术领域

本发明涉及一种偏振光特性的测量方法，具体涉及一种实时测量偏振光特性的方法。

背景技术

随着人们对光的偏振现象认识与研究的不断深入，偏振信息已逐渐应用于对目标的探测。通过探测目标反射光的偏振信息反演出待测目标的相关信息，可以将待测目标的可测信息量从原有的维数再增加三维，偏振信息已经在地物遥感探测、大气探测、水下探测、天文探测、医学诊断、目标检测、图像处理和军事应用等领域得到广泛应用。同时随着单光子探测技术的日趋成熟，高效率的单光子探测器已经在技术上可以实现，单光子探测技术的发展导致单光子偏振应用领域的快速发展，目前基于偏振编码的自由空间量子保密通信就是单光子偏振的一种重要应用之一。

在进行自由空间量子密钥分发时，量子信息的载体为单光子的偏振态，密钥分配原则采用BB84方案，在此方案中，发射端随机地发射处于水平偏振，竖直偏振、+45度偏振，-45度偏振四种状态之一，接收端通过量子模块随机的接收S、P或+、-基的偏振单光子，这样就要求发射、接收ATP在保证星-地量子链路的对准外，还要保证星-地量子光偏振基矢方向一致，偏振基矢的对准偏差将导致误码率升高而影响量子密钥分发的安全性。在实际光学系统跟瞄过程中，通信终端的相对运动、通信两端ATP的粗跟瞄、通信仪器的安装误差等原因，都会导致收发两端之间偏振基矢的偏差，如何修正这种变化成为保证星-地量子密钥分配成功的关键。在实际的偏振光测量领域，对偏振光基矢方向的检测都是通过偏振片的旋转来完成，这样就要求对偏振片进行旋转，测量结果的实时性较差，同时也无法准确的对单光子的偏振进行测量。

本发明基于偏振光理论，采用不同正交基对未知偏振光进行相应分量的测量，来获得偏振光的方位角及偏振消光比信息，从而实现对偏振光特性的测量，由于该方法中对两组正交基的测量是同时进行的，所以可以实现对偏振单光子信息的实时测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时测量偏振光特性的方法，克服了现有偏振测量装置在测量过程中耗时较长的问题，有针对性的对偏振光的基矢方向进行测量，测量过程实时性强，如果该装置的Si探测器改成单光子探测器的话，也可以对偏振单光子的基矢方向进行测量，同时也可以作为量子通信接收端的接收模块使用，测试系统的可移植性较强。

本发明装置如附图1所示：装置包括非偏振分光棱镜1、半波片2、一号偏振分光棱镜3、二号偏振分光棱镜4、一号探测器5、二号探测器6、三号探测器7、四号探测器8。所述的非偏振分光棱镜1为1:1偏振不敏感分光镜；所述的半波片2的工作波段覆盖被检光源的波长，口径为25mm，其方位角所处的位置使得反射光的检测基为非S、P基；所述的偏振分光棱镜3、4工作波段与半波片2一致；所述的探测器5、6、7、8采用Si探测器。装置工作时，被测偏振光经过非偏振分光棱镜1、半波片2及偏振分光棱镜3、4后分别进入到4路探测器上对被检偏振光进行能量的检测。

实时测量偏振光特性的方法具体测量步骤如下：

1、被检偏振光经过非偏振分光棱镜1后分成两路，其中透射光经半波片2、一号偏振分光棱镜3后进行偏振分光，分开的两束光被第一、二号探测器5、6探测，此时测量的为非S、P基的偏振分量，为了表述方便，在此取半波片的方位角为22.5°，此时第一、二号探测器5、6的测量值分别为被测偏振光的+45°及-45°分量值E₊、E_-；

2、被检偏振光经过非偏振分光棱镜1后分成两路，其反射光经过二号偏振分光棱镜4后也进行了偏振分光，分开的S、P分量被第三、四号探测器7、8探测，第三、四号探测器7、8的测量值分别计为E_s、E_p；

3、被检偏振光的斯托克斯参量为

其中S₀为被测偏振光的能量，θ为方位角，范围为0≤θ≤π，α为椭圆率角，范围为

则以上测量值可以表示为 $\left(\begin{array}{c}{E}_s\\ E_p\\ E_{+}\\ E_{-}\end{array}\right)=\frac{S_0}{4}\left(\begin{array}{c}1+\cos 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}\\ 1-\cos 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}\\ 1+\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\\ 1-\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\end{array}\right),$ 通过计算得到方位角θ满足：

$\tan 2\mathrm{\θ}=\frac{(E_s+E_p)(E_{+}-E_{-})}{(E_s-E_p)(E_{+}+E_{-})}$

其中θ的范围通过E₊-E_-及E_s-E_p的+、-来判断。判断依据如下：

E₊-E_-＞0，E_s-E_p＞0， $0\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{4};$

E₊-E_-＞0，E_s-E_p＜0， $\frac{\mathrm{\π}}{4}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{2};$

E₊-E_-＜0，E_s-E_p＜0， $\frac{\mathrm{\π}}{2}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{3\mathrm{\π}}{4};$

E₊-E_-＜0，E_s-E_p＞0， $\frac{3\mathrm{\π}}{4}\≤\mathrm{\θ}\≤\mathrm{\π}.$

4、根据得到的方位角θ，可以计算椭圆率角α满足：

$\cos 2\mathrm{\α}=\frac{E_s-E_p}{E_s+E_p}\frac{1}{\cos 2\mathrm{\θ}}$

则偏振光的消光比为： $\mathrm{ER}=\frac{1}{{\tan }^2\mathrm{\α}}=\frac{1+\cos 2\mathrm{\α}}{1-\cos 2\mathrm{\α}}=\frac{1+\frac{E_s-E_p}{E_s+E_p}\frac{1}{\cos 2\mathrm{\θ}}}{1-\frac{E_s-E_p}{E_s+E_p}\frac{1}{\cos 2\mathrm{\θ}}}.$

本方法的具体原理如下：

在光学理论中，偏振光分成线偏光、圆偏振光和椭圆偏振光。任何一种偏振光都可用斯托克斯参量来进行表示，任意偏振光可以表示为：

其中S₀表示被检偏振光的能量，θ表示长轴的方位角，且设α为椭圆率角，其范围为

则偏振光的长轴方位角θ、椭圆率角α能够通过测量得到的话，偏振光的信息就完全确定。

具体情况描述如下：入射偏振光的状态为

经过1:1的非偏振分光棱镜透射后，由于偏振分光棱镜透射S、P光的相位延迟范围在±3°以内，其透射光的传输矩阵可以近似表示为： $\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}\mathrm{1,0,0,0}\\ \mathrm{0,1,0,0}\\ \mathrm{0,0,1,0}\\ \mathrm{0,0,0,1}\end{array}\right),$ 此时透射光再经过半波片，处于β角度半波片的传输矩阵为： $\left(\begin{array}{c}\mathrm{1,0,0,0}\\ 0,\cos 4\mathrm{\β},\sin 4\mathrm{\β},0\\ 0,\sin 4\mathrm{\β},-\cos 4\mathrm{\β},0\\ \mathrm{0,0,0,1}\end{array}\right),$ 则入射到偏振分光棱镜之前的偏振光状态为：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{1,0,0,0}\\ 0,\cos 4\mathrm{\β},\sin 4\mathrm{\β},0\\ 0,\sin 4\mathrm{\β},-\cos 4\mathrm{\β},0\\ \mathrm{0,0,0,1}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{1,0,0,0}\\ \mathrm{0,1,0,0}\\ \mathrm{0,0,1,0}\\ \mathrm{0,0,0,1}\end{array}\right)\frac{S_0}{2}\left(\begin{array}{c}1\\ \cos 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}\\ \cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\\ \sin 2\mathrm{\α}\end{array}\right)=\frac{S_0}{2}\left(\begin{array}{c}1\\ \cos 4\mathrm{\β}\cos 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}+\sin 4\mathrm{\β}\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\\ \sin 4\mathrm{\β}\cos 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}-\cos 4\mathrm{\β}\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\\ \sin 2\mathrm{\α}\end{array}\right)---\left(2\right)$

为了描述方便，取半波片角度为22.5度，即此路测量基为±45度基，此时偏振光状态为： $\frac{S_0}{2}\left(\begin{array}{c}1\\ \cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\\ \cos 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}\\ \sin 2\mathrm{\α}\end{array}\right),$ 再通过偏振分光棱镜对该偏振光进行检偏，S、P的检偏矩阵分别为：

$\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}\mathrm{1,1,0,0}\\ \mathrm{1,1,0,0}\\ \mathrm{0,0,0,0}\\ \mathrm{0,0,0,0}\end{array}\right)$ 及 $\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}1,-\mathrm{1,0,0}\\ -\mathrm{1,1,0,0}\\ \mathrm{0,0,0,0}\\ \mathrm{0,0,0,0}\end{array}\right)---\left(3\right)$

则此时+、-基检偏后状态为 $\frac{S_0}{4}\left(\begin{array}{c}1+\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\\ 1+\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\\ 0\\ 0\end{array}\right)$ 及 $\frac{S_0}{4}\left(\begin{array}{c}1-\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\\ 1-\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\\ 0\\ 0\end{array}\right).$

则+、-端口的能量分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{+}=\frac{S_0(1+\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ})}{4}\\ E_{-}=\frac{S_0(1-\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ})}{4}\end{array}\right.---\left(4\right)$

同样经过非偏振分光棱镜反射后，由于非偏振分光棱镜透射S、P光的相位延迟为δ，其透射光的传输矩阵可以表示为： $\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}\mathrm{1,0,0,0}\\ \mathrm{0,1,0,0}\\ \mathrm{0,0},\cos \mathrm{\δ},\sin \mathrm{\δ}\\ \mathrm{0,0},-\sin \mathrm{\δ},\cos \mathrm{\δ}\end{array}\right),$ 则入射到偏振分光棱镜之前的偏振光状态为：

$s_0=\left(\begin{array}{c}1\\ \cos 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}\\ \cos \mathrm{\δ}\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}+\sin \mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\δ}\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}+\cos \mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\α}\end{array}\right)---\left(5\right)$

再通过偏振分光棱镜的S、P检偏矩阵进行检偏，得到S、P端口的能量分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_S=\frac{S_0(1+\cos 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ})}{4}\\ E_P=\frac{S_0(1-\cos 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ})}{4}\end{array}\right.---\left(6\right)$

通过公式4与公式6，可以对偏振光角度进行求解得到方位角θ满足：

$\tan 2\mathrm{\θ}=\frac{(E_s+E_p)(E_{+}-E_{-})}{(E_s-E_p)(E_{+}+E_{-})}---\left(7\right)$

其中θ的范围通过E₊-E_-及E_s-E_p的+、-来判断。判断依据如下：

E₊-E_-＞0，E_s-E_p＞0， $0\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{4};$

E₊-E_-＞0，E_s-E_p＜0， $\frac{\mathrm{\π}}{4}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{2};$

E₊-E_-＜0，E_s-E_p＜0， $\frac{\mathrm{\π}}{2}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{3\mathrm{\π}}{4};---\left(8\right)$

E₊-E_-＜0，E_s-E_p＞0， $\frac{3\mathrm{\π}}{4}\≤\mathrm{\θ}\≤\mathrm{\π}.$

根据方位角θ，可以计算椭圆率角α满足：

$\cos 2\mathrm{\α}=\frac{E_s-E_p}{E_s+E_p}\frac{1}{\cos 2\mathrm{\θ}}---\left(9\right)$

则偏振光的消光比为： $\mathrm{ER}=\frac{1}{{\tan }^2\mathrm{\α}}=\frac{1+\cos 2\mathrm{\α}}{1-\cos 2\mathrm{\α}}=\frac{1+\frac{E_s-E_p}{E_s+E_p}\frac{1}{\cos 2\mathrm{\θ}}}{1-\frac{E_s-E_p}{E_s+E_p}\frac{1}{\cos 2\mathrm{\θ}}}---\left(10\right)$

此时即得到了入射光的消光比ER及长轴方向θ。

本方法的优点在于：1)本发明的基矢测量方法的实时性强，可以在测量到4路光强后就可以得到基矢方向及消光比数据；2)该测试装置的可改造性强，如果该装置的Si探测器改成单光子探测器的话，也可以对偏振单光子的基矢方向进行测量；3)该测试装置的可移植性强，该测试装置中半波片如果处于22.5度时，该测量装置就是一个量子接收模块，可以直接应用于量子通信的接收端中。与其他偏振光测量装置相比，其测量的实时性更强。

附图说明

图1为实时测量偏振光特性的检测装置光路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。

本发明中所采用的主要器件描述如下：

1)非偏振分光棱镜1：非偏振分光棱镜采用Thorlabs型号为BS017的棱镜，其主要性能参数：工作波段为700-1100nm；透射反射分光比为1∶1，通光口径为20mm；

2)半波片2：半波片采用Thorlabs的消色差半波片，型号为AHWP05M-980，其主要性能参数：工作波段为700-1200nm；相位延迟准确度λ/40-λ/230；

3)一、二号偏振分光棱镜3、4：偏振分光棱镜采用Thorlabs的宽带偏振分光棱镜，型号为PBS202，其主要性能参数：工作波段为620-1200nm；Tp∶Ts＞1000∶1；口径大小为20mm，有效口径大于口径的80％。

4)一、二、三、四号Si探测器5、6、7、8：探测器采用Thorlabs公司的产品，型号为PM120D，其主要性能参数：工作波段为400-1100nm；功率测试范围为50nw-50mw；探头为Si探测器。

本发明方法的主光路示意图如附图1所示，具体情况描述如下：

1、被检偏振光经过非偏振分光棱镜1后分成两路，其中透射光经半波片2、一号偏振分光棱镜3后进行偏振分光，分开的两束光被第一、二号探测器5、6探测，此时测量的为非S、P基的偏振分量，为了表述方便，在此取半波片的方位角为22.5°，此时第一、二号探测器5、6的测量值分别为被测偏振光的+45°及-45°分量值E₊、E_-；

2、被检偏振光经过非偏振分光棱镜1后分成两路，其反射光经过二号偏振分光棱镜4后也进行了偏振分光，分开的S、P分量被第三、四号探测器7、8探测，第三、四号探测器7、8的测量值分别计为E_s、E_p；

3、测量的4路能量E_s、E_p、E₊、E_-与方位角θ满足以下关系：

$\tan 2\mathrm{\θ}=\frac{(E_s+E_p)(E_{+}-E_{-})}{(E_s-E_p)(E_{+}+E_{-})}$

其中θ的范围通过E₊-E_-及E_s-E_p的+、-来判断。判断依据如下：

E₊-E_-＞0，E_s-E_p＞0， $0\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{4};$

E₊-E_-＞0，E_s-E_p＜0， $\frac{\mathrm{\π}}{4}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{2};$

E₊-E_-＜0，E_s-E_p＜0， $\frac{\mathrm{\π}}{2}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{3\mathrm{\π}}{4};$

E₊-E_-＜0，E_s-E_p＞0， $\frac{3\mathrm{\π}}{4}\≤\mathrm{\θ}\≤\mathrm{\π}.$

4、根据以上计算得到的方位角θ，可以计算椭圆率角α满足：

$\cos 2\mathrm{\α}=\frac{E_s-E_p}{E_s+E_p}\frac{1}{\cos 2\mathrm{\θ}}$

则偏振光的消光比为： $\mathrm{ER}=\frac{1}{{\tan }^2\mathrm{\α}}=\frac{1+\cos 2\mathrm{\α}}{1-\cos 2\mathrm{\α}}=\frac{1+\frac{E_s-E_p}{E_s+E_p}\frac{1}{\cos 2\mathrm{\θ}}}{1-\frac{E_s-E_p}{E_s+E_p}\frac{1}{\cos 2\mathrm{\θ}}}.$

Claims (1)

1.一种实时测量偏振光特性的方法，被检偏振光经过非偏振分光棱镜(1)后分成两路，其透射光经方位角为22.5°的半波片(2)和一号偏振分光棱镜(3)后对+45°及-45°偏振分量进行偏振分光，分开的两束光被一、二号探测器(5、6)探测接收；其反射光经过二号偏振分光棱镜(4)后也进行了偏振分光，分开的S、P分量被三、四号探测器(7、8)探测接收，其特征在于：探测器接收的光能量数据处理步骤如下：

1)将一号探测器(5)和二号探测器(6)测得的被测偏振光的+45°及-45°分量光强值分别记为E₊、E_-；

2)将三号探测器(7)和四号探测器(8)测得的被测偏振光的S、P分量光强值分别记为E_s、E_p；

3)步骤1和2获得的测量值表示为：

$\left(\begin{array}{c}{E}_s\\ E_p\\ E_{+}\\ E_{-}\end{array}\right)=\frac{S_0}{4}\left(\begin{array}{c}1+\cos 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}\\ 1-\cos 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}\\ 1+\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\\ 1-\cos 2\mathrm{\α}\sin 2\mathrm{\θ}\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中S₀为被测偏振光的能量，θ为被测偏振光的方位角，范围为0≤θ≤π，α为被测偏振光的椭圆率角，范围为

由公式(1)计算得到被测偏振光的方位角θ值为：

$\tan 2\mathrm{\θ}=\frac{(E_s+E_p)(E_{+}-E_{-})}{(E_s-E_p)(E_{+}+E_{-})}---\left(2\right)$

其中θ的取值范围确定方法如下：

A.当E₊-E_-＞0，E_s-E_p＞0时， $0\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{4};$

B.当E₊-E_-＞0，E_s-E_p＜0时， $\frac{\mathrm{\π}}{4}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{2};$

C.当E₊-E_-＜0，E_s-E_p＜0时， $\frac{\mathrm{\π}}{2}\≤\mathrm{\θ}\≤\frac{3\mathrm{\π}}{4};$

D.当E₊-E_-＜0，E_s-E_p＞0时， $\frac{3\mathrm{\π}}{4}\≤\mathrm{\θ}\≤\mathrm{\π}.$

4)根据求得的方位角θ，计算椭圆率角α为：

$\cos 2\mathrm{\α}=\frac{E_s-E_p}{E_s+E_p}\frac{1}{\cos 2\mathrm{\θ}}---\left(3\right)$

进而计算出被测偏振光的消光比为：

$\mathrm{ER}=\frac{1}{{\tan }^2\mathrm{\α}}=\frac{1+\cos 2\mathrm{\α}}{1-\cos 2\mathrm{\α}}=\frac{1+\frac{E_s-E_p}{E_s+E_p}\frac{1}{\cos 2\mathrm{\θ}}}{1-\frac{E_s-E_p}{E_s+E_p}\frac{1}{\cos 2\mathrm{\θ}}}---\left(4\right).$

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