CN102279094A - 一种标定偏振片透光轴的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种标定偏振片透光轴的装置及方法，它采用两片待标定的偏振片及两种电介质组合来实现偏振片透光轴的准确标定，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。该方法基于偏振片透射轴及吸收轴的旋转对称原理，在对任意角度线偏光进行正反两次的偏振角度测量后，即可得到被测偏振片的透射轴或吸收轴，再利用水平S、竖直P线偏振光在两电介质分界面反射时的不同特性来判定偏振片的透光轴，从而实现偏振片透光轴的高精度标定。

Description

一种标定偏振片透光轴的装置及方法

技术领域

本发明涉及偏振片检测技术，具体涉及一种标定偏振片透光轴的装置和方法。

背景技术

偏振是光的一种特性，随着对光的偏振性研究的加深，人们逐渐认识到偏振信息的广泛应用前景，偏振技术也开始进入到实用化阶段，偏振信息已逐渐应用于对目标的探测，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起到重要的作用；在量子通信领域，利用光子的偏振态代替经典二进制码(bit)对信号进行编码，从而实现量子密钥的分发，达到量子保密通信的目的。总而言之，对光的偏振信息的利用逐渐成为一个热门的研究课题，其研究成果也有着广泛的应用前景。

偏振片则是偏振研究领域最基本的光学器件，偏振片也称之为完全直线偏振器或偏振器，其主要功能是将非偏振光或椭偏光转换成线偏振光，其应用覆盖了整个偏振光应用技术领域，应用前景十分广泛。目前市场上所销售的人工偏振片一般是由高分子材料成膜、浸碘液并拉伸而制成，由于碘链的形成而使得偏振片具备二向色性，所谓二向色性即物质有选择性的吸收光波中两个垂直分量之一的特性，所以通过偏振片的光是垂直于吸收轴的线偏光。而在实际的偏振光研究或应用领域，对偏振光的检测都是通过偏振片来完成，同时需要准确的得到偏振片透光轴的方向，通常情况下是利用PBS(偏振分光棱镜)来检测偏振片透光轴方向，当入射光通过PBS透射后会产生一个水平S的线偏振，通过此线偏方向来判定偏振片的透光轴，此种测试方法存在如下缺点：1、偏振片透光轴方向的标定精度与PBS本身产生线偏光的方向有关，这样对PBS本身要求比较高；2、在检测过程中，PBS本身放置的角度与倾斜度都会影响偏振片透光轴的标定精度。

本发明基于偏振片透射轴及吸收轴的旋转对称原理，在对任意角度线偏光进行正反两次的偏振角度测量后，即可得到被测偏振片的透射轴或吸收轴，再利用水平S、竖直P线偏振光在两电介质分界面反射时的不同特性来判定偏振片的透光轴，从而实现偏振片透光轴的高精度标定。

发明内容

本发明的目的是提供一种准确标定偏振片透光轴的装置和方法，克服了现有利用PBS来进行标定透光轴方向时存在的以下问题：1、PBS本身产生线偏光的方向会影响透光轴方向的最终标定结果，对PBS要求较高；2、测试时PBS放置的角度与倾斜度会引入标定误差。

本发明装置如附图1所示：装置包括激光器1、起偏器2、旋转电机3和功率计探头5。所述的激光器1为功率可调光纤激光器；所述的起偏器2采用偏振片，其工作波段为600-1200nm，偏振消光比为10000∶1，口径为25mm；所述的旋转电机3为带有角度刻度的电机；所述的功率计探头5采用硅探测器的功率计，其工作波段为400-1100nm，功率测试范围为50nw-50mw。

装置工作时，被检偏振片4安装在旋转电机3上，激光器1出射的光经过起偏片2后成为消光比较高的线偏光，再利用安装在带有刻度的旋转电机3上的被检偏振片4对该线偏光进行检偏，由安装在被检偏振片4后面的功率计探头5进行激光能量的检测。

偏振片透光轴标定方法的具体步骤如下：

1、激光器1出射的激光光束，通过起偏片2后形成任意角度的线偏光，保持起偏角度不变，通过被检偏振片(4)对偏振光进行检偏，检偏过程中首先将旋转电机3的刻度面朝向功率计探头5，通过旋转电机3带动被检偏振片4一起旋转，旋转至功率计探头5探测功率最小，同时记录旋转电机3所处的角度θ₁；

2、再将旋转电机3与偏振片4旋转180°，至旋转电机3的刻度面朝向起偏片2，其它部分保持不变，通过旋转电机3带动被检偏振片4一起旋转，旋转至功率计探测功率最小，同时记录旋转电机3所处的角度θ₂；

3、旋转电机处于

时，则被检偏振片4的透光轴或吸收轴处于水平或竖直状态；

4、最后通过水平S、竖直P线偏振光在两电介质分界面反射时的不同特性来判定偏振片的透光轴。

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琼斯矩阵来表示，即认为偏振光矢量可以分解到x轴和y轴两个偏振方向上，即用通常所说的S、P光分量来表示，任意偏振光可以表示为：

$\stackrel{\→}{J}=\left(\begin{array}{c}{E}_s\\ E_p\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{A}_s{e}^{{\mathrm{i\δ}}_s}\\ A_p{e}^{{\mathrm{i\δ}}_p}\end{array}\right)---\left(1\right)$

而对于线偏振光来说，S、P分量处于相同的相位，即δ_p＝δ_s＝δ，则线偏振光可以表示为：

$\stackrel{\→}{J}=e^{\mathrm{i\δ}}\left(\begin{array}{c}{A}_s\\ A_p\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中A_s、A_p为实数。

如附图1所示，当被检片4未翻转之前，以角度为θ₁的方向对起偏片2起偏的线偏振光

进行测试时，将偏振光以θ₁方向与θ+π/2方向进行分解，可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}{A}_s\\ A_p\end{array}\right)=a\left(\begin{array}{c}{\cos \mathrm{\θ}}_1\\ {\sin \mathrm{\θ}}_1\end{array}\right)+b\left(\begin{array}{c}{-\sin \mathrm{\θ}}_1\\ {\cos \mathrm{\θ}}_1\end{array}\right)---\left(3\right)$

可以得到：

$\left(\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{A}_s{\cos \mathrm{\θ}}_1+A_p{\sin \mathrm{\θ}}_1\\ A_p{\cos \mathrm{\θ}}_1-A_s{\sin \mathrm{\θ}}_1\end{array}\right)---\left(4\right)$

其中

分别表示检偏片处于θ与θ+π/2方向时线偏振光

的检偏能量值与总能量的比值。

当a＝A_scosθ₁+A_psinθ₁＝0时，则θ₁角度检偏能量值最小时，此时角度θ₁满足：

${\tan \mathrm{\θ}}_1=-\frac{A_s}{A_p}---\left(5\right)$

如附图1所示，当被检片4发生了180°翻转，相对被检偏振片4来说，与未翻转180°之前相比，如附2所示，偏振光的振幅量发生了如下变化：

$\left(\begin{array}{c}{A}_s\\ A_p\end{array}\right)\→\left(\begin{array}{c}{-A}_s\\ A_p\end{array}\right)$ 或 $\left(\begin{array}{c}{A}_s\\ A_p\end{array}\right)\→\left(\begin{array}{c}{A}_s\\ {-A}_p\end{array}\right)---\left(6\right)$

当被检偏振片4以角度为θ₂方向的线偏振光

进行测试时，根据公式(4)可以得到：

$\left(\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{-A}_s{\cos \mathrm{\θ}}_2+A_p{\sin \mathrm{\θ}}_2\\ A_p{\cos \mathrm{\θ}}_2+A_s{\sin \mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)$ 或 $\left(\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{A}_s{\cos \mathrm{\θ}}_2-A_p{\sin \mathrm{\θ}}_2\\ {-A}_p{\cos \mathrm{\θ}}_2-A_s{\sin \mathrm{\θ}}_2\end{array}\right)$

当a＝0时，则θ₂角度检偏能量值最小时，此时角度θ₂满足：

${\tan \mathrm{\θ}}_2=\frac{A_s}{A_p}---\left(7\right)$

由公式(5)和公式(7)可知θ₁、θ₂满足：

${\mathrm{\θ}}_1={-\mathrm{\θ}}_2$ 或 $\frac{{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2}{2}=\frac{\mathrm{\π}}{2}---\left(8\right)$

由公式(8)可知，被检偏振片4对同一线偏光进行翻转前后两次检测之后，两次检偏能量值最小时的角度是相对于偏振片4的透光轴或吸收轴对称，从而可以确定被检片4的透光轴或吸收轴。

如果开始就大致知道被检偏振片4的透光轴方向，以上检测过程就能够准确标定被检偏振片4的透光轴，标定方法简单、准确，标定精度与旋转电机5的精度相当；如果开始时对被检偏振片4透光轴的信息完全不了解，则利用水平S、竖直P线偏振光在两电介质分界面反射时的不同特性来判定偏振片的透光轴，具体方法描述如下：

众所周知，当光波在电介质分界面上传输时，其传输特性满足菲涅耳公式，假设入射偏振光的状态为

经过介质面反射后的状态为：

$\left(\begin{array}{c}{E_s}^{\′}\\ {E_p}^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{n_{12}^2{\cos \mathrm{\θ}}_i-\sqrt{n_{12}^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}}{n_{12}^2{\cos \mathrm{\θ}}_i+\sqrt{n_{12}^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}}{E}_s\\ \frac{{\cos \mathrm{\θ}}_i-\sqrt{n_{12}^2{-\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}}{{\cos \mathrm{\θ}}_i+\sqrt{n_{12}^2-{{\sin }^2\mathrm{\θ}}_i}}{E}_p\end{array}\right)---\left(9\right)$

式中

n₁为入射光所处介质的折射率，n₂为出射光所处介质的折射率，θ_i为入射光的入射角度。

利用公式(9)描绘出S、P线偏振光在两电介质分界面反射的反射率曲线大致趋势如附图4所示，其中图a表示S、P线偏振光由光疏介质入射到光密介质时的反射率随入射角度的变化情况，图b表示S、P线偏振光由光密介质入射到光疏介质时的反射率随入射角度的变化情况，由附图4的变化曲线可知，在这两种情况下，P线偏光都存在反射率为0的情况，即P线偏光在某一个入射角度情况下会出现消光的情况，可以通过此特性来判定入射光为S还是P，从而区分被检偏振片的透光轴与吸收轴。

本方法的优点在于：本发明的标定方法简单，利用任意角度起偏的线偏光，通过被标定的偏振片后进行正反两次偏振角度的测量后，就可以精确的标定出透光轴或吸收轴的方向，这两条轴线之间相差90°，如果知道某一块偏振片透光轴的大致方向，通过两片偏振片即可准确的标定出透光轴的方向，再利用水平S、竖直P线偏振光在两电介质分界面反射时的不同特性来判定偏振片的透光轴，最后通过标定好的偏振片来标定另一块偏振片的透光轴方向。与利用PBS标定的方法相比，标定结果受外界影响更小、精度更高。

附图说明

图1为标定偏振片透射轴或吸收轴的检测光路图。

图2为偏振片在翻转前后S、P基矢变化示意图。

图3为区分偏振片透射轴与吸收轴的检测光路图。

图4为S、P线偏光在电介质分界面上反射时的反射率曲线，其中图a所示为S、P线偏振光由光疏介质入射到光密介质时反射率随入射角度的变化曲线，图b所示为S、P偏振光由光密介质入射到光疏介质时反射率随入射角度的变化曲线，其中△表示S线偏光的反射率变化曲线，○表示P线偏光的反射率变化曲线。

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)激光器1：购买国产的功率可调光纤激光器，测试波长850nm；

2)起偏片2：偏振片采用Thorlabs的产品，型号为LPVIS100，其主要性能参数：工作波段为600-1200nm；偏振消光比为10000∶1；口径大小为25mm，有效口径为口径的90％；起偏检偏角度为±20°；

3)旋转电机3：上海联谊光纤激光器械厂生产的一维电动旋转台(360度刻度可任意旋转)，标尺最小读数0.2度，电机整步运行分辨率0.0133度，重复定位精度小于0.05度。

4)功率计5：功率计采用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；

5)光学介质6：光学介质采用普通的K9玻璃光学平片，其表面平整度优于λ/2。

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、激光器1出射的激光光束，通过起偏片2后形成任意角度的线偏光，保持起偏角度不变；

2、将旋转电机3的刻度面朝向功率计探头5，如附图1上图所示，通过旋转电机3带动被检偏振片4一起旋转，旋转至功率计探测功率最小，同时记录旋转电机3所处的角度θ₁；

3、将旋转电机3与被检偏振片4旋转180°，至旋转电机3的刻度面朝向起偏片2，如附图1下图所示，通过旋转电机3带动被检偏振片4一起旋转，旋转至功率计探测功率最小，同时记录旋转电机3所处的角度θ₂，当旋转电机处于

时偏振片4处于透光轴或吸收轴方向；

4、将旋转电机3旋转至

处对入射光进行起偏，起偏后的线偏光经过光学介质6的K9玻璃光学平片进行反射，反射时旋转光学介质6的K9玻璃光学平片来改变入射角度，当旋转过程中出现消光的情况，说明此方位为偏振片的吸收轴位置，则透光轴位置处于如果旋转过程中未出现消光情况时，此方位即为偏振片的透光轴位置。

Claims (2)

1.一种标定偏振片透光轴的装置，它包括激光器(1)、起偏器(2)、旋转电机(3)和功率计探头(5)，其特征在于：所述的激光器(1)为功率可调光纤激光器；所述的起偏器(2)采用偏振片，其工作波段为600-1200nm，偏振消光比为10000∶1，口径为25mm；所述的旋转电机(3)为带有角度刻度的电机；所述的功率计探头(5)采用硅探测器的功率计，其工作波段为400-1100nm，功率测试范围为50nw-50mw；被检偏振片(4)安装在旋转电机(3)上，激光器(1)出射的光经过起偏片(2)后变成任意角度线偏光，利用安装在带有刻度的旋转电机(3)上的被检偏振片(4)对该线偏光进行检偏，最后通过功率计探头(5)对检偏光进行激光能量检测。

2.一种基于权利要求1所述装置的偏振片透光轴标定方法，其特征在于包括以下步骤：

1)激光器(1)出射的激光光束，通过起偏片(2)后形成任意角度的线偏光，保持起偏角度不变，通过被检偏振片(4)对偏振光进行检偏，检偏过程中首先将旋转电机(3)的刻度面朝向功率计探头(5)，通过旋转电机(3)带动被检偏振片(4)一起旋转，旋转至功率计探头(5)探测功率最小，同时记录旋转电机(3)所处的角度θ1；

2)再将旋转电机(3)与偏振片(4)旋转180°，旋转电机(3)的刻度面朝向起偏片(2)，其它部分保持不变，通过旋转电机(3)带动被检偏振片(4)一起旋转，旋转至功率计探测功率最小，同时记录旋转电机(3)所处的角度θ2；

3)将旋转电机(3)转到

角度处，被检偏振片(4)的透光轴或吸收轴此时处于水平或竖直状态；

4)利用光学介质(6)对旋转电机(3)处于

角时的被检偏振片(4)起偏后的线偏光进行反射，反射时旋转光学介质(6)的K9玻璃光学平片来改变入射角度，当旋转过程中出现消光的情况，此方位为被检偏振片(4)的吸收轴位置，透光轴位置则处于

旋转过程中未出现消光情况时，此方位即为被检偏振片(4)的透光轴位置。

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