CN102288294A - 偏振光斯托克斯参量的分振幅测量仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏振光斯托克斯参量的分振幅测量仪及测量方法，主要依据分振幅测量原理，对偏振光的斯托克斯矢量进行测量。设计采用封装结构，结构中包括单纤准直器，双纤准直器，偏振分光器PBS，双折射棱镜Wollaston棱镜，以及屋脊棱镜。通过对光路的计算，将以上光学元件按照一定顺序与距离，固定于封装盒中。本发明可以有效地将一束入射偏振光分成四条光路，通过对四条光路的接收测量，无须对每个光学元件的米勒矩阵进行测量，只需要通过定标测试就可以确定整个系统的系统矩阵，所以本发明能够快速实时的计算出入射偏振光的四个斯托克斯参量，且准确性较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种偏振光斯托克斯参量的测量装置，尤其涉及一种能够实时高速测量，无须计算个别元件的米勒矩阵，结构紧凑小巧的采用分振幅方法的偏振光斯托克斯参量的测量装置。
背景技术
随着偏振光技术的迅速发展，人们希望了解光束的偏振特性。光束的偏振特性是指光束的偏振态。描述光束偏振态的最普遍的方法，是用一组物理量纲完全相同的参量——斯托克斯参量来描述。描述器件性质的米勒矩阵与描述光束的斯托克斯参量的结合，能够解决几乎所有的光束传播问题，这也是整个矩阵光学的核心内容。不仅如此，对斯托克斯参量的测量也是有着很大的实用价值。物体发射或反射的光束的斯托克斯参量带有丰富的物体的信息，因此斯托克斯参量的测量在遥感和军事目标辨伪等技术中有着重要的应用。
根据分振幅测量原理测量偏振态的斯托克斯参量，目前常用的有两种具体的实施方法：FDP（Four Detector Photopolarimeter）和DOAP（Divison of Amplitude Photopolarimeter）。FDP方法的缺点是需要使用特殊材料的探测器，而且要求光束在每次反射时，必须保持在不同的平面内，对角度的要求非常严格。DOAP的方法可以随着系统对精度的要求程度拓展光路的数目以及探测器的数目，而且可以解决宽波段偏振态的实时测量，因此它更具有普遍性和拓展性。
大多数分振幅测量偏振态斯托克斯参量的系统都是采用普通的分光镜，对波长大于在630nm—680nm的偏振光进行研究，而对于现在普遍应用在光纤转播中的1550nm波长的偏振光测量系统非常之少。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种偏振光斯托克斯参量的分振幅测量仪及测量方法，本发明结构紧凑，体积较小，可以将光纤中的偏振光分成四路光路，分别接受检测，得到当前偏振态的四个斯托克斯参量，研究了新波长的测量装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种偏振光斯托克斯参量的分振幅测量仪，包括外壳、单纤准直器、偏振分光器、第一双折射棱镜Wollaston 棱镜、第二双折射棱镜Wollaston 棱镜、第一屋脊棱镜、第二屋脊棱镜、第一双纤准直器和第二双纤准直器等；其中，所述单纤准直器、偏振分光器、第一双折射棱镜Wollaston 棱镜、第二双折射棱镜Wollaston 棱镜、第一屋脊棱镜、第二屋脊棱镜、第一双纤准直器和第二双纤准直器封装在外壳内；单纤准直器、偏振分光器、两个双折射棱镜Wollaston 棱镜、两个屋脊棱镜和两个双纤准直器顺序布置；单纤准直器发出的光线与偏振分光器的入射面的夹角为90°；第一Wollaston 棱镜和第二Wollaston棱镜的入射面分别与偏振分光器射出的光线保持垂直；第一屋脊棱镜对准第一Wollaston 棱镜，第一屋脊棱镜的入射面与对准的第一Wollaston 棱镜的两束出射光线垂直，并将这两束光线汇聚到第一双纤准直器；第二屋脊棱镜对准第二Wollaston 棱镜，第二屋脊棱镜的入射面与对准的第二Wollaston 棱镜的两束出射光线垂直，并将这两束光线汇聚到第二双纤准直器8。
进一步地，所述单纤准直器与偏振分光器相距5-8mm，偏振分光器与第一双折射棱镜Wollaston 棱镜和第二双折射棱镜Wollaston 棱镜分别相距4-5mm，第一双折射棱镜Wollaston 棱镜与第一屋脊棱镜相距5mm，第二双折射棱镜Wollaston 棱镜与第二屋脊棱镜相距5mm，第一屋脊棱镜与第一双纤准直器相距7mm，第二屋脊棱镜与第二双纤准直器相距7mm。
一种应用上述分振幅测量仪的测量方法，包括以下步骤：
（1）单纤准直器将光纤中的偏振光耦合进光路中；
（2）偏振分光器将单纤准直器射出的入射偏振光分成振动方向互相垂直的p光和s光两束光，完成由一束光变为两束光的第一次分光；
（3）第一Wollaston 棱镜将偏振分光器发出的一条偏振光分为o光和e光两条不同的折射光线；第二Wollaston 棱镜将偏振分光器发出的另一条偏振光也分为o光和e光两条不同的折射光线；从而将光路扩展到四路，完成第二次分光；
（4）第一屋脊棱镜将第一Wollaston 棱镜发出的两束出射光线转换成两束具有夹角 
的光，并汇聚到第一双纤准直器；第二屋脊棱镜将第二Wollaston 棱镜发出的两束出射光线转换成两束具有夹角的光，并汇聚到第二双纤准直器；
（5）第一双纤准直器和第二双纤准直器分别输出接收的两束具有夹角的光。
本发明的有益效果是，本发明偏振光斯托克斯参量的分振幅测量仪能够测得波长在1550nm的偏振光的偏振态，可以很好的利用于光纤传输的解码过程中。为了避免光在空间光路的发散，采用了封装结构。本发明结构紧凑，体积小巧，能够实时有效的测量偏振光斯托克斯参量。
附图说明
图1是双折射晶体计算光路示意图；
图2为准直器对光路长度影响计算示意图；
图3为发明偏振光斯托克斯参量的分振幅测量仪的光路走向示意图；
图中，单纤准直器1、偏振分光器2、第一Wollaston棱镜3、第二Wollaston棱镜4、第一屋脊棱镜5、第二屋脊棱镜6、第一双纤准直器7、第二双纤准直器8。
具体实施方式
关于双折射晶体的计算，双折射棱镜采用材质为钒酸钇晶体（
）的Wollaston 棱镜。一束光正入射到该双折射晶体，分为两束光o光和e光，o光沿原方向前进，而e光的偏转角
跟晶体的光轴有关，如图1所示为双折射晶体计算光路示意图。
设双折射晶体o光的折射率为no，e光的折射率为ne，e光的偏转角为
，双折射晶体的光轴和光传播方向夹角为
，则有公式：
钒酸钇晶体（
）对于波长为1550nm光的
，
，并且
，则带入式（1）可得
，
。于是，光从双折射晶体出射时，o光和e光分开的距离d有：
光经过双折射晶体后，o光和e光需要分开足够大的距离，以保证后面分别对这两束光的处理，但它们分开的距离也不能很大，因为从（2）式可以看出d越大需要双折射晶体的长度越大，这样势必增加整个光路的工作距离，增大插入损耗。实验中我们选用了选用棱镜的大小为2×2×4.5mm的双折射晶体，所以，可以算出 。
屋脊棱镜作用是把两束平行光转换成两束具有一定夹角的光，用双纤准直器接收。所以，该屋脊棱镜的相关参数与双纤准直器接收两光线的夹角有关。本发明采用的屋脊棱镜使用BK7玻璃材料制作的，它对于1550nm波长光的折射率
。图2所示为双纤准直器造成光路长度的计算光路示意图。图中，D为入射到屋脊棱镜的两光束之间分开的距离，
为双纤准直器理论上两出射光线之间的夹角，d为屋脊棱镜出射端面到双纤准直器之间的距离。由前文的计算和分析可以知道：
，并取
，于是可以计算出：
可见，屋脊棱镜和双纤准直器之间的间距为6.8-7mm。
定标过程中，输入四个已知线性无关偏振态，测得数据后通过公式
计算得出系统米勒矩阵M即可。
得到系统矩阵后，对于输入到装置光纤传输中的任意偏振态S，通过测量得到的装置输出矩阵和已求得的系统米勒矩阵M,利用公式
就可以得到任意偏振光的斯托克斯矢量了。
如图3所示，本发明的偏振光斯托克斯参量的分振幅测量仪，包括外壳，单纤准直器1，偏振分光器2，第一双折射棱镜Wollaston 棱镜3和第二双折射棱镜Wollaston 棱镜4，第一屋脊棱镜5和第二屋脊棱镜6，第一双纤准直器7和第二双纤准直器8。
其中，单纤准直器1，偏振分光器2，第一双折射棱镜Wollaston 棱镜3和第二双折射棱镜Wollaston 棱镜4，第一屋脊棱镜5和第二屋脊棱镜6，第一双纤准直器7和第二双纤准直器8封装在外壳内。单纤准直器1、偏振分光器2、两个双折射棱镜Wollaston 棱镜、两个屋脊棱镜和两个双纤准直器顺序布置；单纤准直器1发出的光线与偏振分光器2的入射面的夹角为90°；第一Wollaston 棱镜3和第二Wollaston棱镜4的入射面分别与偏振分光器2射出的光线保持垂直；第一屋脊棱镜5对准第一Wollaston 棱镜3，第一屋脊棱镜5的入射面与对准的第一Wollaston 棱镜3的两束出射光线垂直，并将这两束光线汇聚到第一双纤准直器7；第二屋脊棱镜6对准第二Wollaston 棱镜4，第二屋脊棱镜6的入射面与对准的第二Wollaston 棱镜4的两束出射光线垂直，并将这两束光线汇聚到第二双纤准直器8。
单纤准直器1与偏振分光器2相距5-8mm，偏振分光器2与第一双折射棱镜Wollaston 棱镜3和第二双折射棱镜Wollaston 棱镜4分别相距4-5mm，第一双折射棱镜Wollaston 棱镜3与第一屋脊棱镜5相距5mm，第二双折射棱镜Wollaston 棱镜4与第二屋脊棱镜6相距5mm，第一屋脊棱镜5与第一双纤准直器7相距7mm，第二屋脊棱镜6与第二双纤准直器8相距7mm。
本发明的工作过程包括以下步骤：
1、首先通过单纤准直器1将光纤中的偏振光耦合进光路中。光纤准直器1由尾纤与自聚焦透镜精确定位而成，光纤传出的发散光通过前置的类似凸透镜变成平行光（高斯光束）。光纤中传输的光近似高斯分布，所以如果直接用它出射的光作为空间光路用，则发散角将太大，并不合适，因此要用光纤准直器将光纤出射的光转化为平行光。
2、在封装盒内部，首先对耦合进来的一束平行偏振光进行第一次分光。本发明使用带电压调控的偏振分光器2垂直接收由单纤准直器射出的平行光，通过给分光器加小于半波电压的电压，将由单纤准直器射出的入射偏振光分成振动方向互相垂直的p光和s光两束光，完成由一束光变为两束光的第一次分光。
3、以两个相同的Wollaston 棱镜分别接收射出偏振分光器2的两束偏振光，平行放置两个相同的Wollaston 棱镜，第一Wollaston 棱镜3和第二Wollaston 棱镜4的入射面都分别与偏振分光器射出的光线保持垂直；由于双折射晶体可以将入射光分为o光和e光两条不同的折射光线，所以每个Wollaston 棱镜又将接收到的入射偏振光再次分成两束，从而将光路扩展到四路，完成第二次分光。
4、屋脊棱镜作用是把两束平行光转换成两束具有一定夹角的光，用双纤准直器接收。本发明用两个相同的屋脊棱镜分别接受来自两个Wollaston 棱镜的两路偏振光，平行放置两个相同的屋脊棱镜，第一屋脊棱镜5对准第一Wollaston 棱镜3，第二屋脊棱镜6对准第二Wollaston 棱镜4，并且保持两个屋脊棱镜的入射面与对准的出射Wollaston 棱镜的两束光线垂直；这样就把每个屋脊棱镜接收的两束平行光转换成两束具有夹角
的光，分别用两个双纤准直器接收。
5、分别耦合进入两个双纤准直器的四路偏振光沿着光纤输出封装装置，可以利用已有的信号处理模块对四路光线进行处理。
Claims (3)
1.一种偏振光斯托克斯参量的分振幅测量仪，其特征在于，包括外壳、单纤准直器（1）、偏振分光器（2）、第一双折射棱镜Wollaston 棱镜（3）、第二双折射棱镜Wollaston 棱镜（4）、第一屋脊棱镜（5）、第二屋脊棱镜（6）、第一双纤准直器（7）和第二双纤准直器（8）等；其中，所述单纤准直器（1）、偏振分光器（2）、第一双折射棱镜Wollaston 棱镜（3）、第二双折射棱镜Wollaston 棱镜（4）、第一屋脊棱镜（5）、第二屋脊棱镜（6）、第一双纤准直器（7）和第二双纤准直器（8）封装在外壳内；单纤准直器（1）、偏振分光器（2）、两个双折射棱镜Wollaston 棱镜、两个屋脊棱镜和两个双纤准直器顺序布置；单纤准直器（1）发出的光线与偏振分光器（2）的入射面的夹角为90°；第一Wollaston 棱镜（3）和第二Wollaston棱镜（4）的入射面分别与偏振分光器（2）射出的光线保持垂直；第一屋脊棱镜（5）对准第一Wollaston 棱镜（3），第一屋脊棱镜（5）的入射面与对准的第一Wollaston 棱镜（3）的两束出射光线垂直，并将这两束光线汇聚到第一双纤准直器（7）；第二屋脊棱镜（6）对准第二Wollaston 棱镜（4），第二屋脊棱镜（6）的入射面与对准的第二Wollaston 棱镜（4）的两束出射光线垂直，并将这两束光线汇聚到第二双纤准直器（8）。
2.根据权利要求1所述偏振光斯托克斯参量的分振幅测量仪，其特征在于，所述单纤准直器（1）与偏振分光器（2）相距5-8mm，偏振分光器（2）与第一双折射棱镜Wollaston 棱镜（3）和第二双折射棱镜Wollaston 棱镜（4）分别相距4-5mm，第一双折射棱镜Wollaston 棱镜（3）与第一屋脊棱镜（5）相距5mm，第二双折射棱镜Wollaston 棱镜（4）与第二屋脊棱镜（6）相距5mm，第一屋脊棱镜（5）与第一双纤准直器（7）相距7mm，第二屋脊棱镜（6）与第二双纤准直器（8）相距7mm。
3.一种应用权利要求1所述分振幅测量仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）单纤准直器（1）将光纤中的偏振光耦合进光路中；
（2）偏振分光器（2）将单纤准直器射出的入射偏振光分成振动方向互相垂直的p光和s光两束光，完成由一束光变为两束光的第一次分光；
（3）第一Wollaston 棱镜（3）将偏振分光器（2）发出的一条偏振光分为o光和e光两条不同的折射光线；第二Wollaston 棱镜（4）将偏振分光器（2）发出的另一条偏振光也分为o光和e光两条不同的折射光线；从而将光路扩展到四路，完成第二次分光；
（4）第一屋脊棱镜（5）将第一Wollaston 棱镜（3）发出的两束出射光线转换成两束具有夹角 
的光，并汇聚到第一双纤准直器（7）；第二屋脊棱镜（6）将第二Wollaston 棱镜（4）发出的两束出射光线转换成两束具有夹角
的光，并汇聚到第二双纤准直器（8）；
（5）第一双纤准直器（7）和第二双纤准直器（8）分别输出接收的两束具有夹角
的光。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20111221 |