CN102933944B - 用于偏振测量的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
提出了一种用于测量光束的偏振的系统和方法。该系统被配置成并且可操作地用于确定沿着输入光束的横截面的偏振式样，并且该系统包括光学系统和像素矩阵。光学系统包括偏振分束组件，偏振分束组件被配置成并且可操作地用于将输入光束分成预定数目的彼此之间具有预定偏振关系的光束分量，偏振分束组件包括第一偏振分束器和双折射元件，第一偏振分束器位于输入光束的光路中，用于将所述输入光束分成彼此之间具有特定偏振关系的第一多个光束分量，双折射元件位于所述第一多个光束分量的光路中，用于将第一多个光束分量中的每个光束分量分成一对具有寻常偏振和非寻常偏振的光束，由此生成所述预定数目的输出光束分量。像素矩阵位于所述输出光束分量的基本上不相交的光路中，并且生成分别表示所述输出光束分量内的强度分布的输出数据片，包含在所述数据片中的数据表示沿着输入光束的横截面的偏振式样。
Description
技术领域
本发明涉及偏振测量领域并且涉及利用将光束分成多个光束分量来测量光束的偏振的系统和方法。
参考文献
以下是可用于更好地理解本发明的背景的参考文献的列表。
[1]G.P.Nordin,J.T.Meier，P.C.Deguzman,and M.W.Jones,”Micropolarizer array for infrared imaging polarimetry”,J.Opt.Soc.Am.A16,1168(1999).
[2]M.Mujat and A.Dogariu,”Real-time measurement of thepolarization transfer function”,Appl.Opt.40,34,(2001).
[3]D.Martino,E.Garcia-Caurel,B.Laude,and B.Drvillon,”General methods for optimized design and calibration of Mueller polarimeters”,Thin Solid Films 112,455(2004).
[4]F.Gori,”Measuring Stokes parameters by means of a polarization grating”,Opt.Lett.24,584(1999).
[5]G.Biener，A.Niv，V.Kleiner，and E.Hasman,”Near-field Fourier transform polarimetry by use of a discrete space-variant subwavelength grating”,J.Opt.Soc.Am.A20,1940(2003).
[6]J.Kim,D.E.Kim,”Measurement of the degree of polarization of the spectra from laser produced recombining Al plasmas”,Phys.Rev.E.66,017401(2002).
[7]M.Fridman,G.Machavariani,N.Davidson,and A.A.Friesem,”Fiber lasers generating radially and azimuthally polarized light”Appl.Phys.Lett.93,191104(2008).
[8]R.Oron,S.Blit,N.Davidson,A.A.Friesem,Z.Bomzon and E.Hasman,”The formation of laser beams with pure azimuthalor radial polarization”,Appl.Phys.Lett.77,3322(2000).
背景技术
许多分析应用需要进行光束的偏振测量。这样的偏振测量技术，通常被称为光偏振测量法，尤其被使用在椭圆偏光法、生物影像以及成像偏振测量中。
光束的一般偏振态可以通过斯托克斯（Stokes）参数来限定。斯托克斯参数是描述光束的偏振态或一般地作为相干或非相干辐射的电磁辐射的偏振态的一组四个值。用于确定由斯托克斯参数表示的光束的偏振态的若干常用方法基于：对传输通过跟随有检偏器的旋转的四分之一波片的光束的时间相关信号进行测量。偏振态可以通过对检测到的输出信号进行傅里叶分析来确定[1]。已开发有目的在于提供更快速和更简单的偏振测量技术的其他方法。这样的方法基于四路起偏器[2]并且使用将输入光束分成四路的分束器。通过利用不同起偏光学器件来分析每个分离的光束分量，并且根据四个分离的光束的测量到的强度来计算输入光束的偏振态。然而，这些技术需要多个起偏器并且还具有如下事实：它们只能提供具有均匀偏振的光束的偏振测量[3]。
例如，美国专利5,298,972描述了一种包括偏振光源和光偏振仪的仪器，其中，偏振光源用于生成光束的三个连续的预定偏振态，光偏振仪用于测量通过光网络发射或从光网络反射的部分光束的偏振。根据该技术，光束被分成四束，其中三束通过光学元件，并且测量全部四束光束的透射强度以用于计算斯托克斯参数。光束通过单模光纤进入光偏振仪，该单模光纤用作用于控制光束相对于光学元件的位置和对准的空间滤波器。由该光纤引起的光束偏振的失真通过引入两个不同的线偏振光束和测量用于创建校准矩阵的斯托克斯参数来校正，该校准矩阵被求逆并且多次乘以后续测量的所测斯托克斯参数，以得到实际的斯托克斯参数。三个连续的预定偏振态产生三个相应的琼斯输入矢量，并且用于光网络的响应的斯托克斯参数转变为三个琼斯输出矢量。然后根据琼斯输入和输出矢量来计算光网络的在复数型常数内的琼斯矩阵。可以根据用于光网络的该矩阵来确定相对偏振灵敏度。由光网络引起的相对失真可以通过乘以通过光网络的随后测量期间的矩阵的逆来校正。此外，在光网络上的功率测量和合适的替换能够得到绝对的测定和校正。
US 5,227,623描述了一种包括偏振光源和光偏振仪的设备，其中，偏振光源用于在至少两个波长的每个波长处产生光束的三个连续的预定偏振态，光偏振仪用于通过如下方式来测量由光网络发射或反射的光束的在各个波长处的部分的偏振：将光束分成四束；使其中三束通过光学元件；测量全部四束光束的透射强度；以及计算斯托克斯参数。在每个波长处的三个连续的预定偏振态产生每个波长处的三个相应琼斯输入矢量，并且光网络的响应的斯托克斯参数被转换成在每个波长处的三个琼斯输出矢量。然后根据琼斯输入和在每个波长处的输出矢量来计算光网络的在复数型常数内的琼斯矩阵。根据这矩阵来确定在光网络中的偏振模式色散。
近来，已经开发了新的方法，其提供用于测量光束的空间变化偏振式样的能力。这样的偏振测定技术中的某些技术采用偏振光栅和起偏器[4]。适用性的理论研究和实验证明示出了对亚波长介质光栅的使用[5]。其他最近开发的技术涉及使用方解石晶体来将输入光束分成具有两个正交偏振的光束分量。这两个分量具有相对于方解石晶体的轴线的寻常和非寻常偏振，并且它们被导向不同的检测器以获得实时偏振测量[6]。
US 7,679,744提供了一种斯托克斯参数测量装置和斯托克斯测量方法。该斯托克斯测量装置包括：偏振分光装置和光接收部分，偏振分光装置包括由双折射晶体材料形成的光学元件，并且偏振分光装置借助于该光学元件来将待测信号光分成多个偏振光束并且调节所述多个偏振光束中的一个或多个偏振光束的偏振态，光接收部分用于对被偏振分光装置分束并从偏振分光装置出射的信号光的光分量进行光电转换。
上述偏振测量技术以及当前现有的偏振测量系统基于结合偏振元件在一个测量到下一个测量之间的机械旋转的若干次连续测量，因此是昂贵的、复杂的和缓慢的[7]。
发明内容
在现有技术中，存在对能够实时提供关于光束的完整偏振态（即随空间变化的偏振和/或随波长变化的偏振）信息的新的偏振测量技术的需求。本发明提供了一种用于实时确定光束的随空间变化的偏振式样的新方法，即，能够测量沿着光束的横截面的偏振分布（式样）的技术。此外，该测量对于横截光束的偏振态的时间变化比较敏感。
本发明的技术提供了一种用于对具有不均匀偏振分布的光束（如径向偏振光束和角向偏振光束）进行偏振测量的系统和方法。本发明能够提供任何一般或随机偏振光束的随时间变化的偏振式样。具有随空间和时间变化的偏振态的光束在例如显微术、材料加工、粒子捕获和加速、激光放大以及偏振加密应用的各个应用领域中非常有用。
本发明的偏振测量技术基于将输入光束分成预定数目的基本平行的光束分量，每个光束分量相对于其他光束分量在偏振态上具有预定的变化。使用像素矩阵（如CCD相机）来同时检测光束分量，以确定在每个光束分量内的强度分布。根据利用斯托克斯参数的确定而检测到的光束分量的强度分布来实时确定沿着输入光束的横截面的偏振态分布。
可以通过沿着光束横截面的斯托克斯参数分布来描述输入光束的偏振态。斯托克斯参数是描述电磁辐射的偏振态的一组四个值，通常用矢量（S0，S1，S2，S3）表示。根据本发明，根据由像素矩阵检测的横截预定数目的分离的光束分量中的每个分量的强度分布来确定沿着输入光束的横截面的每个点（图像像素）的斯托克斯参数矢量。
输入光束通过第一偏振分束器被分成特定数目（优选地为3）的光束分量，第一偏振分束器被配置成在分离光束时中在每个分离的光束分量上施加不同的偏振旋转。在三个分离的光束分量的光路中设置有双折射元件（如方解石晶体），并且双折射元件被配置成将这些光束分量中的每个分量进一步分成具有相对于双折射元件的轴线的寻常偏振和非寻常偏振的一对空间上分离的输出光束分量。通过位于所述光束分量的光路中的像素矩阵来检测在每个输出光束分量内的强度分布。可以根据由像素矩阵检测的输出光束分量的强度分布来确定表示输入光束的偏振分布的斯托克斯参数分布。可以根据以所述像素矩阵的帧频检测的输出光束分量的强度分布来确定输入光束的时间相关偏振态。
本发明也可以提供作为波长的函数的偏振测量。这可以通过利用位于第一偏振分束器与双折射元件之间的将输入光束的不同波长分量在空间上分离的光栅来实现。可以使用位于第一偏振分束器的上游的狭缝来获得输入光束的波长相关偏振分布和一维变化偏振分布。
根据本发明的一个主要方面，提供了一种用于测量光束的偏振的系统，其中该系统被配置成并且可操作地用于确定沿着输入光束的横截面的偏振式样。该系统包括光学系统和像素矩阵，光学系统包括偏振分光组件。偏振分光组件被配置成并且可操作地用于将输入光束分成预定数目的、彼此之间具有预定偏振关系的光束分量。偏振分光组件包括第一偏振分束器和双折射元件，其中，第一偏振分束器位于输入光束的光路中，用于将输入光束分成彼此之间具有特定偏振关系的第一多个光束分量，双折射元件位于所述第一多个光束分量的光路中，用于将所述第一多个光束分量中的每个分量分成一对寻常和非寻常偏振分量，由此生成所述预定数目的输出光束分量。像素矩阵检测入射到其上的光束内的强度分布。像素矩阵位于输出光束分量的基本上不相交的光路中，并且生成分别表示在检测到的输出光束分量内的强度分布的输出数据片。包含在这些数据片中的数据表示沿着输入光束的横截面的偏振式样。
该系统与能够连接到像素矩阵的输出的控制单元相关联，控制单元被配置成并且可操作地用于：接收测量数据（多个数据片）；分析在每个输出光束分量内的强度分布；以及确定输入光束的表示光束的偏振式样的斯托克斯参数。
优选地，该系统生成六个输出光束分量。第一偏振分束器被配置成并且可操作地用于从输入光束生成具有不同偏振的在空间上分离的三个光束分量。
所确定的偏振式样可以对应于在输入光束的横截面内的偏振分量的空间变化和时间变化。
在本发明的一些实施方式中，第一偏振分束器包括容纳在与传播通过系统的光的光轴相交的间隔开的基本平行的平面中的第一反射表面和第二反射表面。第一反射表面是部分反射的并且具有位于输入光束的光路中的部分，由此将输入光束分成透射通过所述第一偏振分束器并朝向双折射元件的第一部分和朝向第二反射表面反射的第二部分。第二反射表面具有相对高的反射率并且将所述第二光束部分朝向第一反射表面一部分反射。第一反射表面和第二反射表面由此共同操作，以依次对部分所述输入光束进行反射并将其分成沿着空间上分离的光路传播到双折射元件的所述第一多个光束分量。
在本发明的一些实施方式中，第一偏振分束器包括具有平行的第一侧面和第二侧面的光学透明板，第一侧面和第二侧面至少部分地涂覆有限定所述第一反射表面和第二反射表面的反射涂层。光学透明板的第一侧面涂覆有提供部分反射表面的涂层，并且光学透明板的第一侧面具有位于输入光束的光路中的部分，由此将输入光束分成透射通过所述第一偏振分束器并朝向双折射元件的第一部分和朝向第二反射表面反射的第二部分。光学透明板的第二侧面包括涂覆有提供高反射表面的涂层的部分。所述光学透明板的第一被涂覆的表面和第二被涂覆的表面由此依次对部分所述输入光束进行反射并其分成沿着空间上分离的光路传播到双折射元件的所述第一多个光束分量。在一些其他实施方式中，第一反射表面和第二反射表面由独立的间隔开的元件（镜）构成。
在一些实施方式中，第一表面和第二表面位于与光轴形成预定角度的平面中，由此引起与所述第一表面和第二表面相互作用的光束分量的偏振旋转，以及由此产生在第一多个光束分量中的光束分量之间的所述预定偏振关系。所述预定角度可以是88°或33°。在一些其他实施方式中，第一偏振分束器包括位于所述第一反射表面和第二反射表面之间的偏振旋转器（例如，相对于光轴以某一角度定位的四分之一波片），以由此提供从第一偏振分束器出来并朝向双折射元件的光束分量之间的所述偏振旋转。在这些实施方式的任一个中，光束与第一偏振分束器的相互作用导致每个相互作用的光束分量的偏振分量之间的光学延迟，从而在实际上引起从第一偏振分束器出来的每两个局部相邻的光束分量之间的偏振旋转以及进而的偏振差。例如，λ/4的光学延迟对应于光束的偏振分量之间的π/2的相位差。
在一些实施方式中，系统包括位于第一偏振分束器和双折射元件之间的光栅，该光栅被配置成对输入光束的不同波长进行衍射。优选地，在光束分量的从光栅传播到双折射元件的光路中设置有聚焦透镜组件。此外，系统可以包括位于输入光束的光路中的狭缝（孔）。
根据本发明的另一个主要方面，提供了一种用于测量沿着光束的横截面的偏振式样的光学装置，该光学装置包括偏振分束组件，该偏振分束组件被配置成并且可操作地用于将光束分成彼此之间具有预定偏振关系的六个光束分量，该偏振分束组件包括第一偏振分束器和双折射元件，第一偏振分束器位于所述光束的光路中，并且被配置成用于将所述光束分成沿着三路间隔开的基本平行的光路传播的彼此之间具有特定偏振关系的三个在空间上的分离的光束分量，双折射元件位于所述三路间隔开的基本平行的光路中，用于将所述三个光束分量中的每个分量分成一对寻常和非寻常偏振分量，由此生成所述六个光束分量。在光束的所述六个光束分量内的强度分布表示沿着所述光束的横截面的偏振式样。
根据本发明的又一个方面，提供了一种用于测量光束的偏振的方法，该方法包括：将光束分成在对与对之间具有预定偏振关系的三对光束分量，每对光束分量包括寻常振分量和非寻常偏振分量；测量所述六个光束分量中的每个分量内的强度分布；分析所述六个光束分量的强度分布；以及确定沿着光束的横截面的偏振式样。
附图说明
为了理解本发明和了解本发明如何在实际中实现，现在将参照附图并仅通过非限制性示例来对实施方式进行描述，其中：
图1以框图的方式示出了根据本发明的、用于进行空间变化偏振测量的系统；
图2A和图2B示出了根据本发明的实施方式的偏振测量系统的两个示例，其中，在图2A的系统中，通过在透明板的相反两侧面的反射涂层来实现反射表面，在图2B的系统中，反射表面是间隔开的独立元件；
图3A-3C和图4A-4C示出了使用本发明的偏振测量系统的光束偏振测量的输出，其中，图3A-3C示出了输出光束分量的强度分布，图4A-4C示出了第一平面（水平的）中的线偏振的所计算的斯托克斯参数（图3A和图4A）、相对于第一平面呈45°的第二平面中的线偏振的所计算的斯托克斯参数（图3B和图4B）以及圆偏振的所计算的斯托克斯参数（图3C和图4C）；
图5示出了根据本发明的另一个实施方式的偏振测量系统；
图6A至图6C示出了仿真的斯托克斯参数（图6A）、斯托克斯参数的实验结果（图6B）以及偏振图（图6C），其全部针对径向偏振光束；
图7A至图7C示出了仿真的斯托克斯参数（图7A）、斯托克斯参数的实验结果（图7B）以及偏振图（图7C），其全部针对角向偏振光束；
图8示出了由根据本发明配置的系统测量的输入光束的随时间变化的偏振态；
图9示出了根据本发明的实施方式的针对随波长变化的偏振的偏振测量装置；
图10A至10D示出于使用偏振照明进行成像的实验结果；以及
图11A至11B示出了具有两个波长的激光的波长相关偏振态的测量。
具体实施方式
参照图1，图1示出了本发明的用于输入光束10的随空间和时间变化的偏振测量的系统100的框图。系统100被配置成并且可操作地用于确定沿着输入光束10的横截面的偏振式样。系统100包括偏振分束组件50和像素矩阵60。偏振分束组件50被配置成并且可操作地用于将输入光束10分成预定数目的、彼此之间具有预定偏振关系的光束分量。像素矩阵60位于输出光束分量的基本不相交的光路中，并且接收所分离的光束分量以及检测它们每个的强度分布。像素矩阵60产生分别表示输出光束分量内的强度分布的相应数目的输出数据片。包含在这些数据片中的数据表示沿着输入光束的横截面的偏振式样。
如图所示，偏振分束组件50将输入光束10分成预定数目的光束分量I1至In，光束分量I1至In之间具有相对于限定线偏振的预定轴（垂直轴和水平轴）的预定偏振关系。所分离的光束分量I1至In由设置在输出光束分量的光路中的一个或多个像素矩阵60检测。通过分析对应于所述多个光束分量I1至In中的每个分量的检测到的强度分布的数据片来确定输入光束10的偏振态。为此，系统100与控制单元80相关联（例如将控制单元包括成其构成部分或具有用于通过有线或无线信号传输连接至外部控制单元的通信端口）。控制单元80为典型的计算机系统，该计算机系统尤其包括被进行预编程以执行如下功能的数据处理和分析应用程序：接收每个对应于光束内的强度分布的多个数据片；处理这些数据片；确定生成这些光束分量的输入光束的斯托克斯参数；以及生成表示其的输出数据。输出数据可以是越过该光束的斯托克斯参数分布的形式或横截该光束的偏振式样的形式。
根据本发明的一些实施方式，偏振分束组件50包括第一偏振分束器和双折射元件。参照图2A和图2B，每一个均示例性地示出了具有这样的偏振分光组件50的偏振测量系统100，其中所述偏振分光组件50包括第一偏振分束器52和双折射元件54，如方解石晶体。偏振分束器52限定容纳在与通过系统的光传播的光轴相交的、间隔开的基本平行的板中的两个反射表面。在图2A的示例中，这样的间隔开的反射表面由在共用透明元件的相反两侧的反射涂层构成。更具体地，偏振分束器52是两侧都涂覆有反射涂层的透明板，以形成部分反射表面52A和高反射表面52B。在图2B的示例中，间隔开的反射表面是由分离的元件构成。更具体地，偏振分束器52包括一对间隔开的反射元件，它们位于沿着通过系统的光传播的方向以间隔开的关系布置的基本平行的板中。
在这两个示例中，第一反射表面52a是部分反射的（光束的大约80-98%被反射），而第二表面52b是高反射的（几乎100%反射）。所述两个间隔开的基本平行的反射表面定位在输入光束10的光路中，并且相对于由输入光束传播轴限定的光传播光轴倾斜特定角度。光束与这样的具有不同反射率的反射表面的布置的相互作用在光束与部分反射表面相互作用期间导致光束分离，以及导致光束在与两个反射表面中的任一个相互作用处的偏振旋转。更具体地，光束与倾斜的反射表面的相互作用向正被分离的光束施加在横向电（TE）偏振分量和横向磁（TM）偏振分量之间或在水平偏振分量和垂直偏振分量之间的光学延迟（其施加相位差）。
应当注意的是，偏振旋转是在光束的不同的偏振分量之间的光学延迟的结果。λ/4的光学延迟由不同偏振分量之间的π/2的相位差来表现。此处使用术语“相位差”（例如λ/4的相位差）来定义光学延迟，以便增强清晰度。
如该示例所示，沿着光轴传播的输入光束照射到部分反射表面52a上并且被分成透射通过表面52a朝向双折射元件54且具有与输入光束10相同的偏振的第一光束分量12以及从表面52朝向第二反射表面52b反射且被第二反射表面52b反射回表面52a的第二光束分量14。倾斜表面52a和52b对光束的依次反射导致垂直偏振分量和水平偏振分量之间的λ/4的相位差。对于根据本发明的技术的所测量的斯托克斯参数，λ/4的光学延迟（偏振分量之间的相位差）产生最佳信噪声比。然而，偏振分量之间的相位差（光学延迟）可以在λ/4附近，如λ/3或λ/5，然而这些配置要求对斯托克斯参数的确定过程进行某些修改。当光束分量14与表面52a相互作用时，光束分量14被分成部分透射到双折射元件54的光束分量14和部分被反射到表面52b且被表面52b反射到表面52a而表面52a又将其部分透射到双折射元件54的光束分量16。在一些配置中，反射表面（第一偏振分束器52）的倾斜角使得每次反射在横向电（TE）偏振分量和横向磁（TM）偏振分量之间施加λ/8的相位差，例如在两次反射后施加λ/4的相位差。其他配置可以设置不同的倾斜角，使得每次反射在偏振分量之间施加λ/16的相位差。在这些配置中，只使用奇数透射分量，而且可以使用掩模56来阻挡偶数透射光束分量。光束与表面52a和52b的这些依次相互作用导致第三光束分量16在两个偏振分量之间积累λ/2的相位差。这样产生的具有不同的偏振态的三个基本平行的光束分量12、14和16传播通过双折射元件54，双折射元件54将这些光束分量分成寻常（ordinary）偏振分量和非寻常（extraordinary）偏振分量。因此，双折射元件54将三个入射光束分量分成六个输出光束I1至I6，其中光束I1和I2是光束12的寻常偏振分量和非寻常偏振分量，光束I3和I2是光束14的寻常偏振分量和非寻常偏振分量，光束I5和I6是光束16的寻常偏振分量和非寻常偏振分量。
因此，在本示例中，偏振分束器52限定两个间隔开的反射表面52a和52b。这可以通过在光学透明板52的两个相反的壁上设置合适的反射涂层（例如银涂层）来实现。涂层52a被设置为具有大约80%-98%的反射率的部分反射，例如90%的反射率。相反壁的涂层52b仅覆盖所述壁的一部分以允许输入光束10传播通过所述壁，并且涂层52b被设置成具有几乎100%的反射。因此，输入光束10传播通过透明壁的无涂层区域，并且当与部分反射涂层52a相互作用时输入光束10在透明板的内部来回反射，从而形成透射通过部分反射涂层52a到达双折射元件的多个平行的分离光束分量。
如上所述，对反射表面52a和52b相对于光轴的倾斜角进行选择，以在输入光束10的从偏振分光器52出来的偏振分量之间施加合适的相位差。例如，基于耦合波分析，发明人已发现：在图2A的配置中，当使用涂覆有金的反射表面时，将反射表面52a和52b相对于光轴的倾斜角设置为33°导致从偏振分束器52出来的每个输出光束的TE偏振分量和ME偏振分量之间具有λ/16的相位差。在该配置中，用于偏振测量的这三个分离的光束分量仅是透射通过第一反射表面52a朝向双折射元件54的奇数光束分量，并且掩模56用于阻挡不期望的偶数透射光束分量。使用相对于光轴具有88°倾斜角的相同配置导致在TE偏振分量和ME偏振分量之间具有λ/8的相位差，因此需要在偏振分束器52内部进行较少次数的反射，以在光束分量12、14和16之间施加合适的偏振差。使用图2B的配置可以实现相同效果，即，利用一对间隔开的反射表面52a和52b以及采用68°的倾斜角。
应当注意的是，根据表面52a和52b的反射涂层和所使用的透明板（使用图2A的配置）的折射率，确切的倾斜角可以不同。此外，当每次反射时施加在输入光束的TE和TM偏振模式上的相位差会依赖（尽管非常微弱）输入光束的波长。
六个输出光束I1至I6入射到像素矩阵60如CCD相机的感光表面的相应的间隔开的区域上。像素矩阵（测量数据MD）的电输出包含六个数据片，每个数据片表示沿着相应输出光束分量的横截面的强度分布。输出光束分量的强度分布的测量数据MD被传送到控制单元（图1中的80），该控制单元对该数据进行处理以确定输入光束10的偏振态，这将在下文进一步进行描述。
图3A至3C示出了针对环形输入光束的水平线偏振（图3A）、45°线偏振（图3B）以及圆偏振（图3C）的六个输出光束I1-I6的三幅图像。图4A至4C示出了相应的斯托克斯参数分布。
控制单元（图1中的80）接收表示图3A-3C的图像的测量数据并且对该数据进行处理来确定斯托克斯参数。在输入光束的横截面内的任一点（x，y）处的斯托克斯参数可以根据下组等式从输出光束分量来确定：
S0(x，y)＝I1(x，y)+αI2(x，y) (1)
S1(x，y)＝I1(x，y)-αI2(x，y) (2)
S2(x，y)＝βI5(x，y)-βαI6(x，y)(3)
此处，S0(x，y)为输入光束的强度分布，S1(x，y)，S2(x，y)以及S3(x，y)指定在输入光束的横截面内的每个点处的偏振态分布；I1和I2为第一光束分量12的寻常偏振分量和非寻常偏振分量的强度分布；I3和I4为光束分量14的寻常偏振分量和非寻常偏振分量；I5和I6为光束分量16的寻常偏振分量和非寻常偏振分量；以及α、β及γ为归一化常数，该归一化常数通过以下等式获得：
I1(x,y)＝αI2(x,y),I3(x,y)＝αI4(x,y)和I5(x,y)＝αI6(x,y)（5）以及
I1(x，y)+αI2(x，y)＝γ[I3(x，y)＝αI4(x，y)]＝ (6)
＝β[I5(x，y)＝αI6(x，y)]
归一化参数α、β及γ也可以是空间相关的，以说明更复杂或不均匀的光束和/或在光学构造或像素矩阵中的不均匀性。
图4A-4C示出了所确定的斯托克斯参数。如所预期的，对于水平线偏振（图4A），观察到大部分光强度在斯托克斯参数S1中。具有45°线偏振（图4B）的输入光束的测量示出了大部分光强度集中在斯托克斯参数S2中，而对于圆偏振输入光束来说，观察到大部分强度在S3中（图4C）。该装置在不对应于被校准光束的已知偏振的其他斯托克斯参数中产生小于1%的不期望的残余强度，因而提供小于1%的估计误差。
现在参照图5，图5示出了根据本发明的偏振测量系统100的另一个示例。为了帮助理解，在所有示例中，相同的附图标记用于识别相同的部件。在本示例中，偏振分束器52包括：布置在间隔开的基本平行的平面中的第一部分反射元件（镜）52a和第二高反射元件（镜）52b以及位于两个镜之间的四分之一波片53，并且四分之一波片53基本与两个镜平行。当与偏振分束器52（镜52a和52b以及偏振旋转器53）相互作用时输入光束10被分成具有不同偏振的朝向双折射元件54传播的三个平行光束分量12、14和16。偏振分束器52被定位成相对于由输入光束传播限定的光轴呈小角度（典型地小于10°）。该角相对地小以便使由于反射镜所引起的光束偏振的变化最小化，使得期望的偏振差主要由通过偏振旋转器53的光束分量引起。位于三个光束分量12、14和16的光路中的双折射元件54被布置成使得其主轴线相对于四分之一波片53的轴线倾斜22.5°的角度。双折射元件54将光束分量12、14和16中的每个分量分成一对寻常和非寻常偏振分量，从而产生由像素矩阵60进行检测的具有不同偏振的六个输出光束分量I1至I6。
在图6A-6C和图7A-7C中示出了径向和角向偏振光束的偏振测量。这些图示出了针对径向偏振光束（图6A-6C）和角向偏振光束（图7A-7C）的斯托克斯参数仿真分布（图6A和图7A）、根据本发明测量的斯托克斯参数（图6B和图7B）、以及偏振分布的仿真矢量图（图6C和图7C）。在仿真和实验的斯托克斯参数之间的差异可能由任何实际光学系统中的非理想性引起。
如上所述，本发明的用于偏振测量的技术还可以提供输入光束的随时间变化的偏振式样。构成像素矩阵60的普通CCD相机可以提供测量之间最快达10ms的测量速率。使用更快速的相机（更高的帧频）可以提供具有更高时间分辨率的测量。
图8示例性地示出了利用本发明的系统测量的、在归一化Poincare球上作为时间的函数示出的在输入光束的横截面内的三个点P1-P3处的斯托克斯参数的轨迹。在本示例中，输入光束是透射通过具有0.07的数值孔径、22μm的芯直径以及125μm的包层直径的大模面积光纤放大器的径向偏振光束。当放大器接入时，在光纤放大器中的热和应力的变化引起光束的偏振变化。本发明的系统使用具有10ms帧频的CCD相机来测量输入光束的偏振态。
现在参照图9，图9示出了根据本发明的另一个实施方式配置的用于获得作为波长的函数而不是作为横截光束的空间坐标的函数的实时偏振态的偏振测量装置110。类似于上述示例，系统110包括第一偏振分束器52（被配置成上述参照图2所描述的）、双折射元件54以及像素矩阵60。在系统110中还设置了位于从偏振分束器52传播的光束分量12、14和16的光路中的光栅70以及在从光栅70传播至双折射元件54的光的光路中的聚焦透镜阵列75。入射到双折射元件上的光束分量对应于输入光束的光谱。双折射元件54将每一个入射光束分量分成寻常偏振分量和非寻常偏振分量，由此产生由像素矩阵60检测的六个输入光束分量I1-I6。像素矩阵的输出表示包含了表现出六个不同偏振分量的光谱的六个数据片的测量数据。可以根据上述等式1-4通过六个检测到的光谱来确定输入光束中的每个波长的偏振态。
图9所示的实施方式还可以被配置成用于进行沿着一维度的随空间变化和随波长变化的偏振测量。这可以通过在输入光束10的光路中设置狭缝58来完成。在本配置中，狭缝58仅允许输入光束的横截面的狭窄的带进入系统，这产生对应于输入光束10的光谱和空间变化两者的输出强度分布。
为了证明本发明在空间变化偏振测量中的能力，本发明人已经完成一系列实验，利用透射通过具有裂纹的耐压玻璃板的线偏振光作为输入。玻璃中的裂纹和应力在TE和TM偏振之间施加了相移，由此影响输入光的偏振态。在横截光束的每个点处的完整偏振态通过根据本发明配置的系统来测量。图10A至10D示出了根据横截该板的三个斯托克斯参数进行成像将具有裂纹的玻璃板成像的实验结果。图10A示出了具有裂纹的玻璃板的图像，图10B至10D分别示出了通过计算斯托克斯参数S1至S3而接收的玻璃板的图像。这些图示出了在圆偏振照明（对应于斯托克斯参数S3）中具有较强对比度的应力线，表明当透射通过玻璃板时输入线偏振光被转变成圆偏振光。图11A-11B示出了波长变化的偏振测量。这些图示出了来自光纤激光器的具有两个激射波长的光的光谱（图11A）以及在归一化庞加莱（Poincare）球上的相应偏振态（图11B）。测量系统以类似于如图9所示的方式进行配置，采用了插在第一偏振分束器52与双折射元件54之间的光栅70。光栅70产生在输出光束分量上的波长并且提供CCD处的光谱图像，由此可以同时确定在每个具体波长处的偏振。这个改进的配置能够测量从光纤放大器出来的具有两个波长的光的作为时间的函数的偏振态。图11A和图11B示出了在特定时刻的结果，图11A示出了来自光纤激光器的光的光谱，其中两个激射波长用λ1和λ2表示，图11B示出了在归一化的Poincare球上的相应偏振态。这两个激射波长被发现处于Poincare球上的对映点处，表明它们的偏振态是正交的。
因此，本发明提供了用于实时测量单色、多色或无色光束的空间变化偏振的紧凑系统配置。本发明的技术被提供来用于以98.5%的准确度获得在输入光束的每个点或每个波长处的完整偏振态。该配置同时还可以测量空间变化偏振态和波长变化偏振态。
Claims (17)
1.一种用于测量光束的偏振的系统，其中，
所述系统限定通过所述系统的光传播的光轴，以及被配置成并且可操作地用于确定沿着输入光束的横截面的偏振式样，并且所述系统包括光学系统和像素矩阵，
所述光学系统包括偏振分束组件，所述偏振分束组件被配置成并且可操作地用于将所述输入光束分成预定数目的、彼此之间具有预定偏振关系的光束分量，所述偏振分束组件包括第一偏振分束器和双折射元件，其中所述第一偏振分束器位于所述输入光束的光路中，用于将所述输入光束分成彼此之间具有特定偏振关系的第一多个光束分量，所述双折射元件位于所述第一多个光束分量的光路中，用于将所述第一多个光束分量中的每个分量分成一对具有寻常偏振和非寻常偏振的光束，由此产生所述预定数目的输出光束分量，所述第一偏振分束器包括容纳在与通过所述系统的光传播的光轴相交的间隔开的平行的平面中的第一反射表面和第二反射表面，所述第一反射表面是部分反射的并且具有位于输入光束的光路中的部分，由此将所述输入光束分成朝向所述双折射元件透射通过所述第一偏振分束器的第一部分和朝向所述第二反射表面反射的第二部分，所述第二反射表面是相对高反射的并且将所述输入光束的所述第二部分朝向所述第一反射表面的一部分反射，所述第一反射表面和所述第二反射表面由此一起操作以依次对部分所述输入光束进行反射并将其分成沿着空间上分离的光路传播到所述双折射元件的所述第一多个光束分量；以及
所述像素矩阵用于检测入射到其上的光束内的强度分布，所述像素矩阵位于所述输出光束分量的不相交的光路中并生成分别表示在所述输出光束分量内的强度分布的相应数目的输出数据片，包含在所述数据片中的数据表示沿着输入光束的横截面的偏振式样。
2.根据权利要求1所述的系统，包括能够连接至所述像素矩阵的输出的控制单元，所述控制单元被配置成并且可操作地用于接收所述数据片，分析在每个输出光束分量内的强度分布，确定输入光束的表示所述偏振式样的斯托克斯参数。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，输出光束分量的所述预定数目为6。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一偏振分束器被配置成并且可操作地用于从输入光束生成包括三个光束分量的所述第一多个光束分量。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述偏振式样对应于在输入光束的横截面内的偏振分量的空间变化和时间变化。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一反射表面和所述第二反射表面位于与光轴形成预定角度的平面中，由此引起与所述第一反射表面和所述第二反射表面相互作用的光束分量的偏振旋转，以及由此产生在所述第一多个光束分量中的光束分量之间的所述预定偏振关系。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，与反射表面的所述相互作用向光束分量施加偏振旋转，使得从所述第一反射表面和所述第二反射表面朝向所述双折射元件传播的光束分量包括在两个局部相邻的光束分量的偏振分量之间具有λ/4的光学延迟的所述多个光束分量。
8.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一偏振分束器包括具有第一相对平行侧面和第二相对平行侧面的光学透明板，其中所述第一相对平行侧面和所述第二相对平行侧面至少部分地涂覆有限定所述第一反射表面和所述第二反射表面的反射涂层。
9.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一反射表面和所述第二反射表面是两个间隔开的独立元件的表面。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一偏振分束器包括位于所述第一反射表面和所述第二反射表面之间的偏振旋转器，以由此提供从所述第一偏振分束器出来朝向所述双折射元件的光束分量之间的所述偏振关系。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述偏振旋转器包括相对于光轴以某一角度定向的四分之一波片，并且所述四分之一波片被配置成针对每对局部相邻的光束分量施加对应于λ/4的相位差。
12.根据权利要求1或2所述的系统，包括位于所述第一偏振分束器和所述双折射元件之间的光栅，所述光栅被配置成对所述输入光束的不同波长进行衍射，以使得能够实现对应于所述输入光束的不同波长的偏振测量。
13.根据权利要求12所述的系统，包括在光束分量的从所述光栅传播到所述双折射元件的光路中的聚焦透镜组件。
14.根据权利要求12所述的系统，包括位于输入光束的光路中的狭缝。
15.根据权利要求3所述的系统，包括能够连接至像素矩阵的输出的控制单元，所述控制单元被配置成并且可操作地用于：接收所述数据片；分析在每个输出光束分量内的强度分布；并且确定输入光束的表示所述偏振式样的斯托克斯参数，在输入光束的横截面内的任意点(x,y)处的斯托克斯参数根据下组等式通过输出光束分量来确定：
S0(x，y)＝I1(x，y)+αI2(x，y) (1)
S1(x，y)＝I1(x，y)-αI2(x，y) (2)
S2(x，y)＝βI5(x，y)-βαI6(x，y) (3)
其中，S0(x,y)是输入光束的强度分布，S1(x,y)、S2(x,y)以及S3(x,y)指定在输入光束的横截面内的每个点处的偏振态分布；I1和I2是从所述第一偏振分束器出来的第一光束分量的寻常偏振分量和非寻常偏振分量的强度分布；I3和I4是从所述第一偏振分束器出来的第二光束分量的寻常偏振分量和非寻常偏振分量；I5和I6是从所述第一偏振分束器出来的第三光束分量的寻常偏振分量和非寻常偏振分量；以及α、β及γ是归一化常数。
16.一种用于测量沿着光束的横截面的偏振式样的光学系统，光学装置包括偏振分束组件，所述偏振分束组件被配置成并且可操作地用于将光束分成彼此之间具有预定偏振关系的六个光束分量，所述偏振分束组件包括第一偏振分束器和双折射元件，其中，所述第一偏振分束器位于所述光束的光路中，并被配置用于将所述光束分成沿着间隔开的平行的三条光路传播的彼此之间具有特定偏振关系的三个在空间上分离的光束分量，所述双折射元件位于所述光路中，用于将所述三个光束分量中的每个光束分量分成一对寻常和非寻常偏振分量，由此产生所述六个光束分量；在光束的所述六个光束分量内的强度分布表示沿着所述光束的横截面的偏振式样。
17.一种用于测量光束的偏振的方法，所述方法包括：将光束分成沿着间隔开的平行的三条光路传播的彼此之间具有特定偏振关系的三个在空间上分离的光束分量，将所述三个光束分量分别分成对与对之间具有预定偏振关系的三对光束分量，每对光束分量包括寻常偏振分量和非寻常偏振分量；测量所述六个光束分量中的每个光束分量内的强度分布；分析六个光束分量的强度分布并且确定沿着光束的横截面的偏振式样，所述分析六个光束分量的强度分布包括确定输入光束的表示所述偏振式样的斯托克斯参数，在输入光束的横截面内的任意点(x,y)处的斯托克斯参数根据下组等式通过输出光束分量来确定：
S0(x，y)＝I1(x，y)+αI2(x，y) (1)
S1(x，y)＝I1(x，y)-αI2(x，y) (2)
S2(x，y)＝βI5(x，y)-βαI6(x，y) (3)
其中，S0(x,y)是输入光束的强度分布，S1(x,y)、S2(x,y)以及S3(x,y)指定在输入光束的横截面内的每个点处的偏振态分布；I1和I2是所述三个在空间上分离的光束分量中的第一光束分量的寻常偏振分量和非寻常偏振分量的强度分布；I3和I4是所述三个在空间上分离的光束分量中的第二光束分量的寻常偏振分量和非寻常偏振分量；I5和I6是所述三个在空间上分离的光束分量中的第三光束分量的寻常偏振分量和非寻常偏振分量；以及α、β及γ是归一化常数。
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