CN103267576A - 光波偏振态高速静态测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电测试技术领域，具体是一种光波偏振态高速静态测量装置及测量方法。本发明要克服现有技术需要机械转动、结构复杂或者难以实现高速测量的缺陷和不足。所采用的技术方案如下：一种光波偏振态高速静态测量装置，包括沿x轴顺序排列的铌酸锂晶体、偏振片、光强探测器和外加电压控制系统；所述铌酸锂晶体利用的是其横向电光效应；所述偏振片端面垂直于待测光线传播方向，偏振片的透振方向与y轴夹角可调；所述光强探测器的光强接收面垂直于x轴；外加电压控制系统对施加在z轴方向的电压进行控制。本发明适用于光纤通讯偏振态检测控制以及对设备的机械稳定性要求高的卫星或飞机等空间基平台对目标光束进行偏振探测的技术领域。

Description

光波偏振态高速静态测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于光电测试技术领域，主要涉及一种测量光波偏振态的高速静态测量系统，具体是一种光波偏振态高速静态测量装置及测量方法，适用于光纤通讯偏振态检测控制以及对设备的机械稳定性要求高的卫星或飞机等空间基平台对目标光束进行偏振探测的技术领域。 

背景技术

偏振态探测技术是近几年发展起来的新型遥感探测技术，具有强度成像探测、光谱识别探测等其他传统探测手段无法比拟的优点。偏振态探测技术之所以相对于其他的探测手段，能够明显提高目标探测识别的精度，是因为地球表面和大气中的任何目标，在反射、散射和电磁辐射的过程中会产生由其自身性质决定的特征偏振，因此可以通过对这些特征偏振的测量实现目标的准确识别。因此，偏振态探测技术始终受到中外专家学者的极大关注，偏振特性检测技术在目标识别中的应用在近年来出现了蓬勃发展的景象。 

而影响目标偏振态探测技术应用和发展的关键因素是对待测光波偏振信息的获取准确与否，只有准确、甚至快速获取来自待测光波的偏振状态才可能更加精确、高效的进行目标识别、信息处理等后续工作。因此对待测光波偏振态探测手段的研究自偏振探测技术发展初期就受到科研人员的高度重视。人们通常利用斯托克斯参数完整表述目标反射、散射或辐射光波的偏振状态，因此，设计相关测量装置实现对待测光波斯托克斯参数的测量，全面准确反映目标的偏振特性，就成为目标偏振态测量中需要解决的基本问题。 

在实际高速长距离传输中，偏振态的随机变化使得偏振模色散 (PMD)的测量及补偿更加复杂，在环境比较恶劣的情况下，偏振态的变化速率小于10ms，因此要求对输出光的偏振态进行实时的测量和控制，国内众多高校院所提出各具特色的目标偏振态测量方法，但这些方法主要针对各自的使用要求而设计，在结构稳定性、测量实时性等方面仍有可以改进的空间。而在国外，一些偏振态高速测试仪器已经商用化，但其价格昂贵，体积庞大。 

对于光波斯托克斯参数的测量，常用的方法有调制法、分割法、液晶法等。其中调制法大多需要机械调制装置，稳定性要求高，因而只适用于稳恒光束或缓变的连续辐射光束；分割法是采用波前分割或振幅分割的方法，可适用于脉冲光束或瞬变的偏振态测量，但结构复杂，因此调制法和分割法有被液晶法取代的趋势，利用液晶进行的光波偏振态测量方法克服了传统测量方法的缺点，具有静态测量的优势，但仍然难以满足更高速偏振态测量对测量系统的时间响应要求。 

发明内容

本发明提出了一种基于电光效应的偏振态高速静态测量装置及测量方法，克服了现有的光波偏振态探测技术需要机械转动、结构复杂或者难以实现高速测量的缺陷和不足。 

为了实现发明目的，本发明所采用的技术方案如下： 

一种光波偏振态高速静态测量装置，包括沿x轴顺序排列的铌酸锂晶体、偏振片、光强探测器和外加电压控制系统；

所述铌酸锂晶体利用的是其横向电光效应；

所述偏振片端面垂直于待测光线传播方向，偏振片的透振方向与y轴夹角可调；

所述光强探测器的光强接收面垂直于x轴；

外加电压控制系统对施加在z轴方向的电压进行控制；

所述x轴指待测光线传播方向；z轴指铌酸锂晶体光轴；x、y、z轴构成右手螺旋直角坐标系。

上述铌酸锂晶体的长高比为25～100比3，外加电压控制系统输出电压范围为50V～250V。长高比越高，铌酸锂晶体需要的外加电压越小。 

上述铌酸锂晶体的长高比为25比3，外加电压控制系统输出电压为250V电压。此时最好。 

上述偏振片的消光比控制在99以上。 

一种使用上述光波偏振态高速静态测量装置的测量方法：在偏振片透振方向与y轴的夹角固定时，在铌酸锂晶体上施加四个不同的电压值，待测光波通过铌酸锂晶体后出射的两束光波产生的相位差就会相应的有四个不同的值，经过偏振片后到达光强探测器上相应的也就有四个不同的强度值I，根据探测器接收到的光强度I与四个斯托克斯参数S₀、S₁、S₂、S₃间的关系公式 

，(1)

即可得到光波的四个斯托克斯参数，即实现了光波偏振态的测量，

式(1)中，

为偏振片的透振方向与y轴夹角，

为铌酸锂晶体光轴与y轴夹角，

为铌酸锂晶体出射的两束光波由电光效应产生的相位差数值。

本发明提出一种光波偏振态高速静态测量方法，将具有电光调制特性、响应速度高至纳秒量级的铌酸锂晶体引入到光波偏振态高速静态测量方法中，解决了传统的光波偏振态测量方法难以同时满足系统稳定性高、测量速度快的问题。 

本发明能够实现对待测光波斯托克斯参数的快速测量，同时避免机械调制装置对稳定性要求高的缺陷，降低了结构复杂性、不需要机械调制，可静态、高速地进行光波偏振态测量。与现有技术相比，本发明的优点是： 

1、由于本发明将具有电光调制特性的铌酸锂晶体引入到光波偏振态高速静态测量方法中，待测光波相位差的改变即四个光强度值的获得可以通过调整铌酸锂晶体的外加电压来实现，相对于传统的偏振态测量中待测光波相位差的改变由机械调制系统驱动波片或者偏振片转动而言，测量过程中不需要任何的机械运动，具有稳定性好、能实现静态测量的优点。

2、传统机械调制方式和基于液晶电光调制的光波偏振态测量方法都难以实现对偏振态的高度测量，铌酸锂晶体由于具有高至纳秒量级的时间响应特性，选择合适的电压控制系统就可以实现光波偏振态的高速测量。 

3、本发明避免了四探测器的分振幅探测模式的复杂结构，同时对光波偏振态测量过程中不需要任何的机械转动机构，因此结构简单，易于安装调试。 

4、本发明解决了现有光波偏振态探测系统难以同时实现高的机械稳定性和高速测量的问题。 

5、本发明适用于光纤通讯偏振态检测控制以及对设备的机械稳定性要求高的卫星或飞机等空间基平台对目标光束进行偏振探测的技术领域。 

附图说明

图1 是本发明光波偏振态高速静态测量系统原理示意图； 

1-被测光波，2-铌酸锂晶体，3-偏振片，4-光强探测器，5-电压控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明详细说明： 

参见图1，一种光波偏振态高速静态测量装置，包括沿x轴顺序排列的铌酸锂晶体2、偏振片3、光强探测器4和外加电压控制系统5；

所述铌酸锂晶体2利用的是其横向电光效应；

所述偏振片3端面垂直于待测光线传播方向，偏振片3的透振方向与y轴夹角可调；

所述光强探测器4的光强接收面垂直于x轴；

外加电压控制系统5对施加在铌酸锂晶体光轴方向的电压进行控制；

所述x轴指待测光线传播方向；z轴指铌酸锂晶体光轴；x、y、z轴构成右手螺旋直角坐标系。

上述铌酸锂晶体2的长高比为25～100比3，外加电压控制系统输出电压范围为50V～250V。长高比越高，铌酸锂晶体需要的外加电压越小，也就是说光波在晶体中传播距离d与z轴方向晶体厚度h的比值要尽可能大，这样可以明显降低电光调制所需要的外加电压值。 

上述偏振片的消光比控制在99以上。 

一种使用上述光波偏振态高速静态测量装置的测量方法：在偏振片3透振方向与y轴的夹角固定时，在铌酸锂晶体上施加四个不同的电压值，待测光波通过铌酸锂晶体后出射的两束光波产生的相位差就会相应的有四个不同的值，经过偏振片3后到达光强探测器上相应的也就有四个不同的强度值I，根据探测器接收到的光强度I与四个斯托克斯参数S₀、S₁、S₂、S₃间的关系公式 

，(1)

即可得到光波的四个斯托克斯参数，即实现了光波偏振态的测量，

式(1)中，

为偏振片3的透振方向与y轴夹角，

为铌酸锂晶体光轴与y轴夹角，为铌酸锂晶体出射的两束光波由电光效应产生的相位差数值。

本发明的测量系统沿入射光的传播方向依次是：待测光波1、利用横向电光效应进行相位调制的铌酸锂晶体2、偏振片3和光强探测器4，其中，待测光波由单色光源发出经过扩束准直系统后，经由偏振态发生装置产生偏振状态已知的光波作为标准的待测光波，光波传播方向为感应轴x方向；铌酸锂晶体要利用其横向电光效应，且铌酸锂晶体的外加电场沿光轴方向z轴；偏振片3端面垂直于x轴，透振方向与铌酸锂晶体光轴夹角允许调节， 

并在进行光波偏振态测量前固定；光强探测器4的光强接收面垂直于x轴。

本发明提出的光波偏振态测量方法中，经过准直的待测光波沿其传播方向，即x轴垂直入射到铌酸锂晶体2端面，假设入射偏振光的偏振状态用斯托克斯参数S₀，S₁，S₂，S₃来表示，因此光波偏振态的测量就转化为对四个斯托克斯参数S₀，S₁，S₂，S₃的测量，即只要测量入射光波的四个斯托克斯参数S₀，S₁，S₂，S₃，就实现了光波偏振状态的测量。具体说明如下：待测光波通过外加横向电压为U₁的铌酸锂晶体后，铌酸锂晶体引起的附加相位差为

，铌酸锂晶体光轴沿z轴，因此与y轴夹角为90度，偏振片3透振方向与y轴的夹角，依据提供便于方程（1）求解所需的角度值的原则进行调整并固定下来，则到达光强探测器4上的光强度为I₁；改变铌酸锂晶体的外加电压为U₂，U₃，U₄，则到达光强探测器4上的光强度为I₂，I₃，I₄；将这些测量到的光强度值以及对应的相位差值代入方程（1）， 

，(1)

式(1)中，为偏振片3的透振方向与y轴夹角，

为铌酸锂晶体光轴与y轴夹角，

为铌酸锂晶体出射的两束光波由电光效应产生的相位差数值，反演出入射光波的四个斯托克斯参数S₀，S₁，S₂，S₃。该方案相对于传统的机械调制法旋转波片以实现光波斯托克斯参数的测量具有明显的技术优势，只需要改变铌酸锂晶体的外加电压，而不需要任何的机械装置，能够实现光波偏振态的静态测量，同时铌酸锂晶体的响应时间接近纳秒量级，配以高速调制的外加电压控制系统及响应足够快的光强探测器，该方案就可以实现对光波偏振态的高速静态测量。

实施例1： 

铌酸锂晶体的长高比即通光方向长度与沿光轴方向晶体厚度的比值为25比3，外加电压控制系统可以实现电压范围为250V的输出并能快速进行输出电压的切换；偏振片的消光比控制在99以上，偏振片3和光强探测器4共同构成光强探测系统，偏振片用来将铌酸锂晶体出射的两光波互相垂直的振动方向投影到偏振片的透光方向上，形成两光束的相干叠加，光强探测器4用于接收相干光波的光强度值，要求具有足够快的光电响应特性。来自偏振态发生装置的线偏振光垂直入射到铌酸锂晶体端面，线偏振光的振动方向与铌酸锂晶体光轴z方向夹角45度，在没有外加电场的情况下，光波经过铌酸锂晶体被分解为振动方向互相垂直的两束光，这两束光的相位差取决于晶体材料对于入射光波的折射率以及沿光传播方向的晶体长度，在晶体光轴方向加上一定的外加电压后，由于铌酸锂材料的泡克尔斯效应，通过晶体后的两束光波的相位差会随着外加电压的变化而相应改变，且外加电压与相位差有一一对应的关系，因此通过改变加在晶体上的外加电压值，就可以实现对两光束相位差的调制进而改变了到达探测器上的光强度值。

本实施例中，入射线偏振光与晶体光轴方向夹角45度，可分解为两个水平与垂直分量，其偏振状态用斯托克斯四个参数表示为：1、0、1、0，将这个作为标准的偏振态，利用本发明提出的偏振态测量方法对该光波进行偏振态测量，设置外加电压控制系统快速赋予铌酸锂晶体四个不同的外加电压值，被调制后的输出光波经偏振片后形成四个对应的干涉强度，这四个强度值均被光强探测器接收，根据公式（1），可以反演出待测光波的四个斯托克斯参数，其结果与标准值非常接近。 

本发明的光波偏振态高速静态测量方法，解决了光波偏振态测量过程中机械稳定性不够、响应时间不高的问题。 

实施例2： 

铌酸锂晶体的长高比即通光方向长度与沿光轴方向晶体厚度的比值100比3，外加电压控制系统可以实现电压范围为50V的输出并能快速进行输出电压的切换；偏振片的消光比控制在99以上，偏振片3和光强探测器4共同构成光强探测系统，偏振片用来将铌酸锂晶体出射的两光波互相垂直的振动方向投影到偏振片的透光方向上，形成两光束的相干叠加，光强探测器4用于接收相干光波的光强度值，要求具有足够快的光电响应特性。来自偏振态发生装置的左、右圆偏振光垂直入射到铌酸锂晶体端面，左、右圆偏振光的振动方向之一与铌酸锂晶体光轴z方向平行，在没有外加电场的情况下，光波经过铌酸锂晶体被分解为振动方向互相垂直的两束光，这两束光的相位差取决于晶体材料对于入射光波的折射率以及沿光传播方向的晶体长度，在晶体光轴方向加上一定的外加电压后，由于铌酸锂材料的泡克尔斯效应，通过晶体后的两束光波的相位差会随着外加电压的变化而相应改变，且外加电压与相位差有一一对应的关系，因此通过改变加在晶体上的外加电压值，就可以实现对两光束相位差的调制进而改变了到达探测器上的光强度值。

本实施例中，左、右圆偏振光的振动方向之一与铌酸锂晶体光轴z方向平行，可分解为两个水平与垂直分量，其偏振状态用斯托克斯四个参数表示为：1、0、0、±1，将这个作为标准的偏振态，利用本发明提出的偏振态测量方法对该光波进行偏振态测量，设置外加电压控制系统快速赋予铌酸锂晶体四个不同的外加电压值，被调制后的输出光波经偏振片后形成四个对应的干涉强度，这四个强度值均被光强探测器接收，根据公式（1），可以反演出待测光波的四个斯托克斯参数，其结果与标准值1、0、0、±1非常接近。 

实施例3： 

铌酸锂晶体的长高比即通光方向长度与沿光轴方向晶体厚度的比值50比3，外加电压控制系统可以实现电压范围为150V的输出并能快速进行输出电压的切换。

其余同实施例1，根据公式（1），可以反演出待测光波的四个斯托克斯参数，其结果与标准值1、0、0、±1非常接近。 

本发明提供的光波偏振态高速静态测量方法，解决了光波偏振态测量过程中机械稳定性不够、响应时间不高的问题。在上述实施例中，以实施例  1  为优选实施例。 

Claims (5)

1.一种光波偏振态高速静态测量装置，包括沿x轴顺序排列的铌酸锂晶体(2)、偏振片(3)、光强探测器(4)和外加电压控制系统(5)；

所述铌酸锂晶体(2)利用的是其横向电光效应；

所述偏振片(3)端面垂直于待测光线传播方向，偏振片(3)的透振方向与y轴夹角可调；

所述光强探测器(4)的光强接收面垂直于x轴；

外加电压控制系统(5)对施加在z轴方向的电压进行控制；

所述x轴指待测光线传播方向；z轴指铌酸锂晶体光轴；x、y、z轴构成右手螺旋直角坐标系。

2.如权利要求1所述的光波偏振态高速静态测量装置，其特征在于：所述铌酸锂晶体(2)的长高比为25～100比3，外加电压控制系统输出电压范围为50V～250V。

3.如权利要求2所述的光波偏振态高速静态测量装置，其特征在于：所述铌酸锂晶体(2)的长高比为25比3，外加电压控制系统输出电压为250V电压。  

4.如权利要求1-3任意权利要求所述的光波偏振态高速静态测量装置，其特征在于：所述偏振片的消光比控制在99以上。

5.如权利要求1所述的一种使用上述光波偏振态高速静态测量装置的测量方法，其特征在于：在偏振片透振方向与y轴的夹角固定时，在铌酸锂晶体上施加四个不同的电压值，待测光波通过铌酸锂晶体后出射的两束光波产生的相位差就会相应的有四个不同的值，经过偏振片(3)后到达光强探测器上相应的也就有四个不同的强度值I，根据探测器接收到的光强度I与四个斯托克斯参数S₀、S₁、S₂、S₃间的关系公式

，(1)

即可得到光波的四个斯托克斯参数，即实现了光波偏振态的测量，

式(1)中，为偏振片(3)的透振方向与y轴夹角，

为铌酸锂晶体光轴与y轴夹角，

为铌酸锂晶体出射的两束光波由电光效应产生的相位差数值。

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