CN103616077A - 一种任意柱矢量偏振光偏振态的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种任意柱矢量偏振光偏振态的测量系统及测量方法，由可旋扇形光阑、λ/4波片、液晶空间光调制器（LC-SLM）、反射镜、竖直偏振片、CCD相机以及计算机组成；被测柱矢量偏振光经可旋扇形光阑后变为一扇形光束，通过λ/4波片1，进入SLM，经SLM反射后再通过λ/4波片2。两λ/4波片和LC-SLM组合可实现光束的偏振态控制，通过计算机控制加载到LC-SLM的灰度图进行相位调制，可将入射扇形光束转化为准水平线偏振光，再经反射镜反射后通过竖直偏振片，然后由CCD相机接收光束。本发明结构简单，易操作控制，适用范围广，且通过控制可旋扇形光阑夹角和计算机程序化设计来实现精准快速的在线测量。

Description

一种任意柱矢量偏振光偏振态的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及空间偏振光束检测领域，具体涉及对任意柱矢量偏振光的偏振态测量，如：径向偏振光、角向偏振光以及高阶径向偏振光束等的测量。

背景技术

偏振是电磁波的基本特征之一，偏振光是光波所具有的重要特性。偏振光分为均匀偏振光和非均匀偏振光，而通常所说的线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光属于均匀偏振光。

柱矢量偏振光是一种特殊的矢量偏振光，其空间偏振态分布不均匀，但相对光轴具有一定的对称或相似性，是一种非均匀偏振光。轴对称光束属于柱矢量偏振光的一种，包括径向偏振光、角向偏振光等，由于其偏振和相位在光束横截面上呈轴对称分布而具有独特的光学特性和应用。此外，具有柱对称或相似的高阶径向偏振光，因其特殊的空间偏振和相位分布，也有许多特殊的光学特性和应用。如径向偏振光具有完美的轴对称分布，与线偏振光和圆偏振光相比有着显著不同的特性。径向偏振光具有沿光轴对称的电场分布以及中空的圆环型光束结构；径向偏振光和角向偏振光都是偏振本征态，在C切向晶体中传播时，不会发生串扰；高数值孔径透镜聚焦时径向偏振光可以产生超越衍射极限的极小焦点，比线偏振光和圆偏振光的聚焦点小得多，且焦点区域的纵向电场变得非常强。这些特性使得其在牵引、捕获和加速金属粒子，切割金属，提高光学存储密度和提高纵向分辨率等方面具有显著优势。

偏振光的偏振特性通常用斯托克斯参量来描述。1852年斯托克斯（G.G.Stokes）引入了四个参量S₀、S₁、S₂和S₃，不但可以用来描述偏振光，还可以用来描述自然光和部分偏振光。这四个参量是光波可观测量函数，也就是说可以通过光学测量来确定它们的大小，这四个量的量纲均与光强相同。偏振度通常用字母P表示，对于线偏振光、椭圆偏振光，P=1，对于线偏振光，S₃=0，圆偏振光，S₁=S₂=0；对于部分偏振光，0<P<1，自然光，P=0；对于柱矢量偏振光，如径向偏振光和角向偏振光，P=0。

均匀偏振光的偏振态，完全可以通过斯托克斯参量来表示，但对于柱矢量偏振光这样的非均匀偏振光，偏振度P=0，其有别于自然光，而且它确实是有规律的偏振光，必须寻找合适的方法对其偏振态进行测量，并对各种柱矢量偏振光进行区分。

发明内容

本发明解决的问题：克服了只能对均匀偏振光偏振态进行测量的不足，提供了一种对任意柱矢量偏振光偏振态的测量方法，该方法利用液晶空间光调制器对光束进行调制，可实现对任意柱矢量偏振光偏振态的测量。测量系统具有结构简单、易操作控制、适用范围广、实用性好等特点。

本发明技术方案：一种任意柱矢量偏振光偏振态的测量方法，包括以下步骤：

S1:设置入射光束。入射光束为柱矢量偏振光，偏振方向任意，光束强度不可超过CCD的曝光值强度。实验中选择He-Ne径向偏振光、角向偏振光和二阶径向偏振光；

S2:调节可旋扇形光阑。光阑可绕中心法线轴旋转，光束垂直通过光阑，且光束中心与光阑中心重合，扇形顶点在光阑中心点，扇形角度可调。实验选取30°角扇形光阑，若入射光为高阶柱矢量偏振光，则扇形光阑角度要适当减小；

S3:设置λ/4波片1。光束的光轴过波片中心且与法线平行，波片可更换，且波片的快轴与X轴（顺着光路垂直于光轴水平向右方向）成-45°（即135°角）。实验中选取λ=633nm的1/4波片，可根据光源的波长进行调整；

S4:设置液晶空间光调制器（LC-SLM）。测量系统采用反射式，由计算机通过灰度图进行控制，可编程按要求自动调节，快轴在水平方向，法线与光轴夹角小于6°；

S5:设置λ/4波片2。光束的光轴过波片中心且与法线平行，波片可更换，且波片的快轴与X轴成45°角；

S6:调节反射镜。选用加强铝反射镜，用于光束反射，改变光路，反射镜中心与光束中心重合，入射光波长具有很高的反射率；

S7:设置偏振片。对入射光束具有很高的偏振敏感性，光束光轴过偏振片中心且与法线平行，其透射方向与水平方向垂直，即竖直方向；

S8:调节CCD，记录光束强度。光束垂直入射到CCD，CCD中心与扇形光束顶点重合，且光束最大强度不可超过CCD曝光值，也可采用光功率计，探头尺寸不小于光斑大小；

所述步骤S1中，入射光束为任意柱矢量偏振光，可通过一些特殊光学器件产生，入射光谱宽小于±5nm，波段从可见光到近红外，由LC-SLM的调制范围决定。

所述步骤S2中，可旋扇形光阑的扇形角度可调，通过缩小透射光的扇形角度，可以提高测量精度，但相应的测量次数会增加，本测量系统选取30°角。

所述步骤S4中，LC-SLM是由计算机通过控制灰度图实现相位调制的，通过计算机编程，可固定时间后自动切换灰度图，从而实现对相位的自动调制。本测量系统通过编程，每秒更换一次灰度图，灰度图的灰度值以5灰度为量级依次从0开始递增，直到255后停止；也可更换灰度量级，若减少量级，精度会提高，但测量次数会增加，若增大量级则相反。

所述步骤S8中，CCD用于记录光束强度，通过编程由计算机控制与LC-SLM的各灰度值同步记录，筛选出最弱光强，找到对应的灰度值，计算出扇形光束的偏振态。

本发明的原理是将一个相位型液晶空间光调制器置于两片正交的四分之一波片之间，可实现线偏振光偏振方向的任意旋转。第一块四分之一波片快轴方向与x轴成135°（-45°），空间光调制器的快轴与x轴平行，第二块四分之一波片快轴方向与x轴成45°。第一和第二块四分之一波片的琼斯矩阵是J₁和J₃，当空间光调制器产生一个相位延迟δ(x,y)时，其琼斯矩阵为J₂，分别表述为： $J_1=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& i\\ i& 1\end{array}\right],$ $J_2=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{\mathrm{i\&delta;}(x,y)}\end{array}\right],$ $J_3=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& -i\\ -i& 1\end{array}\right].$ 故该系统的琼斯矩阵可表述为：

$J=J_3{J}_2{J}_1=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& -i\\ -i& 1\end{array}\right]\&times;\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{\mathrm{i\&delta;}(x,y)}\end{array}\right]\&times;\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}1& i\\ i& 1\end{array}\right]=e^{i\frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}}\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}& \sin \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}\\ -\sin \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}& \cos \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}\end{array}\right].$

其中，i为复数，δ(x,y)为空间光调制器产生的相位延迟，相位值与角弧度值是有联系的，令θ=δ(x,y)/2，则：

$J=e^{\mathrm{i\&theta;}}\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\&theta;}& \sin \mathrm{\&theta;}\\ -\sin \mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right]$

琼斯矩阵J可以顺时针旋转输入光θ的角度，但伴随着一个波前整体相位延迟量θ。因此，系统可以通过控制空间光调制器加载不同相位灰度图实现空间相位延迟δ(x,y)，获得旋转入射线偏振光的偏振方向。

通过扇形光阑，可将柱矢量偏振光的某个方向偏振态提取出来，认为是准线偏振光。通过控制液晶空间光调制器可将该线偏振光旋转为水平偏振光，并通过竖直偏振片来判别，此时CCD接收到的光强最弱。依据此刻空间光调制器的灰度图，可推导出原准线偏振光的偏振方向。当柱矢量偏振光各个方向的偏振方向确定后，便得到了整个柱矢量偏振光的偏振态。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明不仅可以测量均匀偏振光的偏振态，如线偏振光、椭圆偏振光等，还可以测量空间分布具有一定规律的非均匀偏振光，如径向偏振光、角向偏振光和高阶柱矢量偏振光等。

（2）控制液晶空间光调制器（LC-SLM）对任意柱矢量偏振光的偏振态进行测量，通过调节LC-SLM的参数，可以对宽光谱范围内激光光束实现测量，适用范围广。其测量精度与LC-SLM的液晶分子单元大小有关，液晶分子单元越小，可控精度越高，测量的精度也越高，现有液晶分子单元大小已达到微米量级，可保证测量精密。

（3）通过计算机编程实现自动化控制，可直接获取结果。

附图说明

图1为光路原理示意图；

图2为偏振方向旋转原理示意图，由两块λ/4波片和液晶空间光调制器组成，以透射式液晶空间光调制器为例。

具体实施方式

结合附图给出本发明的具体实施方式，详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的偏振测量系统由可旋扇形光阑、两片λ/4波片、液晶空间光调制器（LC-SLM）、反射镜、竖直偏振片、CCD相机以及计算机组成。任意柱偏振光入射，首先通过可旋扇形光阑后变为扇形光束，转化为准线偏振光；然后通过第一λ/4波片后入射到液晶空间光调制器，经调制反射后通过第二λ/4波片，实现偏振方向的旋转，使其转化为准水平线偏振光；最后通过竖直偏振片，经CCD接收光强来确定是否转化为准水平线偏振光。再通过编程计算出该扇形光束的偏振方向，当各个方向的扇形光束的偏振方向都确定后，便得到了整个柱矢量偏振光的偏振态。

如图1、2所示，为本发明方法具体实现如下：

步骤101设置入射光束1。入射光束为柱矢量偏振光，偏振方向任意，光束强度不可超过CCD的曝光值强度。实验中选择He-Ne径向偏振光、角向偏振光和二阶径向偏振光，对其进行测量和验证；

步骤102调节可旋扇形光阑2。光阑可绕中心法线轴旋转，光束垂直通过光阑，且光束中心与光阑中心重合，扇形顶点在光阑中心点，扇形角度可调。实验系统选取30°角扇形光阑，若入射光为高阶柱矢量偏振光，则扇形光阑角度要适当减小。刚开始扇形光阑30°角与直角坐标系的30°角重合，一次测量结束后以30°为间隔逆时针旋转；

步骤103设置第一λ/4波片3。光束的光轴过波片中心且与法线平行，波片的快轴与X轴（顺着光路垂直于光轴水平向右方向）成-45°（即135°角）。实验选取λ=633nm的1/4波片，当光源波长变化时，波片随之更换；

步骤104设置液晶空间光调制器4（LC-SLM）。LC-SLM采用反射式，快轴在水平方向，法线与光轴夹角小于6°（小角度偏离可确保相位调制的准确性），由计算机5通过控制灰度图实现相位调制，通过计算机编程，可固定时间后自动切换灰度图，实现相位的自动调制；通过编程，每秒更换一次灰度图，灰度图的灰度值以5灰度为量级依次从0开始递增，直到255后停止；也可更换灰度量级，若减少量级，精度会提高，但测量次数会增加，若增大量级则相反。

步骤105设置第二λ/4波片6。光束的光轴过波片中心且与法线平行，波片的快轴与X轴成45°角，当光源波长变化时，波片随之更换；

步骤106调节反射镜7。用于光束反射，改变光路，反射镜中心与光束中心重合，入射光波长具有很高的反射率，系统选用加强铝反射镜；

步骤107设置偏振片8。入射光束具有很高的偏振敏感性，光束光轴过偏振片中心且与法线平行，其透射方向与水平方向垂直，即竖直方向；

步骤108调节CCD9，记录光束强度。光束垂直入射到CCD，CCD中心与扇形光束顶点重合，且光束最大强度不可超过CCD曝光值，CCD用于记录光束强度，通过编程由计算机5控制，与LC-SLM的各灰度值同步记录，筛选出最弱光强，找到对应的灰度值，计算出扇形光束的偏振态；也可采用光功率计，探头尺寸不小于光斑大小。

总之，本发明利用液晶空间光调制器实现对任意柱矢量偏振光偏振态的测量。系统结构简单，易操作控制；通过更换波片，可实现多波长测量，适用范围广；液晶空间光调制器的液晶分子单元大小已达到微米量级，液晶分子单元越小，可控精度越高，测量的精度也越高，保证了高精密测量；通过计算机编程实现自动化控制，可直接获取结果，测量效率高。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改（例如，通过半反半透棱镜，只用一个λ/4波片实现调制；两块λ/4波片可以交换位置，相应的LC-SLM的相位调制发生一些变化；LC-SLM也可选用透射式；当扇形光束的偏振方向不是转化为准水平线偏振光，而是其他方向时，偏振片透射方向随之调整；CCD可由其他光强探测器取代等），因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种任意柱矢量偏振光偏振态的测量系统，其特征在于：由可旋扇形光阑、两片λ/4波片、液晶空间光调制器（LC-SLM）、反射镜、竖直偏振片、CCD相机以及计算机组成；任意柱偏振光入射首先通过可旋扇形光阑后变为扇形光束，转化为准线偏振光；所述可旋扇形光阑绕中心法线轴旋转，光束垂直通过可旋扇形光阑，且光束中心与可旋扇形光阑中心重合，扇形顶点在可旋扇形光阑中心点，扇形角度为锐角可调；然后准线偏振光通过第一λ/4波片后入射到LC-SLM，经调制反射后通过第二λ/4波片，实现偏振方向的旋转，使其转化为准水平线偏振光，通过竖直偏振片，经CCD接收光强来确定是否转化为准水平线偏振光；最后计算机通过程序设计快速按5灰度量级依次更换灰度图的灰度值（0-255）控制LC-SLM的相位，当CCD接收的光强最弱时，说明光束已转化为准水平线偏振光，此时的灰度值可推导出原扇形光束的偏振态；然后旋转扇形光阑，对光束的其他扇形区域进行同样操作，当各个方向的扇形光束的偏振方向都确定后，便可测得柱矢量偏振光各个方向的偏振态，从而得到整个柱矢量偏振光的偏振态；计算机还能够通过缩小扇形角度以及灰度量级来提高测量精度。

2.根据权利要求1所述的一种任意柱矢量偏振光偏振态的测量系统，其特征在于：所述可旋扇形光阑的扇形角度为30°角。

3.一种任意柱矢量偏振光偏振态的测量方法，其特征在于包含以下步骤：

S1:设置入射光束：要求入射光束为柱矢量偏振光，偏振方向任意，光束强度不超过CCD的曝光值强度；

S2:调节可旋扇形光阑：要求可旋扇形光阑可绕中心法线轴旋转，光束垂直通过可旋扇形光阑，且光束中心与可旋扇形光阑中心重合，扇形顶点在可旋扇形光阑中心点，扇形角度为锐角可调，不易过大；

S3:设置第一λ/4波片：要求光束的光轴过第一λ/4波片中心且与法线平行，第一λ/4波片能够更换，且第一λ/4波片的快轴与X轴即顺着光路垂直于光轴水平向右方向成-45°，即135°角；

S4:设置液晶空间光调制器（LC-SLM）：采用反射式，快轴在水平方向，法线与光轴夹角小于6°；LC-SLM是由计算机通过控制灰度图实现相位调制的，通过计算机编程，可固定时间后自动切换灰度图，实现相位的自动调制；通过编程，每秒更换一次灰度图，灰度图的灰度值以5灰度为量级依次从0开始递增，直到255后停止；也可更换灰度量级，若减少量级，精度会提高，但测量次数会增加，若增大量级则相反；

S5:设置第二λ/4波片：要求光束的光轴过第二λ/4波片中心且与法线平行，第二λ/4波片能够更换，且第二λ/4波片的快轴与X轴成45°角；

S6:调节反射镜，用于光束反射，改变光路：要求反射镜中心与光束中心重合，入射光波长具有很高的反射率；

S7:设置偏振片：要求入射光束具有很高的偏振敏感性，光束光轴过偏振片中心且与法线平行，其透射方向与水平方向垂直，即竖直方向；

S8:调节CCD，记录光束强度：要求光束垂直入射到CCD，CCD中心与扇形光束顶点重合，且光束最大强度不可超过CCD曝光值；CCD用于记录光束强度，通过编程由计算机控制与LC-SLM的各灰度值同步记录，筛选出最弱光强，找到对应的灰度值，计算出扇形光束的偏振态。

4.根据权利要求3所述的一种任意柱矢量偏振光偏振态的测量方法，其特征在于：所述步骤S1中的任意柱矢量偏振光通过光学器件产生，入射光谱宽小于±5nm，波段从可见光到近红外，由LC-SLM的调制范围决定。

5.根据权利要求3所述的一种任意柱矢量偏振光偏振态的测量方法，其特征在于：所述步骤S2中可旋扇形光阑的扇形角度为30°角。

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