CN104848944B - Z扫描光学偏振度测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种Z扫描光学偏振度测量装置和测量方法，用于优化设计光学传感器结构及研究方式。其主要特征在于，包括：可控的光源单元、薄膜样片测试单元及自由空间偏振仪。其中，可控的光源单元包括激光器、信号发生器和二向色分束器，可产生不同波段的激光；薄膜样片测试单元主要包括非偏振分束器、样片控制平台等；自由空间偏振仪主要包括外置探头和偏振仪，外置探测头的更换与不同波段的光源相对应；利用Z扫描方式测量激光透过薄膜样片的偏振度。此装置设计的元件组合比较灵活，测量方式比较新颖，并且准确性较高。

Description

Z扫描光学偏振度测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种Z扫描光学偏振度测量装置和测量方法，属于光学传感器研究领域，本技术可用于设计光学电流传感器的结构。

背景技术

光学电流传感器具有绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、造价低、动态测量范围大、暂态响应范围大、测量精度高、频率响应范围宽、不存在磁饱和、无铁磁谐振、体积小、重量轻等优良性能，是智能电网中理想的电流检测设备。而光学电流传感器可以通过检测入射偏振光法拉第旋转角度变化来间接实现电流的检测。优化设计光学电流传感器结构有利于提高传感器的性能、并降低研制成本。激光Z扫描技术最先是由SheikBahae等人提出来的，Z扫描技术因其灵敏度高,实验设备构造简单,数据处理简单方便而被广泛应用于光学传感器结构设计。

目前，优化光学电流传感器结构只局限于改变光源参数或传感材料的类型，未完全涉及到利用偏振度来设计光路结构。通过Z扫描技术来测量激光偏振度与样片Z轴位置之间关系，有利于优化设计光学电流传感器结构。

发明内容

本发明是为了优化设计传感器结构而进行的，目的在于提供一种Z扫描光学偏振度测量装置和测量方法，该装置可以测一种波段的激光或者两种波段合成光透过敏感材料偏振度，同时该装置可以同时检测两个或更多的样片。

本发明的技术解决方案如下：

一方面，本发明提供了一种用于Z扫描的光学偏振度测量装置，其特征在于，其构成包括：光源单元，该光源单元包括第一激光器、第二激光器和信号发生器，其能够产生不同波段的激光；二向色分束器，其能够为从光源单元入射的不同波段的入射光提供不同的分束比；薄膜样片测试单元，该薄膜样片测试单元包括第一非偏振分束器和第二非偏振分束器以及第一样片控制台和第二样片控制台，其中第一非偏振分束器和第二非偏振分束器分别与第一样片控制台和第二样片控制台连接，第一样片控制台和第二样片控制台分别连接到第二聚焦透镜和第一探测头以及第三聚焦透镜和第探二测头，所述第一样片控制台包括第一夹具、第一样片和第一控制平台，第二样片控制台包括第二夹具、第二样片和第二控制平台，来自二向色分束器的光进入第一非偏振分束器而分为两束光，透射的光进入第一样片，反射的光进入第二非偏振分束器；以及偏振仪，其中，第一非偏振分束器和第二非偏振分束器将光束一分为二，其中分出来的两束光偏振度相同，其中，由光源单元产生的激光经由主光路到达薄膜样片测试单元，通过所述薄膜样片测试单元的光利用偏振仪并借助计算机而在软件界面上显示以计算出样片对光的偏振度。

进一步地，第一激光器输出激光的主光路、第二激光器和第一激光器同时输出激光的主光路，沿所述的第一激光器输出激光的主光轴方向上依次具有第一光纤、第一准直器、二向色分束器、第一聚焦透镜、薄膜样片测试单元、第四聚焦透镜、第三探测头、偏振仪和计算机；所述的第二激光器和第一激光器同时输出激光的光路上具有第二激光器、第二光纤和第一准直器，来自第一准直器的光入射到二向色分束器，其后续光路与第一激光器输出激光的主光路相同。

进一步地，第一样片和第二样片分别固定在第一控制平台和第二控制平台，控制平台由计算机控制，在计算机的控制下，样片能够在平行于光路的平台Z轴移动。

进一步地，连接激光器与准直器的分别是第一光纤和第二光纤，两者均是保偏光纤。

进一步地，准直器与的内部包含凸透镜，以将激光变成平行光，从而使光最大效率的输出。

进一步地，利用非偏振分束器分出来的光作为参考光，即第四聚焦透镜和第三探测头构成了测量参考光偏振度的一个模块单元。

进一步地，探测头即第一探测头、第二探测头、第三探测头与偏振仪中的对应读出卡构成了自由空间偏振检测。

另一方面，本发明提供一种根据上述的一种用于Z扫描的光学偏振度测量装置进行Z扫描光学偏振度测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：调整光路阶段，该调整光路阶段主要包括：启动信号发生器；打开第一激光器；调整二向色分束器使之与光路成一定角度；调整第一非偏振分束器和第二非偏振分束器与光路成一定角度；将第一样片和第二样片分别放在第一夹具和第二夹具内，并将夹具放在控制平台的中心位置；Z扫描阶段，该阶段包括：调整信号发生器的脉冲参数，打开第二激光器，使两个激光器发射不同波段的激光；上述不同波段的激光经过二向色分束器，两束光合成一束光；沿光路经过第一聚焦透镜，进入第一非偏振分束器，分出两束光，透射的光进入第一样片，经过第二聚焦透镜到达第一探测头，反射的光进入第二非偏振分束器；以及测试计算阶段，测试计算阶段包括：将载有第一样片的第一夹具移到-Z轴上的某一点；载有第二样片的第二夹具移到-Z轴上的与第一样片相同一点；控制第一控制平台、第二控制平台同时同速率向+Z轴移动；利用偏振仪与计算机在软件界面上显示所得到的数据，能够得出在Z扫描的方式下的材料对光的偏振度的影响。

进一步地，使二向色分束器与光路成45°的角度，使第一非偏振分束器和第二非偏振分束器与光路成分别成45°的角度。

进一步地，该方法还包括以下步骤：调节第一聚焦透镜，使激光聚焦于样片上，同时调节第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜，使激光聚焦于第一探测头、第二探测头、第三探测头的接受端；以及光经由第二非偏振分束器分出两束光，反射的光进入第二样片，第三聚焦透镜到达第二探测头，透射的光经过第四聚焦透镜到达第三探测头。

Z扫描光学偏振度测量装置的结构主要包括第一激光器，第二激光器，主光路上的元件即第一光纤、第一准直器、二向色分束器、第一聚焦透镜、薄膜样片测试单元、第四聚焦透镜、第三探测头、偏振仪、计算机；其中薄膜样片测试单元包括第一非偏振分束器、第一夹具、第一样片、第二聚焦透镜、第一探测头、第一控制平台、第二非偏振分束器、第一夹具、第二样片、第三聚焦透镜、第三探测头、第二控制平台；第一激光器、第二激光器与信号发生器构成此设计装置的光源；通过调节信号发生器的入射激光脉冲参数即脉冲宽度与重复频率，产生不同的激光；通过打开第一激光器或第二激光器来选择单一光或合成光；保偏光纤连接激光器与准直器；保偏光纤保证线偏振方向不变，准直器是尾纤与自聚焦透镜精确定位而成，将光纤里的传输光转变为准直光；二向色分束器主要为不同波段的入射光提供不同的分束比，可以用来合成或者分立不同颜色的激光光束；此装置主要利用此特性进行单一波段的光和两个波段的合成光的检测；所述的装置中的非偏振分束器，将激光分为两束，即透射光与反射光，两者各占功率的50％；其特征在于：非偏振分束器只改变光功率，并不改变偏振度DOP中。

在本发明的Z扫描光学偏振度测量装置中，具有这样的特征，包括：在光路中增加非偏振分束器，达到测量经过多个样片的激光的偏振度；借助非偏振分束器的应用，可以将其中一束激光作为参考激光，可以直接测量其DOP，从而进行参照比较。

所述的装置中的控制平台固定部分上刻有-Z到+Z的度数，(Z的数量取值由具体情况而定)，控制平台受计算机控制，能够以均匀速率使样片移动；除了改变光源参数和样片类型的常规测量外，此发明还提供了更改样片在主光轴上的位置来测量的方法即激光Z扫描方式。

所述的装置中的探测头与偏振仪构成了自由空间偏振仪；探测头为可更替的外部传感头，且其与偏振仪上对应的读出卡相连，更换不同的外部传感头与读出卡可实现不同波长范围的测量；系统分别设计对应四个波长范围：400-700nm，700-1000nm，1000-1350nm或1300-1700nm。

在所述的装置中，自由空间偏振仪采集激光，并在计算机相应的软件界面上通过图像界面显示Poincare球、偏振椭圆度或实时曲线来计算Stokes参量即描述了强度或者辐照度的S0、沿X轴或Y轴的线偏振光强度的S1、描述了沿X轴夹角为正负45°方向的线偏振光强度的S2、圆偏振度的S3和偏振度即

二向色分束器可以为不同波段的入射光提供不同的分束比，利用二向色分束器可以用来合成或者分立不同波段的激光光束的特性，可以测量一种波段的光透过样片的偏振度，也可以测量两个波段的合成光透过样片的偏振度。

发明作用与效果

根据本发明的Z扫描光学偏振度测量装置和测量方法，由于具有可控的发射单一光或合成光的光源单元、包含非偏振分束器的薄膜样片测试单元、包含样片的控制平台及自由空间偏振仪等，可以有以下的特征：1.光源的选择范围较大，可以选择不同波段；2.可以同时进行多个薄膜样片的测量，并将非偏振分束器分出来的光作为基准，便于与透过样片的光进行比较；3.新添加了激光Z扫描的方式研究激光透过样片偏振度的变化；4.利用了探测头更换的灵活性，可以测量不同波段范围的激光。

附图说明

图1是本发明的Z扫描光学偏振度测量装置。

具体实施方式

如图1所示，Z扫描光学偏振度测量装置包括光源单元即第一激光器2、第二激光器5和信号发射器1，通过调节信号发生器的入射激光脉冲参数即脉冲宽度与重复频率，产生不同的激光，通过打开第一激光器或第二激光器来选择单一光或合成光。该Z扫描光学偏振度测量装置还包括位于主光轴方向上的元件，即：第一光纤3、第一准直器4、二向色分束器8、第一聚焦透镜9和薄膜样片测试单元，其中，所述薄膜样片测试单元包括：第一非偏振分束器10、第一夹具11、第一样片12、第二聚焦透镜13、第一探测头14、第一控制平台15、第二非偏振分束器16、第二夹具17、第二样片18、第三聚焦透镜19、第二探测头20、第二控制平台21。并且该Z扫描光学偏振度测量装置还包括第二光纤6，第二准直器7，第四聚焦透镜22，第三探测头23、偏振仪24、计算机25。

保偏光纤连接激光器与准直器。保偏光纤保证线偏振方向不变，准直器是尾纤与自聚焦透镜精确定位而成，将光纤里的传输光转变为准直光。二向色分束器主要为不同波段的入射光提供不同的分束比，可以用来合成或者分立不同颜色的激光光束。

以Z扫描方式检测合成光透过两种样片的偏振度DOP为实施例，结合图一来说明。

调整光路主要包括：启动信号发生器1，打开第一激光器2，调整二向色分束器8，使之与光路成45⁰，调整第一非偏振分束器10、第二非偏振分束器16与光路成45⁰，将第一样片12、第二样片18分别放在第一夹具11和第二夹具17里，并将夹具放在控制平台的中心位置，调节第一聚焦透镜9，使激光聚焦于样片上，达到功率最大，同时调节第二聚焦透镜13、第三聚焦透镜19、第四聚焦透镜22，使激光聚焦于第一探测头14、第二探测头20、第三探测头23接受端。

装置光路环境主要包括：调整信号发生器1的脉冲参数，打开第二激光器5，使两个激光器发射不同波段的激光，经过二向色分束器8，两束光合成一束光，经过第一准直器4，成为平行光，沿光路经过第一聚焦透镜9，进入第一非偏振分束器10，分出两束光，透射的光进入第一样片12，经过第二聚焦透镜13到达第一探测头14，反射的光进入第二非偏振分束器10，分出两束光，反射的光进入第二样片18，第三聚焦透镜19到达第二探测头20，透射的光经过第四聚焦透镜22到达第三探测头23；

测试计算阶段主要包括：将载有第一样片12的第一夹具11移到-Z轴上的某一点，载有第二样片18的第二夹具17移到-Z轴上的与第一样片12相同一点，控制第一控制平台15、第二控制平台21同时同速率向+Z轴移动，利用偏振仪24与计算机25，在软件界面上显示Poincare球、偏振椭圆度或实时曲线得到Stokes参量S1、S2、S3及DOP的值，对比三组数据，即两种样片的数据和基准的数据，可以得出在Z扫描的方式下的材料对光的偏振度的影响。

另外，本装置也可以选择不同波段的合成光进行测试主要包括光源的改变与探测头的更换；同时本装置也可以拓展多个样片同时进行检测。

以上仅是本发明的具体应用范例，对发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于Z扫描的光学偏振度测量装置，其特征在于，其构成包括：

光源单元，该光源单元包括第一激光器(2)、第二激光器(5)和信号发生器(1)，通过调节信号发生器(1)的入射激光脉冲参数即脉冲宽度与重复频率，能够产生不同波段的激光；

二向色分束器(8)，其能够为从光源单元入射的不同波段的入射光提供不同的分束比；

薄膜样片测试单元，该薄膜样片测试单元包括第一非偏振分束器(10)和第二非偏振分束器(16)以及第一样片控制台和第二样片控制台，其中第一非偏振分束器(10)和第二非偏振分束器(16)分别与第一样片控制台和第二样片控制台连接，第一样片控制台和第二样片控制台分别连接到第二聚焦透镜(13)和第一探测头(14)以及第三聚焦透镜(19)和第二探测头(20)，所述第一样片控制台包括第一夹具(11)、第一样片(12)和第一控制平台(15)，第二样片控制台包括第二夹具(17)、第二样片(18)和第二控制平台(21)，来自二向色分束器(8)的光进入第一非偏振分束器而分为两束光，透射的光进入第一样片(12)，经过第二聚焦透镜(13)而到达第一探测头(14)，反射的光进入第二非偏振分束器(16)，第二非偏振分束器(16)将所反射的光分为两束，其中反射的光进入第二样片(18)，经过第三聚焦透镜(19)而到达第二探测头(20)，透射的光经过第四聚焦透镜(22)而到达第三探测头(23)；以及

偏振仪，第一探测头(14)、第二探测头(20)和第三探测头(23)分别连接到偏振仪，

其中，第一非偏振分束器(10)和第二非偏振分束器(16)将光束一分为二，其中分出来的两束光偏振度相同，

其中，由光源单元产生的激光经由主光路到达薄膜样片测试单元，通过所述薄膜样片测试单元的光利用偏振仪并借助计算机而在软件界面上显示以计算出样片对光的偏振度。

2.根据权利要求1所述的光学偏振度测量装置，其特征在于：第一激光器(2)输出激光的主光路、第二激光器(5)和第一激光器(2)同时输出激光的主光路，沿所述的第一激光器(2)输出激光的主光轴方向上依次具有第一光纤(3)、第一准直器(4)、二向色分束器(8)、第一聚焦透镜(9)、薄膜样片测试单元、偏振仪(24)和计算机(25)；所述的第二激光器(5)和第一激光器(2)同时输出激光的光路上具有第二激光器(5)、第二光纤(6)和第二准直器(7)，来自第一准直器的光入射到二向色分束器，其后续光路与第一激光器(2)输出激光的主光路相同。

3.根据权利要求1所述的光学偏振度测量装置，其特征在于：第一样片(12)和第二样片(18)分别固定在第一控制平台(15)和第二控制平台(21)，控制平台由计算机(25)控制，在计算机的控制下，样片能够在平行于光路的平台Z轴移动。

4.根据权利要求1所述的光学偏振度测量装置，其特征在于：连接激光器与准直器的分别是第一光纤(3)和第二光纤(6)，两者均是保偏光纤。

5.根据权利要求1所述的光学偏振度测量装置，其特征在于：第一准直器(4)与第二准直器(7)的内部包含凸透镜，以将激光变成平行光，从而使光最大效率的输出。

6.根据权利要求1所述的光学偏振度测量装置，其特征在于：利用非偏振分束器分出来的光作为参考光，即第四聚焦透镜(22)和第三探测头(23)构成了测量参考光偏振度的一个模块单元。

7.根据权利要求1所述的光学偏振度测量装置，其特征在于：探测头即第一探测头(14)、第二探测头(20)、第三探测头(23)与偏振仪(24)中的对应读出卡构成了自由空间偏振检测。

8.一种利用权利要求1所述的用于Z扫描的光学偏振度测量装置进行Z扫描光学偏振度测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

调整光路阶段，该调整光路阶段主要包括：启动信号发生器(1)；打开第一激光器(2)；调整二向色分束器(8)使之与光路成一定角度；调整第一非偏振分束器(10)和第二非偏振分束器(16)与光路成一定角度；将第一样片(12)和第二样片(18)分别放在第一夹具(11)和第二夹具(17)内，并将夹具放在控制平台的中心位置；

Z扫描阶段，该阶段包括：调整信号发生器(1)的脉冲参数，打开第二激光器(5)，使两个激光器发射不同波段的激光；上述不同波段的激光经过二向色分束器(8)，两束光合成一束光；沿光路经过第一聚焦透镜(9)，进入第一非偏振分束器(10)，分出两束光，透射的光进入第一样片(12)，经过第二聚焦透镜(13)到达第一探测头(14)，反射的光进入第二非偏振分束器(16)；以及

测试计算阶段，测试计算阶段包括：将载有第一样片(12)的第一夹具(11)移到-Z轴上的某一点；载有第二样片(18)的第二夹具(17)移到-Z轴上的与第一样片(12)相同一点；控制第一控制平台(15)、第二控制平台(21)同时同速率向+Z轴移动；利用偏振仪(24)与计算机(25)在软件界面上显示所得到的数据，能够得出在Z扫描的方式下的材料对光的偏振度的影响。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使二向色分束器(8)与光路成45°的角度，使第一非偏振分束器(10)和第二非偏振分束器(16)与光路分别成45°的角度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

调节第一聚焦透镜(9)，使激光聚焦于样片上，同时调节第二聚焦透镜(13)、第三聚焦透镜(19)、第四聚焦透镜(22)，使激光聚焦于第一探测头(14)、第二探测头(20)、第三探测头(23)的接受端；以及

光经由第二非偏振分束器(16)分出两束光，反射的光进入第二样片(18)，第三聚焦透镜(19)到达第二探测头(20)，透射的光经过第四聚焦透镜(22)到达第三探测头(23)。