CN105737988A - 一种偏振分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振分析仪，包括径向偏振转换器、线性偏振器、激光器、空间相位板、分束器、旋转多普勒效应发生器、模式滤波器和光强探测装置。径向偏振转换器和线性偏振器用来将输入光中的左旋和右旋圆偏分量分别转换成不同的轨道角动量OAM模式，并且保持相同的偏振态；激光器和空间相位板用来产生参考光；旋转多普勒效应发生器将分束器输出的单束光中不同的OAM模式转换成基模，并且产生不同的多普勒频移，输出包含基模的散射光；模式滤波器用于从散射光中滤出基模，送光强探测装置检测基模光强。本发明通过将两个圆偏光分量转换成两个OAM模式，再通过测量OAM模式的复振幅分布，来检测输入光的偏振态，只需一次或两次测量，方法简单，易于实现。

Description

一种偏振分析仪

技术领域

本发明属于光束的偏振测量技术领域，更具体地，涉及一种基于旋转多普勒效应的偏振分析仪。

背景技术

光的偏振已经普遍应用于各个方面，比如光学通信、液晶显示、生物研究等。因此光的偏振态的测量在这些应用中是一项基本的操作。一般情况下我们用的光束的偏振态分布都与空间位置无关，也就是说这种光束的琼斯矩阵是一个常数矩阵。这种光束都可以分解成两个互相垂直的线偏光的叠加，也可以分解成两个正交圆偏光的叠加，因此只需要测量出每个正交基的权重就可以得到输入光的偏振态。传统的测量方法是通过测量光束的斯托克斯参数来得到光的偏振态(如专利：CN201410779529.8，201510313362.0等)，这种方法需要四次测量，并且每次测量都需要更换仪器或者是需要多条并行的光路通道，操作相对较繁琐。考虑到偏振光的普遍应用，开发简单实用的偏振分析仪具有很大的实用价值，。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于旋转多普勒效应的偏振分析仪，可以测量输入光的琼斯矩阵，且只需一次或两次测量，方法简单，易于实现。

为实现上述目的，本发明提供了一种偏振分析仪，包括径向偏振转换器、线性偏振器、激光器、空间相位板、分束器、旋转多普勒效应发生器、模式滤波器和光强探测装置；其中：

所述的径向偏振转换器和线性偏振器依次设置在分束器其中一条输入光路上，径向偏振转换器用于将输入光中的左旋和右旋圆偏振分量，分别转换成不同的轨道角动量OAM模式，经线性偏振器转换成相同偏振态OAM模式；

所述的激光器和所述的空间相位板依次设置在分束器另一条输入光路上，空间相位板用于给激光器的输出光束加载一个螺旋相位，以产生预定的OAM模式，作为线性偏振器的输出光的参考光，该参考光的模式指数不能在线性偏振器输出的两个OAM模式的指数的正中间；

所述分束器用于将线性偏振器输出光和参考光合成一束输出；

所述旋转多普勒效应发生器设置在所述分束器的输出光路上，用于将分束器输出的单束光中不同的OAM模式转换成基模，并且产生不同的多普勒频移，输出包含基模的散射光；

所述模式滤波器和光强探测装置依序设在所述旋转多普勒效应发生器的输出光路上，模式滤波器用于从散射光中滤出基模，所述光强探测装置用于探测基模光强。

优选地，所述的偏振分析仪中，所述旋转多普勒效应发生器为一个反光面及与其固连的电机，反光面中心与电机转轴固连，在电机带动下匀速转动；反光面表面粗糙，其对光的调制函数沿方位角的复指数函数展开式中至少包含三项非零谐波，该三项谐波的阶数与分束器的输出光的三个OAM模式的拓扑荷数相反。

优选地，所述的偏振分析仪中，所述旋转多普勒效应发生器为设置在所述分束器的输出光路的液晶屏，显示屏加载有匀速旋转的相位图。

优选地，所述的偏振分析仪中，所述的径向偏振转换器和所述的线性偏振器能换成其它类型矢量偏振转换器结合线性偏振器；或者换成单独一个径向偏振器；或者单独一个其他的矢量偏振器。

优选地，所述的偏振分析仪中，所述模式滤波器采用耦合透镜和单模光纤组合而成，或者采用小孔实现滤波。

优选地，所述的偏振分析仪中，所述光强探测装置为光电探测器。

优选地，所述的偏振分析仪中，所述分束器是平板光分束器、立方体光分束器或薄膜分光器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：利用偏振器件将左旋圆偏光和右旋圆偏光转换成不同的OAM模式，再利用旋转多普勒效应发生器将每个入射的OAM模式以相同的效率转换成基模，将这些基模滤出后用光电探测器测量其光强，既能测量各个OAM模式的幅度分布，又能测量其相位分布，进而分析出其偏振态分布，且只需一次或两次测量，方法简单，易于实现。而传统的偏振测量方法需要多次测量，操作繁琐。

附图说明

图1是本发明实施例的偏振分析仪的结构示意图；

图2是待测光中的左旋和右旋圆偏分量的信号转换示意图；其中：图a1表示RCP分量，图b1为RCP转换成的OAM-2的螺旋相位结构分布，图c1为OAM-2转换成的输出电信号，图a2表示LCP分量，图b2为LCP转换成的OAM2的螺旋相位结构分布，图c2为OAM2转换成的输出电信号。

图3是偏振分析仪的输出信号的仿真图，其中，图a为光电探测器接收到的电信号，图b为光电探测器接收到的电信号的幅度谱；图c为光电探测器接收到的电信号的相位谱。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-径向偏振转换器，2-线性偏振器，3-激光器，4-空间相位板，5-分束器，6-旋转多普勒效应发生器，7-模式滤波器，8-光电探测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合简单的理论推导及演示例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的演示例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的基于旋转多普勒效应的偏振分析仪包括：径向偏振转换器1，线性偏振器2、激光器3、空间相位板4、分束器5、旋转多普勒效应发生器6、模式滤波器7和光电探测器8。径向偏振转换器1和偏振器2依次设置在分束器5其中一条输入光路上，这里入射光为平面波，其电场复振幅可以表示为矩阵：

$E_{in}=a\left[\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right]+b\left[\begin{array}{c}1\\ -i\end{array}\right]---\left(1\right)$

a和b是复常数，分别表示左旋圆偏振(LeftCircularlyPolarized，LCP)分量和右旋圆偏振(RightCircularlyPolarized，RCP)分量的权重，在经过径向偏振转换器1和线性偏振器2后，输出为：

$E_{o2}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}cos\left(2\mathrm{\θ}\right)& sin\left(2\mathrm{\θ}\right)\\ sin\left(2\mathrm{\θ}\right)& -\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)E_{in}=a\exp \left(i2\mathrm{\θ}\right)\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]+b\exp (-i2\mathrm{\θ})\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中θ与方位角的关系是可以看出径向偏振转换器1和线性偏振器2成功的将两个圆偏振分量转换成两个OAM模式，即OAM2和OAM-2，其中2和-2表示OAM光束的拓扑荷数。这里的轨道角动量(OrbitalAngularMomentum,OAM)模式是指其波前包含一个螺旋相位结构的光束，螺旋相位表达式为其中，是角坐标；l是方位角指数，定义为OAM模式的拓扑荷数(TopologicalCharge，TC)。作为一种选择，可用其他类型的矢量偏振转换器替代径向偏振转换器1，此时其中q是整数，α₀是一个常数，两个偏振光分别被转换成OAM2q和OAM-2q。此外，作为另一种选择，这里的径向偏振转换器1和线性偏振器2也可以用一个矢量偏振器替代，此时输出为：

$E_{o2}=\left(\begin{array}{cc}{\cos }^2\left(\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(2\mathrm{\θ}\right)/2\\ \sin \left(2\mathrm{\θ}\right)/2& {\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)E_{in}=\left\{a\exp \left(i\mathrm{\θ}\right)+b\exp \left(-i\mathrm{\θ}\right)\right\}\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(3\right)$

这里其中q是整数，α₀是一个常数。特别地，当q＝1，α₀＝0，该器件就是径向偏振器。为了简单讨论，下面的分析皆以采用径向偏振转换器1和线性偏振器2为例。

激光器3和空间相位板4依次设置在分束器5另一条输入光路上，空间相位板4用于将激光器3发出的激光调制成预定的OAM模式(假定为OAMm)，得到参考光(假定电场复振幅分布为其中B是一个复常数，跟参考光的振幅和相位相关)，分束器5用于将参考光和待测的OAM模式合并成单束光输出，旋转多普勒效应发生器6设置在分束器5的输出光路上，用于将分束器5输出的单束光中不同的OAM模式转换成基模(OAM0)，并且产生不同的多普勒频移，输出包含基模的散射光，模式滤波器7设置在旋转多普勒效应发生器6的输出光路上，用于从散射光中滤出基模。旋转多普勒效应发生器6的调制函数为：

其中t是时间，n为整数，Z表示整数域，A_n是每个螺旋分量的复系数，Ω是旋转多普勒效应发生器6的旋转速度，exp(-inΩt)是由于旋转引起的多普勒频移。参考光和公式(2)中表示的光场的混合光束经过旋转多普勒效应发生器6和模式滤波器7后输出为：

$E_{o7}=\{{\mathrm{aA}}_{-2}\exp \left(i2\mathrm{\Ω}t\right)+{\mathrm{bA}}_2\exp (-i2\mathrm{\Ω}t)+{\mathrm{BA}}_{-m}\exp (-im\mathrm{\Ω}t)\}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]---\left(5\right)$

光电探测器8连接模式滤波器7，用于探测基模光强。利用数字处理系统对光电探测器8探测的光强做傅里叶变换得到待测光的OAM谱，其中不仅包含幅度信息还包含模式的相位信息。当参考光强度远大于待测光时，光电探测器8输出的电信号交流项为：

I_o8＝2aA_-2(bA₂)^*cos(4Ωt)+2aA_-2(BA_-m)^*cos[(2+m)Ωt]+2bA₂(BA_-m)^*cos[(m-2)Ωt]≈2(BA_-m)^*{aA_-2cos[(2+m)Ωt]+bA₂cos[(m-2)Ωt]}(6)

我们可以发现两个圆偏振分量的复系数成功地转换到两个频率上，即(m±2)Ω/2π，通过频谱分析就可以得到相应的系数，也就可以得到偏振分布。通过改变参考光功率，可以发现公式(6)中的噪声(第一项)不变，信号(第二项和第三项)成比例变化，因此将两次测量的结果相减可以将噪声完全消除。

图2举例说明了待测光中的圆偏分量跟输出电信号的转换关系，在这里，参考光选取的是OAM-4，所有系数A_n相等。如图2(a1)和图2(a2)所示，待测光总可以分解成两个圆偏光分量的叠加(RCP和LCP)，这里RCP和LCP的复振幅比设定为-1:2。在经过径向偏振转换器1和线性偏振器2后，RCP被转换成OAM-2,其相位结构如图2(b1)所示。类似地，LCP被转换成OAM2,其相位结构如图2(b2)所示。经过旋转多普勒效应和滤波后，每个OAM模式都转换成基模，并且发生了频移，频移量跟OAM模式的拓扑荷数成正比，其缩减的频移量是Δf＝TC*Ω/2π，其中，Ω是旋转多普勒效应发生器6的旋转速度。这些不同频率的基模会相互之间拍频，这些拍频信号分为两个部分：1)待测光之间的拍频信号；2)待测光与参考光之间的拍频信号。当参考光的功率远大于待测光时，待测光之间的拍频信号可以忽略不计。如图2(c1)和图2(c2)，分别是OAM-2和OAM2与参考光OAM-4在旋转一周时间内的拍频信号，可以看出拍频的频率正比于两个OAM模式的TC差，即分别为2Ω/2π和6Ω/2π，且拍频信号的复振幅系数正比于待测光中圆偏分量的复系数。这些拍频信号可以被光电探测器8探测到，探测到的在旋转一周时间内的总光强分布如图3(a)所示，该曲线是很多拍频信号的叠加状态，对其进行傅里叶变换，就可以求出每个拍频信号的复振幅分布，将横坐标频率转换成OAM模式，就可以得到OAM谱，结果如图3(b)和(c),该谱线既包含幅度信息，也包含相位信息。可以看出OAM-2和OAM2的复振幅比是-1:2，与偏振态分布是一致的，通过公式(1)可以得到输入光的偏振分布。

前述是假设参考光的功率远大于待测光，忽略了由于待测光之间的拍频产生的噪声，因此得到的谱线是一个带有噪声的OAM谱线。当改变参考光功率时，待测光之间的拍频信号不会改变，但是参考光与待测光的拍频信号会成比例变化，因此只需要将两次测量的强度信号相减，就可以获得噪声被抵消的OAM谱，既可以得到精确的偏振分布。

上述方法中，旋转多普勒效应发生器将每个入射OAM模式转换成基模的效率是一样的，但在实际应用中，要设计旋转表面使得每个入射的OAM模式都能等效率地转换成基模，是有一定难度的。实际上，非均匀的转换效率也是可行的，只需校准最后的结果。校准的方法是：在相同的条件下，先测量每个OAM模式与参考模式的拍频信号的幅度和相位，也就是复振幅分布，作为校准数据；之后用前述的方法测量得到OAM谱，也就是OAM模式的复振幅分布；最后用OAM模式的复振幅分布除以校准数据就可以得到精确的结果。

本发明的基于旋转多普勒效应的偏振分析仪的特点是将待测光中的RCP和LCP分量转换成两个OAM模式，再和参考光合束后输入到旋转多普勒效应发生器，输出光是杂乱的散射光，之后用模式滤波器滤出基模，进而用光电探测器测量基模光强，得到OAM谱线以及相对相位信息，进而得到偏振分布。其中，旋转多普勒效应发生器的作用是将每个入射的OAM模式以相同的效率转换成基模，不同的入射模式转换成基模后会发生不同的频移，频移量跟TC成正比，这些不同频率的光束会产生拍频信号，这些拍频信号可以由光电探测器检测到。光电探测器探测到的时域电信号包含很多的拍频信号，包括待测光之间的拍频信号，待测光和参考光的拍频信号。当参考光的功率远大于待测光时，待测光之间的拍频可以忽略不计，因此得到的光强信号实际上就是参考光与待测光的拍频信号的叠加，而这些拍频信号的复振幅与待测光中的对应偏振分量的复振幅成正比，因此得到的频谱就是偏振谱，而忽略的待测光之间的拍频信号则是内在的噪声。当改变参考光的功率时，待测光之间的拍频信号不会发生改变，而参考光与待测光之间的拍频信号会成比例变化，因此通过两次测量结果相减能将这些噪声消除，得到的谱线刚好就是OAM谱，即偏振谱。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种偏振分析仪，其特征在于，包括径向偏振转换器(1)、线性偏振器(2)、激光器(3)、空间相位板(4)、分束器(5)、旋转多普勒效应发生器(6)、模式滤波器(7)和光强探测装置(8)；其中：

所述的径向偏振转换器(1)和线性偏振器(2)依次设置在分束器(5)其中一条输入光路上，径向偏振转换器(1)用于将输入光中的左旋和右旋圆偏振分量，分别转换成不同的轨道角动量OAM模式，经线性偏振器(2)转换成具有相同偏振态的OAM模式；

所述的激光器(3)和所述的空间相位板(4)依次设置在分束器(5)另一条输入光路上，空间相位板(4)用于给激光器(3)的输出光束加载一个螺旋相位，以产生预定的OAM模式，作为线性偏振器(2)的输出光的参考光，该参考光的模式指数不能在线性偏振器(2)输出的两个OAM模式的指数的正中间；

所述分束器(5)用于将线性偏振器(2)的输出光和参考光合成一束输出；

所述旋转多普勒效应发生器(6)设置在所述分束器(5)的输出光路上，用于将分束器(5)输出的单束光中不同的OAM模式转换成基模，并且产生不同的多普勒频移，输出包含基模的散射光；

所述模式滤波器(7)和光强探测装置(8)依序设在所述旋转多普勒效应发生器(6)的输出光路上，模式滤波器(7)用于从旋转多普勒效应发生器(6)输出散射光中滤出基模，所述光强探测装置(8)用于探测基模光强，对接收到的强度信息做频谱分析，得到输入光的偏振态。

2.如权利要求1所述的偏振分析仪，其特征在于，所述旋转多普勒效应发生器为一个反光面及与其固连的电机，反光面中心与电机转轴固连，在电机带动下匀速转动；反光面表面粗糙，粗糙程度要求其对光的调制函数沿方位角的复指数函数展开式中至少包含三项非零谐波，该三项谐波的阶数与分束器(5)的输出光的三个OAM模式的拓扑荷数相反。

3.如权利要求1或2所述的偏振分析仪，其特征在于，所述旋转多普勒效应发生器为设置在所述分束器的输出光路的液晶屏，显示屏加载有匀速旋转的相位图。

4.如权利要求1或2所述的偏振分析仪，其特征在于，所述的径向偏振转换器(1)和所述的线性偏振器(2)换成其它类型矢量偏振转换器结合线性偏振器；或者换成单独一个径向偏振器；或者单独一个其他的矢量偏振器。

5.如权利要求1或2所述的偏振分析仪，其特征在于，所述模式滤波器(7)采用耦合透镜和单模光纤组合而成，或者采用小孔实现滤波。

6.如权利要求1或2所述的偏振分析仪，其特征在于，所述光强探测装置为光电探测器。

7.如权利要求1-6所述的偏振分析仪，其特征在于，所述分束器是平板光分束器、立方体光分束器或薄膜分光器。