CN106442336A - 一种基于光谱分析的偏振特性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光谱分析的偏振特性测试方法，待测信号光通过λ/4延迟波片、起偏器进入偏振分析模块，根据实际测试需求设置合适的波长间隔；控制λ/4延迟波片同方向转动多次，在与初始位置的角度差逐渐增大至180°时停止；λ/4延迟波片在若干次转动完成后，记录光谱分析模块的光谱测试结果；λ/4延迟波片在完成多次转动后，利用记录的光谱测试数据结合λ/4延迟波片的波长相关延迟量、转动角度，计算得到待测信号光中每个波长点的斯托克斯矢量；旋转起偏器并重复以上步骤，计算得到物质在宽波段范围内多波长点的琼斯矩阵。本发明能够有效克服光学介质色散因素的影响，在一次独立测量中能够实现对信号光中的多波长点多偏振态进行分析测试。

Description

一种基于光谱分析的偏振特性测试方法

技术领域

本发明涉及光电子测试技术领域，特别是涉及一种基于光谱分析的偏振特性测试方法。

背景技术

偏振是光的一个重要特性，用于描述光矢量在空间上的振动方向和变化规律。偏振测试是一类重要的光电子测试技术，主要是通过一定的技术手段，得到光源、物质等待侧目标的偏振特性信息。目前，偏振特性测试已在通信、传感、物质分析、图像识别和遥感等多种光学技术领域得到广泛应用，在多种光学技术的实用化和高效化进程中发挥了重要的促进和指导作用。

目前，常用的偏振特性测试设备按照工作机理不同主要分为周期调制法和四路分束法两种。周期调制法首先对待测信号光进行周期的偏振态调制，然后通过检偏器进入探测器，通过探测器采集到的功率数据结合周期调制器件的方位角、延迟量等信息，进行离散傅立叶变换求解得到待测信号光的斯托克斯矢量；四路分束法将待测信号光分为四路，四路光经过不同的偏振态控制，然后通过该路对应的检偏器进入探测器，通过四个探测器采集到的功率数据结合四路分束光路系统的传输矩阵，利用矩阵方程求解得到待测信号光的斯托克斯矢量。

由于受光学介质色散因素影响，现有的周期调制法和四路分束法偏振特性测试方法在一次独立测试中只能针对一个波长点，因此在宽波段范围的光源或物质的偏振特性参数测试方面，存在一定的不足和局限性：1)对宽光谱光源的测试，采用单一峰值波长的整体分析方法，在一定程度上能提高测试精度，但光源不同波长点处的偏振特性不同，导致测试结果仍存在较大误差；2)对物质的宽波段范围测试，采用基于可调谐激光器的逐波长点测试，精度较高，但耗时较长，另外可调谐激光器成本较高，耗时和成本都制约了该方法的大量普及使用。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的上述缺陷，提供了一种基于光谱分析的偏振特性测试方法。

一种基于光谱分析的偏振特性测试方法，包括以下步骤：

步骤一、待测信号光通过λ/4延迟波片、第一起偏器进入偏振分析模块，根据实际测试需求设置合适的波长间隔，将待测波段分为n个波长点，并用δ_i表示λ/4延迟波片在第i个波长点处对应的延迟量，i＝1...n；

步骤二、控制λ/4延迟波片同方向转动m次，在与初始位置的角度差逐渐增大至180°时停止；

步骤三、λ/4延迟波片在j次转动完成后，j＝1...m，λ/4延迟波片与初始位置的角度差用θ_j表示，记录光谱分析模块的光谱测试结果，其中包括每个波长点对应的光功率值，用I_ij表示在第j次转动完成后光谱测试结果中第i个波长点对应的光功率值；

步骤四、λ/4延迟波片在完成m次转动后，利用记录的光谱测试数据结合λ/4延迟波片的波长相关延迟量、转动角度，计算得到待测信号光中每个波长点的斯托克斯矢量，用(S_i0 S_i1 S_i2 S_i3)表示待测信号光中第i个波长点的斯托克斯矢量，其计算公式表示为：

其中T_i ⁺为T_i的伪逆矩阵，

优选地，所述λ/4延迟波片的波长相关延迟量经过精确标定，固定于旋转位移器中，且λ/4延迟波片在初始固定位置时的光轴方向与第一起偏器的起偏方向平行。

优选地，所述旋转位移器的转动采用电控方式。

优选地，所述待测信号光以空间光的形式在λ/4延迟波片、第一起偏器中传播。

优选地，所述步骤二中m大于等于4。

本发明与现有技术方案相比具有以下有益效果和优点：

本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种基于光谱分析的偏振特性测试方法，能够有效克服光学介质色散因素的影响，在一次独立测量中能够实现对信号光中的多波长点多偏振态进行分析测试，解决现有技术在宽波段范围的光源或物质的偏振特性参数测试方面存在的问题和不足。

附图说明

图1为本发明实施例1的装置结构简图。

图2为本发明实施例2的装置结构简图。

图中，1、λ/4延迟波片；2、第一起偏器；3、光谱分析模块；4、宽光谱光源；5、第二起偏器；6、待测物质。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

实施例1

本发明旨在解决宽波段范围的偏振特性参数精确测试难题，可实现宽光谱光源的偏振特性精确测试。

本发明提出的基于光谱分析的偏振特性测试方法，测试设备由λ/4延迟波片1、第一起偏器2、光谱分析模块3、宽光谱光源4组成。待测宽光谱光源4输出光依次经过λ/4延迟波片1、第一起偏器2，进入光谱分析模块3进行测试。待测宽光谱光源4可以为各种类型的宽光谱光源，如SLD光源、LED光源、ASE光源和THz源等，根据实际的测试波段需求，选择适用于该波段的λ/4延迟波片1、第一起偏器2、光谱分析模块3。待测信号光在空间光的形式在λ/4延迟波片1、第一起偏器2中传播，如待测宽光谱光源或偏振分析模块为光纤接口型，可在λ/4延迟波片1前或第一起偏器2后加带有尾纤的准直镜，实现光纤光/空间光的切换。

λ/4延迟波片1的波长相关延迟量需经过精确标定，λ/4延迟波片1固定于旋转位移器中。其中，λ/4延迟波片1位于初始位置固定时，λ/4延迟波片1的光轴方向与第一起偏器2的起偏方向平行；旋转位移器的转动采用电控方式，并带有反馈方式，能对每次转动的角度进行精确标定。当旋转位移器转过一定角度时，λ/4延迟波片1随之产生等量的角度变化。

具体的实现步骤包括：

1、待测信号光通过λ/4延迟波片1、第一起偏器2进入偏振分析模块3，根据实际测试需求设置合适的波长间隔，将待测波段分为n个波长点，并用δ_i表示λ/4延迟波片在第i个波长点处对应的延迟量，i＝1...n；

2、控制λ/4延迟波片1同方向转动m次，m≥4，在与初始位置的角度差逐渐增大至180°时停止，每次转动的角度尽量相等；

3、λ/4延迟波片1在j次转动完成后，j＝1...m，λ/4延迟波片1与初始位置的角度差用θ_j表示，记录光谱分析模块3的光谱测试结果，其中包括每个波长点对应的光功率值，用I_ij表示在第j次转动完成后光谱测试结果中第i个波长点对应的光功率值；

4、λ/4延迟波片1在完成m次转动后，利用记录的光谱测试数据结合λ/4延迟波片1的波长相关延迟量、转动角度，计算得到待测信号光中每个波长点的斯托克斯矢量，用(S_i0S_i1 S_i2 S_i3)表示待测信号光中第i个波长点的斯托克斯矢量，其计算公式表示为：

其中T_i ⁺为T_i的伪逆矩阵，

实施例2

采用本发明方法，可直接利用宽光谱光源实现物质宽波段范围的偏振特性测试，如测试物质的宽波段范围的琼斯矩阵。本发明提出的基于光谱分析的偏振特性测试方法，测试设备由λ/4延迟波片1、第一起偏器2、光谱分析模块3、第二起偏器5、待测物6、宽光谱光源4组成。宽光谱光源4输出光经可旋转的第二起偏器5、待测物质6、λ/4延迟波片1、第一起偏器2，进入光谱分析模块3进行测试。

宽光谱光源4可选用SLD光源、LED光源、ASE光源和THz源等，根据实际的测试波段需求和待测物6，选择适用于该波段的λ/4延迟波片1、第一起偏器2、光谱分析模块3、第二起偏器5。信号光在空间光的形式在第二起偏器5、λ/4延迟波片1、第一起偏器2中传播。

λ/4延迟波片1的波长相关延迟量需经过精确标定，λ/4延迟波片1固定于旋转位移器中。其中，λ/4延迟波片1位于初始位置固定时，λ/4延迟波片1的光轴方向与第一起偏器2的起偏方向平行；旋转位移器的转动采用电控方式，并带有反馈方式，能对每次转动的角度进行精确标定。当旋转位移器转过一定角度时，λ/4延迟波片1随之产生等量的角度变化。

具体的实现步骤包括：

1、宽光谱光源4输出光经第二起偏器5、待测物质6、λ/4延迟波片1、第一起偏器2，进入光谱分析模块3，根据实际测试需求设置合适的波长间隔，将待测波段分为n个波长点，并用δ_i表示λ/4延迟波片在第i个波长点处对应的延迟量，i＝1...n；

2、控制λ/4延迟波片1同方向转动m次，m≥4，在与初始位置的角度差逐渐增大至180°时停止，每次转动的角度尽量相等；

3、λ/4延迟波片1在j次转动完成后，j＝1...m，λ/4延迟波片与初始位置的角度差用θ_j表示，记录光谱分析模块3的光谱测试结果，其中包括每个波长点对应的光功率值，用I_ij表示在第j次转动完成后光谱测试结果中第i个波长点对应的光功率值；

4、λ/4延迟波片1在完成m次转动后，利用记录的光谱测试数据结合λ/4延迟波片的波长相关延迟量、转动角度，计算得到信号光中每个波长点的斯托克斯矢量，用(S_i0 S_i1 S_i2S_i3)表示待测信号光中第i个波长点的斯托克斯矢量，其计算公式表示为：

其中T_i ⁺为T_i的伪逆矩阵，

5、旋转第二起偏器5使起偏方向角度与初始位置发生45°变化，重复步骤1-4，得到第二组信号光中每个波长点的斯托克斯矢量数据；

6、旋转第二起偏器5使起偏方向角度与初始位置发生90°变化，重复步骤1-4，得到第三组信号光中每个波长点的斯托克斯矢量数据；

7、利用步骤4-6得到的三组关于待测信号光中每个波长点的斯托克斯矢量数据，计算得到物质在宽波段范围内多波长点的琼斯矩阵。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光谱分析的偏振特性测试方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、待测信号光通过λ/4延迟波片(1)、第一起偏器(2)进入偏振分析模块(3)，根据实际测试需求设置合适的波长间隔，将待测波段分为n个波长点，并用δ_i表示λ/4延迟波片(1)在第i个波长点处对应的延迟量，i＝1...n；

步骤二、控制λ/4延迟波片(1)同方向转动m次，在与初始位置的角度差逐渐增大至180°时停止；

步骤三、λ/4延迟波片(1)在j次转动完成后，j＝1...m，λ/4延迟波片与初始位置的角度差用θ_j表示，记录光谱分析模块(3)的光谱测试结果，其中包括每个波长点对应的光功率值，用I_ij表示在第j次转动完成后光谱测试结果中第i个波长点对应的光功率值；

步骤四、λ/4延迟波片(1)在完成m次转动后，利用记录的光谱测试数据结合λ/4延迟波片的波长相关延迟量、转动角度，计算得到待测信号光中每个波长点的斯托克斯矢量，用(S_i0 S_i1 S_i2 S_i3)表示待测信号光中第i个波长点的斯托克斯矢量，其计算公式表示为：

$\left(\begin{array}{cccc}{S}_{i0}& S_{i1}& S_{i2}& S_{i3}\end{array}\right)=\frac{1}{2}\·T_i^{+}\·{\left(\begin{array}{ccccc}{I}_{i1}& \mathrm{...}& I_{ij}& \mathrm{...}& I_{im}\end{array}\right)}^T$

其中T_i ⁺为T_i的伪逆矩阵，

$T_i=\left(\begin{array}{cccc}1& {\cos }^{2}2{\mathrm{\θ}}_1+{\sin }^{2}2{\mathrm{\θ}}_1\·{\mathrm{cos\δ}}_i& sin2{\mathrm{\θ}}_1\·cos2{\mathrm{\θ}}_1\·(1-{\mathrm{cos\δ}}_i)& -sin2{\mathrm{\θ}}_1\·{\mathrm{sin\δ}}_i\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ 1& {\cos }^{2}2{\mathrm{\θ}}_j+{\sin }^{2}2{\mathrm{\θ}}_j\·{\mathrm{cos\δ}}_i& sin2{\mathrm{\θ}}_j\·cos2{\mathrm{\θ}}_j\·(1-{\mathrm{cos\δ}}_i)& -sin2{\mathrm{\θ}}_j\·{\mathrm{sin\δ}}_i\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ 1& {\cos }^{2}2{\mathrm{\θ}}_m+{\sin }^{2}2{\mathrm{\θ}}_m\·{\mathrm{cos\δ}}_i& \sin 2{\mathrm{\θ}}_m\·\cos 2{\mathrm{\θ}}_m\·(1-{\mathrm{cos\δ}}_i)& -\sin 2{\mathrm{\θ}}_m\·{\mathrm{sin\δ}}_i\end{array}\right).$

2.根据权利要求1所述的基于光谱分析的偏振特性测试方法，其特征在于：所述λ/4延迟波片(1)的波长相关延迟量经过精确标定，固定于旋转位移器中，且λ/4延迟波片(1)在初始固定位置时的光轴方向与第一起偏器(2)的起偏方向平行。

3.根据权利要求2所述的基于光谱分析的偏振特性测试方法，其特征在于：所述旋转位移器的转动采用电控方式。

4.根据权利要求1所述的基于光谱分析的偏振特性测试方法，其特征在于：所述待测信号光以空间光的形式在λ/4延迟波片(1)、第一起偏器(2)中传播。

5.根据权利要求1所述的基于光谱分析的偏振特性测试方法，其特征在于：所述步骤二中m大于等于4。