CN106500844B - 一种六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪及其参数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪及其测量方法；依照斯托克斯向量定义开展斯托克斯参数的同步测量，测量结果与仪器矩阵无关，仪器操作极其简便；仪器既可测量完全偏振光，又可测量部分偏振光；测量速度快且时间分辨率高，能测量高速动态实验中斯托克斯向量的动态历程；仪器在出厂前校准了各光学元器件的参数偏差和安装误差，保证了高测量准确性；仪器能实时测量信号并能实时处理，测量结果具备直观可视化的特点，降低了对操作者的知识素养要求。另外，当本发明实施例中仪器结构足够紧凑，依靠其ns量级时间分辨率和百兆赫兹的数据采样带宽，可充分实现斯托克斯向量的在线与高速动态同步测量。
Description
技术领域
本发明属于高速动态实验光学测量领域，更具体地，涉及一种六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪及相应斯托克斯参数测量方法。
背景技术
随着激光技术与偏振物理的发展，斯托克斯偏振仪因同步且高速测量待测光斯托克斯参数得到广泛应用。在材料热物性参数(如法向发射率、样品真温、比热容、比焓、热扩散率和导热系数等，最关键参数为法向发射率)测量领域，斯托克斯偏振仪既能测量固体的脉冲加热瞬态热物性参数，又能测量液态金属或合金的脉冲加热瞬态热物性参数；在糖溶液糖度测量领域，斯托克斯偏振仪开展旋光分析，能实现糖度和旋光度离线和在线的高速测量；类似的，斯托克斯偏振仪也能快速表征地表环境的浊度；在冲击压缩加载试验中，斯托克斯偏振仪能够高速且动态地测量冲击过程中的斯托克斯向量变化历程，进而获取受冲击金属样件的光学常数和法向发射率变化历程；在光纤通信领域，斯托克斯偏振仪能够测量高速率、长链路光纤通信系统中光器件的偏振相关损耗。
而上述诸多测量应用对斯托克斯向量的测量速度和测量频率要求逐步提高，目前常见快速斯托克斯偏振仪多采用四通道分振幅斯托克斯偏振仪实现。其原理是：采用一束偏振光入射待测样件，将反射光进行分通道调制，再利用四个光电探测器探测各通道光强信号，借助校准所得的仪器矩阵求取该偏振光的斯托克斯向量。
然而该方法存在以下问题：(1)该仪器在实现测量前必须已知仪器矩阵，且该矩阵测定过程比较繁琐；(2)仪器矩阵未考虑各器件的参数偏差(如1/2波片、1/4波片方位角和相位延迟量等)和安装误差，导致实际测量时的测量结果存在不可降低的误差；(3)仪器矩阵可能会是奇异矩阵，此时在实际测量时会得不到测量结果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其目的在于提高测量准确度和精度。
本发明提供了一种六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，包括：光收集模块、第一分束器，第二分束器，1/4波片，第一偏振分束器，第二偏振分束器，第三偏振分束器，第一光纤准直器，第二光纤准直器，第三光纤准直器，第四光纤准直器，第五光纤准直器，第六光纤准直器，1/2波片，第一光电倍增管，第二光电倍增管，第三光电倍增管，第四光电倍增管，第五光电倍增管，第六光电倍增管，第一放大器，第二放大器，第三放大器，第四放大器，第五放大器，第六放大器，示波器和数据处理模块；所述光收集模块用于将待测样品表面散射或反射的信号光准直为平行光；所述第一分束器设置在所述光收集模块的输出光路上，用于将所述平行光分为第一反射光和第一透射光；所述第二分束器设置在所述第一分束器的透射光路上，用于将所述第一透射光分为第二反射光和第二透射光；所述第一偏振分束器设置在所述第一分束器的反射光路上，用于将所述第一反射光分为第三反射光和第三透射光；所述第一光纤准直器的输入端接收所述第三反射光，所述第一光纤准直器的输出端依次通过所述第一光电倍增管和第一放大器连接至所述示波器的第一输入端；所述第二光纤准直器的输入端接收所述第三透射光，所述第二光纤准直器的输出端依次通过所述第二光电倍增管和第二放大器连接至所述示波器的第二输入端；所述1/2波片和所述第二偏振分束器依次设置在所述第二分束器的反射光路上，所述第二偏振分束器用于将所述第二反射光分为第四反射光和第四透射光；所述第三光纤准直器的输入端接收所述第四反射光，所述第三光纤准直器的输出端依次通过所述第三光电倍增管和第三放大器连接至所述示波器的第三输入端；所述第四光纤准直器的输入端接收所述第四透射光，所述第四光纤准直器的输出端依次通过所述第四光电倍增管和第四放大器连接至所述示波器的第四输入端；所述1/4波片和第三偏振分束器依次设置在所述第二分束器的透射光路上，所述第三偏振分束器用于将所述第二透射光分为第五反射光和第五透射光；所述第五光纤准直器的输入端接收所述第五反射光，所述第五光纤准直器的输出端依次通过所述第五光电倍增管和第五放大器连接至所述示波器的第五输入端；所述第六光纤准直器的输入端接收所述第五透射光，所述第六光纤准直器的输出端依次通过所述第六光电倍增管和第六放大器连接至所述示波器的第六输入端；所述数据处理模块与所述示波器的输出端连接，用于对所述示波器输出的数据进行处理后获得待测光的斯托克斯向量。
更进一步地，光收集模块包括：会聚透镜，孔径光阑和准直透镜，所述孔径光阑设置在所述会聚透镜的焦点和所述准直透镜的焦点处。
更进一步地，测量面与待测样品的相应出射面是重合的，且待测样品测量区域中心与所述会聚透镜之间的距离大于1倍焦距。
更进一步地，还包括：设置在所述第一光纤准直器的输出端与所述第一光电倍增管的输入端之间的第一光纤，设置在所述第二光纤准直器的输出端与所述第二光电倍增管的输入端之间的第二光纤，设置在所述第三光纤准直器的输出端与所述第三光电倍增管的输入端之间的第三光纤，设置在所述第四光纤准直器的输出端与所述第四光电倍增管的输入端之间的第四光纤，设置在所述第五光纤准直器的输出端与所述第五光电倍增管的输入端之间的第五光纤和设置在所述第六光纤准直器的输出端与所述第六光电倍增管的输入端之间的第六光纤。
更进一步地，还包括：设置在所述示波器的输出端与所述数据处理模块的输入端之间的USB总线。
更进一步地，所述第一分束器的分光面与所述平行光呈45°夹角，所述第二分束器的分光面与所述第一分束器的透射光呈45°夹角。
更进一步地，第一分束器的透反比为2:1，所述第二分束器的透反比为1:1。
更进一步地，所述第一偏振分束器，所述第二偏振分束器和所述第三偏振分束器的结构相同，均为透射与反射消光比大于10000:1的立方体偏振分束器。
本发明还提供了一种基于上述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪的参数测量方法，包括下述步骤：
S1：调节待测光垂直入射到所述六通道分振幅斯托克斯偏振仪中；
S2：同步测得第一分支光束、第二分支光束、第三分支光束中各自p光和s光的光强分别为I1P、I1S、I2P、I2S、I3P和I3S；
S3：利用公式和计算待测光的斯托克斯向量偏振度
其中，由第一分束器、第一偏振分束器、第一和第二光纤准直器、第一和第二光纤、第一和第二光电倍增管组成第一分支光路，第一分支光路包含的两束光合称为第一分支光束；由第一分束器、第二分束器、第二偏振分束器、1/2波片、第三和第四光纤准直器、第三和第四光纤、第一和第二光电倍增管组成第二分支光路，第二分支光路包含的两束光合称为第二分支光束；由第一分束器、第二分束器、第三偏振分束器、1/4波片、第三和第四光纤准直器、第三和第四光纤、第一和第二光电倍增管组成第三分支光路，第三分支光路包含的两束光合称为第三分支光束；I1P、I1S分别为在所述第一分支光路中由所述第一光电倍增管和所述第二光电倍增管所测量的光强信号；I2P、I2S分别为在第二分支光路中由所述第三光电倍增管和所述第四光电倍增管所测量的光强信号；I3P、I3S分别为在第三分支光路中由所述第五光电倍增管和所述第六光电倍增管所测量的光强信号；S为待测光的斯托克斯向量，S1、S2、S3是斯托克斯向量S中第二、第三、第四向量元素，也称为斯托克斯参数，P为偏振度。
更进一步地，，在步骤S1之前还包括出厂前的参数修正步骤：
(1)采用He-Ne激光器、起偏器和1/4波片产生一束线偏振光，起偏器方位角α和1/4波片方位角β可在0°至360°内调节；
(2)将此偏振光直接入射到上述的斯托克斯偏振仪中，并得到相应斯托克斯向量；
(3)不断改变起偏器和1/4波片的方位角时，仪器测量得到斯托克斯向量也相应改变，则可生成斯托克斯参数测量曲线
(4)根据光的偏振理论建立斯托克斯理论模型，该理论模型中以各器件的参数偏差和安装误差值作为拟合参数；
(5)将该理论模型对应的计算曲线Si(α,β)与测量曲线进行拟合，使得最小，则可反演得到各器件的参数偏差值(δ1,δ2···δq)和安装误差值
(6)根据所求参数偏差值和安装误差值修正仪器中的器件参数值；
其中，α为起偏器方位角，β为1/2波片方位角；δ为仪器中器件的参数偏差，δq表示第q个参数偏差；为仪器中器件的安装误差，表示第l个参数偏差；表示测量的斯托克斯参数S1、S2、S3，下标m表示测量；Si(α,β)，i＝1,2,3，表示利用理论模型计算得到的斯托克斯参数S1、S2、S3；N为起偏器方位角个数，M为1/4波片方位角个数。
总体而言，通过本发明所提出的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)充分考虑仪器内部各器件的参数偏差值和安装误差值，从而提高斯托克斯偏振仪测量结果的准确性和精度；
(2)仪器测量速度快，测量信号处理时间极短，且测量信号的时间分辨率非常高光电倍增管ns量级的时间响应和数据采集系统200MHz的带宽保证了该测量系统的时间分辨率为ns量级，能充分测量高速动态实验中斯托克斯向量的渐变过程，优选器件后可更快地响应与测量，将斯托克斯偏振仪的应用范围拓展到冲击动力学与材料热物性测定领域；
(3)仪器采用六通道测量光强信号，再由斯托克斯向量定义得到斯托克斯向量，则仪器不仅能测量完全偏振光的斯托克斯向量，还能测量部分偏振光的斯托克斯向量，同时得到了待测光的偏振度，这拓展了斯托克斯偏振仪的测量对象；
(4)仪器的信号测量时间和信号处理时间都非常短，这使得仪器具有“所测即所得”的特点，降低了仪器操作人员的相关知识要求。
附图说明
图1是本发明实施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪的结构原理图；
图2是本发明实施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪的参数修正装置图；
图3是本发明实施例的斯托克斯偏振仪典型实际测量案例一的示意图；
图4是本发明实施例的斯托克斯偏振仪典型实际测量案例二的示意图。
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：10为会聚透镜，20为孔径光阑，30为准直透镜，40为第一分束器，41为第二分束器，50为1/4波片，60为第一偏振分束器，61为第二偏振分束器，62为第三偏振分束器，70为第一光纤准直器，71为第二光纤准直器，72为第三光纤准直器，73为第四光纤准直器，74为第五光纤准直器，75为第六光纤准直器，80为1/2波片，90为第一光电倍增管，91为第二光电倍增管，92为第三光电倍增管，93为第四光电倍增管，94为第五光电倍增管，95为第六光电倍增管，100为第一光纤，101为第二光纤，102为第三光纤，103为第四光纤，104为第五光纤，105为第六光纤，110为第一放大器，111为第二放大器，112为第三放大器，113为第四放大器，114为第五放大器，115为第六放大器，120为示波器，130为USB总线，140为数据处理模块，200为氦氖激光光源，300为起偏器，400为1/4波片，500为待测样品，600为六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，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。
本发明的目的在于：(1)将待测光的斯托克斯向量依照斯托克斯向量定义进行测定，实现测量数据的简洁处理，则可忽略数据处理时间，从而保证测量数据的实时处理；(2)在实际测量前，充分考虑各内部元器件的参数偏差和安装误差，并进行相应补偿，从而提高测量结果的高准确性与高精度；(3)扩展仪器测量对象，既可测量完全偏振光的斯托克斯向量，又可测量部分偏振光的斯托克斯向量，还能获得待测光的偏振度值；(4)仪器测量结果与仪器矩阵无关，则避免了无法得到测量结果的情形；(5)当仪器选用高速响应的光电转换器件时，仪器能表征ns量级或更短时间下的材料光学属性动态历程，进而实现材料在高温高压冲击下热物性的无损非接触探测。
本发明提供了一种六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其组成器件包括会聚透镜、孔径光阑、准直透镜、分束器、1/2波片、1/4波片、偏振分束器、光纤准直器、光纤、光电倍增管(或数据采集模块)、放大器、多通道示波器、USB总线、数据处理模块(依照待测光传播顺序)。孔径光阑设置在会聚透镜和准直透镜的共轭焦点处，此三器件构成光收集模块，能将待测样品表面的散射信号光或反射的平行度较差的平行光准直为平行度较高的平行光；所述分束器安装于所述准直透镜的输出光路上，两个分束器相邻放置，两者的分光面与所述平行光束呈45°夹角，用于反射和透射所述平行光束得到被测量的第一分支光束、第二分支光束、第三分支光束(由第一个分束器分光面反射的光，经过第一个偏振分束器，分束成平行于光入射面的p光和垂直于入射面的s光，p光和s光分别被各自对应的光纤准直器会聚进入光纤中，此为第一分支光束；由第一个分束器分光面透射的光，再经过第二个分束器分光面反射，透射过1/2波片，经由第二个偏振分束器分束成p光和s光，最后分别被各自对应的光纤准直器会聚进入光纤中，此为第二分支光束；由第一个分束器分光面透射的光，再被第二个分束器分光面透射，透射过1/4波片，经由第三个偏振分束器分束成p光和s光，最后分别被各自对应的光纤准直器会聚进入光纤中，此为第三分支光束)；所述三个偏振分束器分别设置在所述分束器的各分支输出光路上，其分光面与所述各分支光束呈45°夹角，用于将各分支光束分束成对应p光和s光；所述光纤准直器将六路p光和s光会聚进入所述光纤中，并被所述光电倍增管所探测，从而得到六路光强对应弱电流信号；所述放大器将六路弱电流信号转化并放大为电压信号后输送至所述多通道示波器(也可以是参数相同的若干个示波器)中进行显示，最终放大后的信号经所述USB总线传输至所述数据处理模块中，经过简单的数据处理得到待测光的斯托克斯向量；另外，所述六个光电倍增管、六个放大器、六根光纤性能一致。
在本发明实施例中，会聚透镜直径较大，用以搜集更多的散射光，且能使仪器适用于样品靶面可能存在的毫秒级位移和微小角度的倾斜；所述分束器透反比可任意选定，但最佳透反比分别为2:1和1:1(最佳透反比是为了保证三个分支光束光强大致相等，则6个通道上所选用的光电倍增管配置参数相同，从而简化仪器设计)，且具有显著的保偏性；所述偏振分束器为透射与反射消光比均大于10000:1的立方体偏振分束器；所述光电倍增管响应时间为ns量级，所述多通道示波器至少具有200MHz带宽，且能同时处理六路信号(所述多通道示波器可替换为多个相同配置参数且至少具有200MHz带宽的示波器)。
在本发明实施例中，六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪的测量面与待测样品的相应出射面是重合的，且待测样品测量区域中心与会聚透镜距离应大于1倍焦距，并满足几何光学中高斯公式，从而确保待测样品表面的散射光能较多地进入六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪中。
本发明还提供了一种采用上述六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪进行待测光斯托克斯参数高速动态参数测量的方法，其主要步骤包括两部分：出厂前的参数修正过程、实际测量过程。
出厂前的参数修正过程如下：
(1)采用He-Ne激光器、起偏器和1/4波片产生一束线偏振光，起偏器方位角α和1/4波片方位角β可在0°至360°内调节；
(2)将此偏振光直接入射到上述的斯托克斯偏振仪中，并得到相应斯托克斯向量；
(3)不断改变起偏器和1/4波片的方位角时，仪器测量得到斯托克斯向量也相应改变，则可生成斯托克斯参数测量曲线
(4)根据光的偏振理论建立斯托克斯理论模型，该理论模型中以各器件的参数偏差和安装误差值作为拟合参数；
(5)将该理论模型对应的计算曲线Si(α,β)与测量曲线进行拟合，使得最小，则可反演得到各器件的参数偏差值(δ1,δ2···δq)和安装误差值其中N为起偏器方位角个数，M为1/4波片方位角个数；
(6)根据所求参数偏差值和安装误差值修正仪器中的器件参数值。
实际测量过程如下：
(1)调节待测光垂直入射到所述六通道分振幅斯托克斯偏振仪中；
(2)同步测得第一分支光束、第二分支光束、第三分支光束中各自p光和s光的光强分别为I1P、I1S、I2P、I2S、I3P和I3S；
(3)利用计算出待测光的斯托克斯向量为偏振度为
为了更进一步的说明本发明实施例提供的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪及其参数测量方法，现结合附图及具体实例详述如下：
如图1所示，本发明实施例的六通道分振幅斯托克斯偏振仪包括：会聚透镜10，孔径光阑20，准直透镜30，第一分束器40，第二分束器41，1/4波片50，第一偏振分束器60，第二偏振分束器61，第三偏振分束器62，第一光纤准直器70，第二光纤准直器71，第三光纤准直器72，第四光纤准直器73，第五光纤准直器74，第六光纤准直器75，1/2波片80，第一光电倍增管90，第二光电倍增管91，第三光电倍增管92，第四光电倍增管93，第五光电倍增管94，第六光电倍增管95，第一光纤100，第二光纤101，第三光纤102，第四光纤103，第五光纤104，第六光纤105，第一放大器110，第二放大器111，第三放大器112，第四放大器113，第五放大器114，第六放大器115，示波器120，USB总线130和数据处理模块140。
其中第一分束器40对应透反比为2:1，第二分束器41对应透反比为1:1；第一偏振分束器60、第二偏振分束器61和第三偏振分束器62的规格均相同，且均是用于将偏振光分束为p光和s光；第一光纤准直器70、第二光纤准直器71、第三光纤准直器72、第四光纤准直器73、第五光纤准直器74和第六光纤准直器75规格均相同，均是用于将平行光束会聚为点光源；第一光纤100、第二光纤101、第三光纤102、第四光纤103、第五光纤104和第六光纤105规格相同，均是将光信号传输到光电倍增管中；第一光电倍增管90、第二光电倍增管91、第三光电倍增管92、第四光电倍增管93、第五光电倍增管94和第六光电倍增管95规格均相同，均是用于将光信号转化为弱电流信号；第一放大器110、第二放大器111、第三放大器112、第四放大器113、第五放大器114和第六放大器115规格均相同，均用于将弱电流信号转化并放大为电压信号，最终传输进入示波器。
仪器中首先安装的是会聚透镜10，在其焦点处安装孔径光阑20，再接着安装准直透镜30，孔径光阑20亦在准直透镜30的焦点上，此构造成光收集模块；随后安装分束器40和41，在分束器40的反射光路分支上安装偏振分束器60，在分束器40的透射光路分支上安装分束器41；在分束器41的反射光路分支上安装1/2波片80，在1/2波片80后安装偏振分束器61，在分束器41的透射光路分支上安装1/4波片50，在1/4波片50后安装偏振分束器62；在偏振分束器60的反射分支和透射分支上分别安装光纤准直器70和71，俩光纤准直器分别通过光纤100和101连接到光电倍增管90和91；在偏振分束器61的反射分支和透射分支上分别安装光纤准直器72和73，俩光纤准直器分别通过光纤72和73连接到光电倍增管92和93；在偏振分束器62的反射分支和透射分支上分别安装光纤准直器74和75，俩光纤准直器分别通过光纤74和75连接到光电倍增管94和95；第一光电倍增管90、第二光电倍增管91、第三光电倍增管92、第四光电倍增管93、第五光电倍增管94和第六光电倍增管95分别连接第一放大器110、第二放大器111、第三放大器112、第四放大器113、第五放大器114和第六放大器115，而六个放大器并行连接到多通道示波器120中，示波器120通过USB总线130连接到数据处理模块140。
待测样品表面的散射光经会聚透镜10汇聚于孔径光阑20中心，并被准直透镜30准直为平行光，经透反比为2:1的分束器40分束成两束光(反射光和透射光)，其中反射光被偏振分束棱镜60分束成p光(平行于入射面的线偏振光)和s光(垂直于入射面的线偏振光)，且分别经光纤准直器70和71会聚进入光纤100和101中，进而分别传输进入光电倍增管90和91中并被探测，产生相应的弱电流信号经放大器110和111转化并放大为电压信号后输送至多通道示波器120中，以上为斯托克斯偏振仪第一分支光束；分束器40的透射光进入透反比为1:1的分束器41中，亦被分束成两束光(反射光和透射光)，其中反射光经1/2波片80调制后被偏振分束器61分束成p光和s光，且分别经光纤准直器72和73会聚进入光纤102和103中，进而分别传输进入光电倍增管92和93中并被探测，产生相应的弱电流信号经放大器112和113转化并放大为电压信号输送至多通道示波器120中，以上为斯托克斯偏振仪第二分支光束；分束器41的透射光经1/4波片50调制后被偏振分束器62分束成p光和s光，且分别经光纤准直器74和75会聚进入光纤104和105中，进而分别传输进入光电倍增管94和95中并被探测，产生相应的弱电流信号经放大器114和115转化并放大为电压信号输送到多通道示波器120中，以上为斯托克斯偏振仪第三分支光束；多通道示波器120直接显示此6通道对应电压信号，而此6路电压信号与光路中6路光强信号是一一对应，且成正比例，比例系数为各个光电倍增管的响应系数与各个放大器110～115增益系数的相应乘积；同时多通道示波器120可通过USB总线130将6路信号传输进入数据处理模块140中，以便计算得到和显示待测光的斯托克斯向量。
在本发明的一个实施例中，会聚透镜10、光阑20、准直透镜30构成待测光的光收集模块，从而使得六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪既能测量平行待测光的斯托克斯向量，又能测量散射待测光的斯托克斯向量，且能够适用于冲击动态实验中靶面发生毫米量级位移与微小角度倾斜的工况。分束器40和41最佳透反比分别为2:1和1:1(最佳透反比是为了保证三个分支光束光强大致相等，则6个通道上所选用的光电倍增管配置参数相同，从而简化仪器设计)，将待测光束均分为三个分支光束。上述普通分束器40和41不改变待测光的偏振态，且其透反比并不局限于2:1和1:1，其它透反比时可通过校正和归一化处理消除影响。1/2波片80方位角为22.5°，使得所在的第二分支光束能够实现斯托克斯参数S2的测量，1/4波片50方位角为135°，使得所在的第三分支光束能够实现斯托克斯参数S3的测量。第一偏振分束器60、第二偏振分束器61和第三偏振分束器62产生了六通道的光强信号。
如图2所示，本发明实施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600参数修正装置包含氦氖激光光源200、起偏器300、1/4波片-400，以及待校准的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600。在仪器出厂之前，需利用仪器测量已知斯托克斯向量的偏振光，并通过将测量斯托克斯信号曲线与理论含参模型曲线进行拟合反演获取仪器中各个元器件的参数偏差和安装误差，以补偿仪器的缺陷，从而保证仪器在实际测量过程中能够以高准确度和精度测量待测光的斯托克斯向量。在该装置中，氦氖激光光源200提供单色的线偏振光，经消光比大于100000:1起偏器300后调制成特定方向的线偏振光(大消光比能保证线偏振光的良好偏振方向性，有利于保证仪器的优良校准效果)，再被1/4波片400调制后入射到六通道分振幅斯托克斯偏振仪600中并被探测。此校准过程即：不断改变起偏器300和1/4波片400的方位角，将相应产生的线偏振光入射到六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600中，通过拟合反演计算求取该六通道分振幅斯托克斯偏振仪600中各光学元器件的参数偏差与安装误差。
如图3所示，本发明实施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600应用于实际测量的示意装置一，此时斯托克斯偏振仪600在装置一中可探测样品表面反射光的斯托克斯向量，并能够依靠入射光路中起偏器的调制实现样件琼斯矩阵或穆勒矩阵的测量，进而能够有效表征材料的光学属性。图3示意装置包含氦氖激光光源200、起偏器300、待测样品500以及六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600。氦氖激光光源200提供单色的线偏振光，经起偏器300调制后入射到样品表面，再被反射进入六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600中并被探测。这样的装置具备如下技术优点：(1)不仅能够测量完全偏振光的斯托克斯向量，也能测量部分偏振光的斯托克斯向量；(2)能够测量样件的琼斯矩阵或穆勒矩阵，可计算得到样件材料的复折射率，继而求得样件表面的法向发射率，为样品材料在高温高压下热物性参数测定提供必要参数；(3)能够测定样件材料瞬态属性的动态历程；(4)能够实时测量信号且实时处理信号，装置的“所见即所得”特性能够降低对仪器操作人员的知识要求。
如图4所示，本发明实施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600应用于实际测量的示意装置二，此时斯托克斯偏振仪600在装置二中探测样品表面反射光的斯托克斯向量。整个装置应用于仅需探测反射光斯托克斯向量的情形。装置二包含氦氖激光光源200、待测样品500以及六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600。氦氖激光光源200提供单色的线偏振光，入射到样品表面，再被反射进入六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600中并被探测。该装置功能简单，仅应用于高速动态实验中斯托克斯参数的瞬态测定，其优点与斯托克斯偏振仪600的优点一致。
本发明实施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪不仅可探测完全偏振光，还能探测部分偏振光，其测量斯托克斯向量原理直接依赖于斯托克斯向量的定义，其测量理论推导如下。
以一束任意偏振度的偏振光入射该六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪为例，该入射偏振光斯托克斯向量由公式(1)描述：
该光束经分束器40而产生的第一分支光束被偏振分束器60分束成p光和s光，并被光电倍增管90和91探测，其作用过程可由公式(2)和(3)描述。
其中MP、MS为偏振分束器60对应的穆勒矩阵，而光电倍增管90和91仅探测光强，分别为I1P、I1S，两者取值分别为Sout,1P和Sout,1S的第一项。通过I1P和I1S可得到待测斯托克斯向量中S1，如下公式(4)所描述。
该光束经由分束器40和41而产生的第二分支光束，被方位角为22.5°的1/2波片80调制，再由偏振分束器61分束成p光和s光，并被光电倍增管92和93探测，其作用过程可由公式(5)和(6)描述。
其中MHWP为1/2波片80对应穆勒矩阵，R(22.5°)和R(-22.5°)为旋转矩阵。第三光电倍增管92和第四光电倍增管93仅探测光强，分别为I2P、I2S，两者取值分别为Sout,2P和Sout,2S的第一项。通过I2P和I2S可得到待测斯托克斯向量中S2，如下公式(7)所描述。
该光束经由分束器40和41而产生的第三分支光束，被方位角为135°的1/4波片50调制，再由偏振分束器62分束成p光和s光，并被第五光电倍增管94和第六光电倍增管95探测，其作用过程可由公式(8)和(9)描述。
其中MQWP为1/4波片50对应穆勒矩阵，R(135°)和R(-135°)为旋转矩阵。光电倍增光94和95仅探测光强，分别为I3P、I3S，两者取值分别为Sout,3P和Sout,3S的第一项。通过I3P和I3S可得到待测斯托克斯向量中S3，如下公式(10)所描述。
在本发明实施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪中，通过光电倍增管90～95所测的光强信号I1P、I1S、I2P、I2S、I3P和I3S，直接利用公式4、7和10可计算得到该任意偏振度偏振光的斯托克斯参数S1、S2、S3，进而可获取该偏振光的偏振度，如公式(11)所述。
此六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪因采用斯托克斯向量定义实现待测光的斯托克斯参数测量，无需通过校准过程来获取仪器矩阵，但却需采用校准获取此偏振模块中各元器件的光学参数，如1/2波片80和1/4波片50的方位角误差和相位延迟量误差、偏振分束器(60、61、62)的方位角偏差、普通分束器(40、41)的偏振影响等。通过校准获取上述参数后，可提高此六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪的测量精度。
上述六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪有两种常见工作模式：一是作为椭偏仪的检偏光路，用以测量待测样品的琼斯矩阵或穆勒矩阵；二是探测样品表面瞬态反射光的斯托克斯向量。
在第一种工作模式下，举例如图3所示，开启光源200，利用起偏器300对入射光进行调制，再辐照到待测各向同性样品表面500，利用六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600探测样品表面的反射光，不仅可测得反射光斯托克斯向量，进而可测量待测各向同性样品的椭偏参数(ψ,Δ)，如公式(12)所描述。
其中，Sin为待测样品入射光的归一化斯托克斯向量，其可通过起偏器300制后为已知，MS为各向同性待测样品的穆勒矩阵，Sr为六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪所测得的反射光斯托克斯向量。将起偏器300进行调制即可建立相应线性方程组，从而求取待测样品的椭偏参数。
在第二种工作模式下，举例如图4所示，开启光源200，辐照到待测样品500表面，反射光被六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600探测，此时该六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600能够快速测量反射光的斯托克斯向量。此种工作模式常常应用于高速动态实验中斯托克斯向量的高速瞬态与在线测量。
在本发明实施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪中，各光学元器件均静态放置，则此六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪600的测量时间分辨率由光电倍增管90～95、放大器110～115、示波器120等决定。而在优选上述器件后，可实现更快时间量级的斯托克斯参数瞬态测量。
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 (10)
1.一种六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，包括：光收集模块，第一分束器(40)，第二分束器(41)，1/4波片(50)，第一偏振分束器(60)，第二偏振分束器(61)，第三偏振分束器(62)，第一光纤准直器(70)，第二光纤准直器(71)，第三光纤准直器(72)，第四光纤准直器(73)，第五光纤准直器(74)，第六光纤准直器(75)，1/2波片(80)，第一光电倍增管(90)，第二光电倍增管(91)，第三光电倍增管(92)，第四光电倍增管(93)，第五光电倍增管(94)，第六光电倍增管(95)，第一放大器(110)，第二放大器(111)，第三放大器(112)，第四放大器(113)，第五放大器(114)，第六放大器(115)，示波器(120)和数据处理模块(140)；
所述光收集模块用于将待测样品表面散射或反射的信号光准直为平行光；
所述第一分束器(40)设置在所述光收集模块的输出光路上，用于将所述平行光分为第一反射光和第一透射光；
所述第二分束器(41)设置在所述第一分束器(40)的透射光路上，用于将所述第一透射光分为第二反射光和第二透射光；
所述第一偏振分束器(60)设置在所述第一分束器(40)的反射光路上，用于将所述第一反射光分为第三反射光和第三透射光；
所述第一光纤准直器(70)的输入端接收所述第三反射光，所述第一光纤准直器(70)的输出端依次通过所述第一光电倍增管(90)和第一放大器(110)连接至所述示波器(120)的第一输入端；
所述第二光纤准直器(71)的输入端接收所述第三透射光，所述第二光纤准直器(71)的输出端依次通过所述第二光电倍增管(91)和第二放大器(111)连接至所述示波器(120)的第二输入端；
所述1/2波片(80)和所述第二偏振分束器(61)依次设置在所述第二分束器(41)的反射光路上，所述第二偏振分束器(61)用于将所述第二反射光分为第四反射光和第四透射光；
所述第三光纤准直器(72)的输入端接收所述第四反射光，所述第三光纤准直器(72)的输出端依次通过所述第三光电倍增管(92)和第三放大器(112)连接至所述示波器(120)的第三输入端；
所述第四光纤准直器(73)的输入端接收所述第四透射光，所述第四光纤准直器(73)的输出端依次通过所述第四光电倍增管(93)和第四放大器(113)连接至所述示波器(120)的第四输入端；
所述1/4波片(50)和第三偏振分束器(62)依次设置在所述第二分束器(41)的透射光路上，所述第三偏振分束器(62)用于将所述第二透射光分为第五反射光和第五透射光；
所述第五光纤准直器(74)的输入端接收所述第五反射光，所述第五光纤准直器(74)的输出端依次通过所述第五光电倍增管(94)和第五放大器(114)连接至所述示波器(120)的第五输入端；
所述第六光纤准直器(75)的输入端接收所述第五透射光，所述第六光纤准直器(75)的输出端依次通过所述第六光电倍增管(95)和第六放大器(115)连接至所述示波器(120)的第六输入端；
所述数据处理模块(140)与所述示波器(120)的输出端连接，用于对所述示波器(120)输出的数据进行处理后获得待测光的斯托克斯向量。
2.如权利要求1所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，所述光收集模块包括：会聚透镜(10)，孔径光阑(20)和准直透镜(30)，所述孔径光阑(20)设置在所述会聚透镜(10)的焦点和所述准直透镜(30)的焦点处。
3.如权利要求2所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，测量面与待测样品的相应出射面是重合的，且待测样品测量区域中心与所述会聚透镜(10)之间的距离大于1倍焦距。
4.如权利要求1所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，还包括：设置在所述第一光纤准直器(70)的输出端与所述第一光电倍增管(90)的输入端之间的第一光纤(100)，设置在所述第二光纤准直器(71)的输出端与所述第二光电倍增管(91)的输入端之间的第二光纤(101)，设置在所述第三光纤准直器(72)的输出端与所述第三光电倍增管(92)的输入端之间的第三光纤(102)，设置在所述第四光纤准直器(73)的输出端与所述第四光电倍增管(93)的输入端之间的第四光纤(103)，设置在所述第五光纤准直器(74)的输出端与所述第五光电倍增管(94)的输入端之间的第五光纤(104)和设置在所述第六光纤准直器(75)的输出端与所述第六光电倍增管(95)的输入端之间的第六光纤(105)。
5.如权利要求1-4任一项所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，还包括：设置在所述示波器(120)的输出端与所述数据处理模块(140)的输入端之间的USB总线(130)。
6.如权利要求1所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，所述第一分束器(40)的分光面与所述平行光呈45°夹角，所述第二分束器(41)的分光面与所述第一分束器(40)的透射光呈45°夹角。
7.如权利要求1所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，第一分束器(40)的透反比为2:1，所述第二分束器(41)的透反比为1:1。
8.如权利要求1所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，所述第一偏振分束器(60)，所述第二偏振分束器(61)和所述第三偏振分束器(62)的结构相同，均为透射与反射消光比大于10000:1的立方体偏振分束器。
9.一种基于权利要求1所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪的参数测量方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：调节待测光垂直入射到所述六通道分振幅斯托克斯偏振仪中；
S2：同步测得第一分支光束、第二分支光束、第三分支光束中各自p光和s光的光强分别为I1P、I1S、I2P、I2S、I3P和I3S；
S3：利用公式和计算待测光的斯托克斯向量偏振度
其中，由第一分束器(40)、第一偏振分束器(60)、第一和第二光纤准直器(70、71)、第一和第二光纤(100、101)、第一和第二光电倍增管(90、91)组成第一分支光路，第一分支光路包含的两束光合称为第一分支光束；
由第一分束器(40)、第二分束器(41)、第二偏振分束器(61)、1/2波片(80)、第三和第四光纤准直器(72、73)、第三和第四光纤(102、103)、第一和第二光电倍增管(92、93)组成第二分支光路，第二分支光路包含的两束光合称为第二分支光束；
由第一分束器(40)、第二分束器(41)、第三偏振分束器(62)、1/4波片(50)、第三和第四光纤准直器(74、75)、第三和第四光纤(104、105)、第一和第二光电倍增管(94、95)组成第三分支光路，第三分支光路包含的两束光合称为第三分支光束；
I1P、I1S分别为在所述第一分支光路中由所述第一光电倍增管(90)和所述第二光电倍增管(91)所测量的光强信号；I2P、I2S分别为在第二分支光路中由所述第三光电倍增管(92)和所述第四光电倍增管(93)所测量的光强信号；I3P、I3S分别为在第三分支光路中由所述第五光电倍增管(94)和所述第六光电倍增管(95)所测量的光强信号；S为待测光的斯托克斯向量，S1、S2、S3是斯托克斯向量S中第二、第三、第四向量元素，也称为斯托克斯参数，P为偏振度。
10.如权利要求9所述的参数测量方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括出厂前的参数修正步骤：
(1)采用He-Ne激光器、起偏器和1/4波片产生一束线偏振光，起偏器方位角α和1/4波片方位角β可在0°至360°内调节；
(2)将此偏振光直接入射到上述的斯托克斯偏振仪中，并得到相应斯托克斯向量；
(3)不断改变起偏器和1/4波片的方位角时，仪器测量得到斯托克斯向量也相应改变，则可生成斯托克斯参数测量曲线
(4)根据光的偏振理论建立斯托克斯理论模型，该理论模型中以各器件的参数偏差和安装误差值作为拟合参数；
(5)将该理论模型对应的计算曲线Si(αj,βk)与测量曲线进行拟合，使得最小，则可反演得到各器件的参数偏差值(δ1,δ2…δq)和安装误差值
(6)根据所求参数偏差值和安装误差值修正仪器中的器件参数值；
其中，αj为第j个起偏器方位角，βk为第k个1/4波片方位角；δ为仪器中器件的参数偏差，δq表示第q个参数偏差；为仪器中器件的安装误差，表示第l个参数偏差；i＝1,2,3，表示在起偏器方位角测量αj和1/4波片方位角βk下的斯托克斯参数S1、S2、S3，下标m表示测量；Si(αj,βk)，i＝1,2,3，表示在起偏器方位角测量αj和1/4波片方位角βk下利用理论模型计算得到的斯托克斯参数S1、S2、S3；N为起偏器方位角个数，M为1/4波片方位角个数。
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