CN106644084B - 一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统 - Google Patents
一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于偏振检测设备领域，并公开了一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统，该检测系统包括高压脉冲发生器、火花隙、电光Q开关、连续激光器、飞秒激光器、聚光透镜、第一偏振棱镜、第二偏振棱镜和偏振测量仪；连续激光器用于产生连续激光；第一偏振棱镜用于使所述连续激光的P偏振光通过；飞秒激光器产生的脉冲激光可打开电光Q开关，从而让所述测量光束依次穿过电光Q开关、第二偏振棱镜后和磁光晶体后进入偏振测量仪，进而获得所述磁光晶体的时间谱。本发明通过飞秒激光器、偏振棱镜和电光Q开关等器件对连续激光进行调制，输出单一脉冲入射到待测的磁光晶体中，由光电探测器对其输出光谱进行采集，经过偏振测量仪处理分析后得到偏振态信息。
Description
技术领域
本发明属于偏振检测技术领域，更具体地，涉及一种偏振态时间分辨谱的检测系统。
背景技术
近年来，磁光理论获得了相当大的发展，磁光效应在光电子学和光子学方面、计算机和信息处理方面、科学研究方面以及磁性测量等方面都应用广泛。目前已发现的磁光效应包括塞曼效应、磁光法拉第效应、科顿-穆顿效应和磁光克尔效应等。这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。
对这些效应的检测主要是从入射光以及出射光的偏振态来进行研究。对于法拉第效应，当磁场不是非常强时，偏振面旋转的角度α与光波在介质中的路程L及介质中磁感应强度在光的传播方向的分量B成正比，即：α＝VBL。比例系数V由物质和工作波长决定，表征物质的磁光特性，这个系数称为维尔德常数。根据这一关系，对于变化的磁场B，测得其偏转角度α，即可得到磁场调制作用下的维尔德系数。
目前对偏振态的测量方法中，主要有两种：一种是传统的偏振片正交式测量方法，首先需要对起始偏振态进行记录，即将偏振片正交放置，这样刚好达到消光的目的，在加入磁光介质后，转动检偏器，使得输出光再次达到消光的效果，记录此时转动的角度即为该介质的法拉第旋转角，这种方法光路比较简单且不需要复杂的计算处理，但是由于需要人为旋转偏振片，因此实时性不好，无法满足偏振连续变化的系统；另一种方法则是根据斯托克斯四个分量将光路分为四路分别经过偏振片和波片的作用，由光电探测器测得四条光路上的光强，再经过数学计算即可得到偏振态信息，并可将其直接反映到邦加球上，这种方法更加精准，且光强的数学计算可交给计算机处理，因此更具实时性，但缺点就是光路相对比较复杂，对光路的准直性要求较高。
然而，对于材料的磁光效应在实时动态情况下的检测还缺乏相应的方法。而随着光子技术的迅速发展，这种基于时间统计的测量技术已经不能满足器件设计的需要。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统，能够对法拉第磁光效应的时间微分进行真实地测量。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统，其特征在于，包括高压脉冲发生器、火花隙、电光Q开关、连续激光器、飞秒激光器、聚光透镜、第一偏振棱镜、第二偏振棱镜和偏振测量仪，其中，
所述高压脉冲发生器分别与所述火花隙和所述电光Q开关连接；
所述连续激光器用于产生连续激光并且使所述连续激光以布鲁斯特角入射到第一偏振棱镜上；
所述第一偏振棱镜用于使所述连续激光的P偏振光通过，通过的所述P偏振光作为测量光束；
所述飞秒激光器用于产生脉冲激光，所述脉冲激光通过透镜聚焦到火花隙中，火花隙击穿后由高压脉冲发生器产生一个1/4波长的电压，使得电光Q开关被打开，从而让所述测量光束依次穿过电光Q开关、第二偏振棱镜后和环绕有线圈并且线圈内通有电流的磁光晶体后，再进入所述偏振测量仪，进而通过所述偏振测量仪获得所述磁光晶体的时间谱。
优选地，所述电光Q开关和第二偏振棱镜之间设置有反射镜组，以使测量光束经反射后进入第二偏振棱镜。
优选地，所述飞秒激光器与所述聚焦透镜之间设置有反射镜。
优选地，所述偏振测量仪包括光线分束器、四个1/4波片、四个偏振片、四个光电探测器、CCD相机和上位机，所述光线分束器分别与一个1/4波片连接，每个所述1/4波片依次连接一个偏振片和一个光电探测器，所述上位机分别与一个光电探测器连接，所述CCD相机与所述光线分束器连接，所述光线分束器用于将入射光分为强度相同的五路光束，其中四路光束对应于斯托克斯偏振测量方法中的四个分量并且这四路光束经过不同角度的1/4波片和偏振片后由光电探测器采集并传到上位机，以获得磁光晶体的时间谱，另外一路光束由CCD相机接收，以用于观察脉冲激光处于不同偏振态时的光子分布。
优选地，所述磁光晶体采用磁光材料制成。
优选地，所述磁光晶体优选采用稀土铁石榴石制成。
优选地，所述飞秒激光器产生的脉冲激光中，一个脉冲包含一个或多个周期的光波，以获得磁光晶体的法拉第效应的时间微分响应机理。
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，能够取得下列有益效果：
1)本发明采用飞秒激光器和连续激光器共同发射激光，飞秒激光器发出的脉冲激光通过由偏振棱镜和电光Q开关等器件组成的光路装置对连续激光进行调制，输出单一脉冲入射到待测的磁光材料中，由光电探测器对其输出光谱进行采集，经过偏振测量仪处理分析后得到偏振态信息；
2)磁光材料上环绕的线圈中的电流作为可调变量，多次采集后即可得到电流与材料偏振特性的关系曲线，并且通过多次连续采集，可获得不同磁场条件下偏振相关的磁光光谱；
3)本发明建立一套基于脉冲激光的脉冲开关调制的与磁光材料作用后光束偏振态的时间谱的测量系统，能得到不同时间量级的脉冲以及不同磁场水平调制下的时间片段及时间连续磁光光谱，通过用飞秒光脉冲对连续传输激光进行控制，用时间分辨率在纳秒量级的光电探测器完成了飞秒量级时间分辨率的偏振态测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中偏振测量仪的结构示意图。
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。
参照图1(图1中的虚线表示光线路径)，一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统，包括高压脉冲发生器1、火花隙2、电光Q开关3、连续激光器4、飞秒激光器5、聚光透镜6、第一偏振棱镜7、第二偏振棱镜8和偏振测量仪9，其中，
所述高压脉冲发生器1分别与所述火花隙2和所述电光Q开关3连接；
所述连续激光器4用于产生连续激光并且使所述连续激光以布鲁斯特角入射到第一偏振棱镜7上；
所述第一偏振棱镜7用于使所述连续激光的P偏振光通过，通过的所述P偏振光作为测量光束；
所述飞秒激光器5用于产生脉冲激光，所述脉冲激光通过聚光透镜6聚焦到火花隙2中，火花隙2击穿后由高压脉冲发生器1产生一个1/4波长的电压，使得电光Q开关3被打开，从而让所述测量光束依次穿过电光Q开关3、第二偏振棱镜8后和环绕有线圈11并且线圈11内通有电流的磁光晶体10后，再进入所述偏振测量仪9，进而通过所述偏振测量仪9获得所述磁光晶体10的时间谱，其中，磁光晶体10采用磁光材料制成。
进一步，所述电光Q开关3和第二偏振棱镜8之间设置有反射镜组12，以使测量光束经反射后进入第二偏振棱镜8，此处使用反射镜组12可以节省检测设备的长度空间。
进一步，所述飞秒激光器5与所述聚焦聚光透镜6之间设置有反射镜13，此处使用反射镜13可以有效节省检测设备的长度空间。
进一步，参照图2，所述偏振测量仪9包括光线分束器91、四个1/4波片92、四个偏振片93、四个光电探测器94、CCD相机95和上位机96，所述光线分束器91分别与一个1/4波片92连接，每个所述1/4波片92依次连接一个偏振片93和一个光电探测器94，所述上位机96分别与一个光电探测器94连接，所述CCD相机95与所述光线分束器91连接，所述光线分束器91用于将入射光分为强度相同的五路光束，其中四路光束对应于斯托克斯偏振测量方法中的四个分量并且这四路光束经过不同角度的1/4波片92和偏振片93后由光电探测器94采集并传到上位机96，以获得磁光晶体10的时间谱，另外一路光束由CCD相机95接收，以用于观察脉冲激光处于不同偏振态时的光子分布。
进一步，所述磁光晶体10采用磁光材料制成，譬如稀土铁石榴石。
进一步，所述飞秒激光器5产生的脉冲激光中，一个脉冲包含一个或多个周期的光波，以获得磁光晶体10的法拉第效应的时间微分响应。
工作时，首先由连续激光器4出射的连续激光穿过第一偏振棱镜7，此时电光Q开关3上未加电压，因此没有光波透过，而当飞秒激光器5产生短脉冲，通过聚焦聚光透镜6聚焦到火花隙2中，火花隙2被击穿后由高压脉冲发生器1产生一个1/4波长的电压，使得电光Q开关3被打开，电光Q开关3可以使穿过第一偏振棱镜7后的测量光束的偏振面旋转90°，测量光束经过反射镜组12后，再穿过第二偏振棱镜8，第二偏振棱镜8的摆放位置应该能让经过电光Q开关3后的测量光束能透过该第二偏振棱镜8，由于电光Q开关3打开的持续时间就是飞秒激光器5发出的脉冲激光的持续时间，通过飞秒激光器5的脉冲激光的作用，电光Q开关3不断地打开和关闭，连续激光器4发出的连续激光就能穿过或不能穿过电光Q开关3，这样就完成了飞秒激光器5对连续激光器4发出的连续激光的调制，穿过电光Q开关3和第二偏振棱镜8的激光然后入射到磁光晶体10中，由偏振测量仪9对其进行采集，并在偏振测量仪9的上位机96中进行分析及在CCD相机95中进行观察。通过此套设备，不仅可以得到磁光晶体10在不同外部磁场作用下的偏振光谱，还能测量在飞秒激光器5的多种时间长度下连续多帧的脉冲激光与磁光晶体10作用的磁光效应时分谱。
本检测设备可以用于分析磁光材料做成的磁光晶体10受磁场调制的维尔德系数，为高速光学下测量磁光材料的特性以及微观偏振测量提供参考方案，测量精度高，采用脉冲激光来调制连续激光器4的输出，脉冲稳定，且利用脉冲激光的脉冲宽度可调的性质，可分别对纳秒、皮秒以及飞秒量级的脉冲进行采集测量。
使用光电探测器94可以对飞秒激光器5发出的超短脉冲进行采集，光电探测器94的时间分辨率通常在纳秒级，更好的可以在皮秒级，如果用探测器直接对激光器输出的连续脉冲进行测量，则测得的依然是宏观的统计平均结果，在控制单一脉冲后，一个脉冲内只包含一个或多个周期的光波，这样就能测得法拉第效应的时间微观响应。
利用脉冲激光的超短脉冲的性质，将时域上的偏振问题变换到更加直观的空域问题上，更具有实时性，利用的是斯托克斯参量法求取偏振态，利用光线分束器91将光分为四路强度相等的光束，依据1/4波片92和偏振片93的选择，由光电探测器94分别求出斯托克斯四个分量，数据传至上位机96进行计算而且光路简单易实现，且时间精度和计算精度高。
采用飞秒激光器5的脉冲激光来调制连续激光器4的连续激光，脉冲激光输出高强度脉冲，通过聚焦聚光透镜6打到火花隙2中，火花隙2被击穿后产生高压，由高压脉冲发生器1产生一个1/4波长的电压脉冲，作用在电光Q开关3的两端，在没有电压时，连续激光可直接穿过电光Q开关3，连续激光在外加有电压时便可通过第一偏振棱镜7和第二偏振棱镜8，且其通过时间由电光Q开关3两端电压的作用时间决定，也即是由脉冲激光的持续时间来决定。因为脉冲激光的脉冲宽度可调(即是调节脉冲在一个周期内的占空比)，所以可分别对纳秒、皮秒以及飞秒量级长度的脉冲进行采集测量，以此来观察在不同微观调节其偏振变化的具体情况。之所以使用脉冲激光通过光开关来调制连续激光，一是利用飞秒激光器5超短脉冲且脉宽可调的性质，二是脉冲激光输出强度太大，与磁光物质作用会有其他的非线性效应来影响测量，而连续激光器4输出强度有限，且相比脉冲激光来说，输出光要稳定的多。
使用光电探测器94对超短脉冲光波进行测量，且每次测量对单一脉冲进行接收，由于目前光电探测器94采集信号的时间分辨率一般都还是纳秒级，那么在其采集一次信号的过程中，会有很多个脉冲进入到光电探测器94中，这样的话其输出图像依然是大量光子在长时间内共同作用的统计结果，因此需要脉冲激光的脉冲周期要大于光电探测器94的最小采集间隔时间，这样的话就能保证每次采集到的只有一个脉冲，而对于飞秒激光器5，一个脉冲内仅包含一个或多个周期的光波，这样用少数光子在某一时刻的响应代替大量光子长时间内统计平均的结果，就能测得法拉第效应的微观作用。
利用激光输出脉冲极短的特性，将时域上的偏振问题转换到更加直观的空域上来观测，通常的偏振测量方法中测得的都是连续光波所表现出的偏振态，而本发明中采用的飞秒激光器5发出的是超短脉冲，脉冲持续时间仅在一个到几个周期以内，由偏振测量仪9得到的偏振信息是少量光子在超短响应时间内与磁光物质作用的结果，因为光子分布具有随机性，经过连续多帧的采集，理论上其响应应该各不相同，通过对多帧磁光光谱进行分析，可以知道微观条件下磁光效应粗略的作用过程，这种方法将时域偏振问题转换到了空域上来分析。
本检测设备检测具有实时性，而本发明采用的斯托克斯法表征偏振态，无需人为对光路进行调整，只需要记录每次在改变外加磁场时由光电探测器94测量得到的光强信息即可，不仅实时性高，而且不再是人为去辨别光强的强弱，精度也相较之前的方法高了很多。
本检测设备简单易实现，且时间精度和计算精度高，其采用斯托克斯法来进行偏振特性的测量，但只是用到了1/4波片92和偏振片93进行组合来实现的。同时由于光电探测器94是对光子数量直接进行响应的，因此在控制了激光脉冲的周期和数量后，尽管光电探测器94自身的响应度不够，但其采集到的也只有一个时间脉冲内的光子数，这样也就保证了它的采集的时间分辨度可以在飞秒量级。
本发明磁光晶体10优选由维尔德系数较高的稀土铁石榴石(或者其他磁光材料)制成，由于其自身的法拉第效应，光波的偏振态会发生偏转，从光的量子特性上看，其偏振态可以表征为大量自旋光子的统计平均结果，而振幅则是反映了大量光子的密度信息，因此在脉冲持续时间极短的情况下，光子的分布不会再呈现统计平均后的结果，而是直接表现出单光子与磁光介质作用后的结果，其偏振信息也就能直接的从CCD相机95采集到的光子分布图像以及斯托克斯法测量的偏振态得到。
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)
1.一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统，其特征在于，包括高压脉冲发生器、火花隙、电光Q开关、连续激光器、飞秒激光器、聚光透镜、第一偏振棱镜、第二偏振棱镜和偏振测量仪，其中，
所述高压脉冲发生器分别与所述火花隙和所述电光Q开关连接；
所述连续激光器用于产生连续激光并且使所述连续激光以布鲁斯特角入射到第一偏振棱镜上；
所述第一偏振棱镜用于使所述连续激光的P偏振光通过，通过的所述P偏振光作为测量光束；
所述飞秒激光器用于产生脉冲激光，所述脉冲激光通过透镜聚焦到火花隙中，火花隙击穿后由高压脉冲发生器产生一个1/4波长的电压，使得电光Q开关被打开，从而让所述测量光束依次穿过电光Q开关、第二偏振棱镜后和环绕有线圈并且线圈内通有电流的磁光晶体后，再进入所述偏振测量仪，进而通过所述偏振测量仪获得所述磁光晶体的时间谱。
2.根据权利要求1所述的一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统，其特征在于，所述电光Q开关和第二偏振棱镜之间设置有反射镜组，以使测量光束经反射后进入第二偏振棱镜。
3.根据权利要求1所述的一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统，其特征在于，所述飞秒激光器与所述聚焦透镜之间设置有反射镜。
4.根据权利要求1所述的一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统，其特征在于，所述偏振测量仪包括光线分束器、四个1/4波片、四个偏振片、四个光电探测器、CCD相机和上位机，每个所述1/4波片分别与所述光线分束器连接，每个所述1/4波片依次连接一个偏振片和一个光电探测器，每个所述光电探测器分别与所述上位机连接，所述CCD相机与所述光线分束器连接，所述光线分束器用于将入射光分为强度相同的五路光束，其中四路光束对应于斯托克斯偏振测量方法中的四个分量并且这四路光束经过不同角度的1/4波片和偏振片后由光电探测器采集并传到上位机，以获得磁光晶体的时间谱，另外一路光束由CCD相机接收，以用于观察脉冲激光处于不同偏振态时的光子分布。
5.根据权利要求1所述的一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统，其特征在于，所述磁光晶体采用磁光材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统，其特征在于，所述磁光晶体优选采用稀土铁石榴石制成。
7.根据权利要求1所述的一种针对偏振光束与磁光材料作用下偏振态时间分辨谱的检测系统，其特征在于，所述飞秒激光器产生的脉冲激光中，一个脉冲包含一个或多个周期的光波，以获得磁光晶体的法拉第效应的时间微分响应机理。
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