CN108593114B - 一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法及光路 - Google Patents

一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法及光路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法及光路，基于几何相位理论提出了同时测量任意光束的偏振态和相位的方法，以及实现该方法的光路。测量过程中只需一次同时采集两幅干涉图，通过对干涉图进行全息数值重建，提取其中的相位、振幅信息，即可计算出被测量光束的偏振和相位分布。本发明不仅可用于测量任意光束的偏振态和相位分布，也可用于检测偏振光学元件。

Description

一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法及光路
技术领域
本发明属于光电技术领域，涉及一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法及光路。
背景技术
偏振态是光场的一个重要特征，在基础科学研究和工程应用中扮演着重要的角色。传统光束的偏振态为空间均匀分布，常称为标量光束。当对光束进行空间偏振调制后，会产生空间非均匀偏振的光束——矢量光束。最典型的矢量光束是偏振态在空间坐标体系中呈现轴对称分布的柱矢量光束，经高数值孔径透镜聚焦后可以获得特殊的焦场分布，如径向矢量光束可产生超衍射极限的焦斑，进一步经光学元件调制后会产生诸多奇异的结构焦场，如光针、光笼、光链等。矢量光束独特的紧聚焦特性和偏振特性，使其在超精细加工、等离子体聚焦、超分辨成像等方面具有广阔的应用前景。
斯托克斯(Stokes)参量可全面描述光场偏振态。目前最常用的测量方法为利用一个四分之一波片和一个偏振片组合，记录不同角度对应的强度图后数值分析可得到相应的斯托克斯参量。这种测量方法在测量过程中需旋转四分之一波片和偏振片依次记录不同角度的强度分布，因此测量过程复杂、缓慢。而且波片的非均匀透过率也会造成一定系统误差。此外，利用这些方法测量矢量光场的相位分布时，需要更加复杂的操作和算法。为了同步测量光束的偏振态和相位，有研究人员提出利用干涉相移法测量光束的偏振态和相位，但此方法只能用于测量局域偏振态为线偏振的光束，具有一定的局限性，且此方法也需采集多幅图像，过程复杂缓慢。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法及光路。
技术方案
一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将参考光束与被测量光束进行叠加干涉，形成干涉光束；
步骤2：将干涉光束分解为两个正交偏振分量，得到两幅干涉图；
步骤3：采用CCD相机同时采集两幅干涉图；
步骤4：通过数字全息术提取两幅干涉图中的复振幅信息，分别表示为Ep和Ep'；
步骤5：计算被测量光束的偏振态在庞加莱球上的球坐标(2ψi,2χi)：
Figure BDA0001629124860000021
其中：i＝1和2分别对应偏振分束系统中是否包含四分之一波片；
步骤6：计算被测量光束的偏振态的归一化斯托克斯参量(S1,S2,S3)：
Figure BDA0001629124860000022
步骤7：计算被测量光束的相位
Figure BDA0001629124860000023
Figure BDA0001629124860000024
其中，
Figure BDA0001629124860000025
所述步骤1和步骤2以下述步骤替换：
步骤1：将被测量光束分解为两个正交偏振分量，得到两束干涉光；
步骤2：将参考光束分别与两束干涉光进行叠加干涉，得到两幅干涉图；
然后继续步骤3～步骤7。
一种实现所述方法得到两幅干涉图的光路，其特征在于包括消偏振分光棱镜1和偏振分束系统2；参考光束和被测量光束分别从消偏振分光棱镜1的两个正交方向输入，消偏振分光棱镜1的射出光路上设有偏振分束系统2，偏振分束系统2的输出得到两幅干涉图；所述偏振分束系统2采用三角干涉仪。
一种实现所述第二种方法得到两幅干涉图的光路，其特征在于包括消偏振分光棱镜1和偏振分束系统2；被测量光束输入偏振分束系统2，偏振分束系统2的输出光路上设有消偏振分光棱镜1，偏振分束系统2输出得到两束干涉光和参考光束分别从消偏振分光棱镜1的两个正交方向输入，消偏振分光棱镜1的输出得到两幅干涉图，所述偏振分束系统2采用三角干涉仪。
所述偏振分束系统2包括四分之一波片8和光束偏移器12；四分之一波片8位于光束偏移器12的光路前端，光束通过四分之一波片8后进入光束偏移器12后形成两束干涉光输出。
所述偏振分束系统2包括四分之一波片8和渥拉斯顿棱镜13，四分之一波片位于渥拉斯顿棱镜13的光路前端，光束通过四分之一波片后进入渥拉斯顿棱镜13后形成两束干涉光输出。
所述三角干涉仪包括四分之一波片8、第一反射镜9、第二反射镜10和偏振分光棱镜11；四分之一波片8位于偏振分光棱镜11的光路前端；第一反射镜9、第二反射镜10与偏振分光棱镜11组成三角干涉仪；光束经四分之一波片8后输入到该三角干涉仪中，再由三角干涉仪输出两束偏振态相互正交的光束。
有益效果
本发明提出的一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法及光路，基于几何相位理论提出了同时测量任意光束的偏振态和相位的方法，以及实现该方法的光路。测量过程中只需一次同时采集两幅干涉图，通过对干涉图进行全息数值重建，提取其中的相位、振幅信息，即可计算出被测量光束的偏振和相位分布。本发明不仅可用于测量任意光束的偏振态和相位分布，也可用于检测偏振光学元件。
附图说明
附图1、2是本发明提出的高效同步测量任意光束的偏振态和相位的结构示意图；图中，1-消偏振分光棱镜，2-偏振分束系统。
附图3为本发明附图1、2中可构成偏振分束系统2的示意图，图(a)、(b)、(c)分别对应第一偏振分束系统5、第二偏振分束系统6、第三偏振分束系统7；图(a)中，8-四分之一波片，9-第一反射镜、10-第二反射镜，11-偏振分光棱镜；图(b)中，12-光束偏移器；图(c)中，13-渥拉斯顿棱镜。
附图4为本发明采用图1原理同步测量任意光束的偏振态和相位具体实施光路和结构示意图。图中，14-光源，15-第一半波片，16-第一消偏振分光棱镜，17-第二半波片，18-第一反射镜，19-第二反射镜、20-偏振转换系统、21-第二消偏振分光棱镜，22-图3所对应的偏振分束系统。
附图5为本发明采用图4实验光路测量携带锥形相位的一阶矢量光束的结果图。图中，第一行为用一只CCD相机同时采集的两幅干涉图；第二行为对所记录的干涉图分析后得到的相应结果，从左至右依次为矢量光场的强度、斯托克斯参量S1、S2、S3、光束所携带的锥形相位
Figure BDA0001629124860000041
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
基于几何相位理论，本发明提出了如下高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法：
被测量光束与线偏振参考光束的两个正交偏振分量各自叠加，形成两个干涉场，经偏振分束系统分离后，同时采集并处理两幅干涉图，获取其相位和振幅信息，计算得出被测量光束的偏振态和相位分布。
这种高效、同步测量任意光束偏振态和相位的方法，其特征在于同时采集两个正交偏振的干涉场。可采用的两种方法如下：一、参考光束和被测量光束可先通过消偏振分光棱镜1后叠加干涉，再经偏振分束系统2使干涉光束分解为两个正交偏振分量并分离传输；二、被测光束先经偏振分束系统3分解为两个正交偏振分量并分离传输，然后进入消偏振分光棱镜4与参考光束发生干涉。
所述偏振分束系统2、3均可由偏振分束系统5或偏振分束系统6或由偏振分束系统7构成。
所述分束系统5由四分之一波片8和由反射镜9、10和偏振分光棱镜11组成的三角干涉仪构成；所述分束系统6由四分之一波片12和光束偏移器13构成；所述分束系统7由四分之一波片14和渥拉斯顿棱镜15构成。
实施例：如图4所示，由相干光源14输出的线偏振光束经第一半波片15改变其正交偏振分量振幅比，经第一消偏振分光棱镜16分成两束互相垂直的透射光和反射光，透射光经第二半波片17改变偏振方向，形成沿45°方向偏振的参考光束，再经第一反射镜18反射后进入第二消偏振分光棱镜21；反射光经第二反射镜19反射进入偏振转换系统20产生被测量光束，然后进入第二消偏振分光棱镜21。参考光束和被测量光束通过第二消偏振分光棱镜21后叠加干涉，通过偏振分束系统22，使干涉光束的两个正交偏振分量发生分离，在空域上形成两束以一定间距平行传输的干涉光束，用一只CCD探测器同时采集两幅干涉图如图4第一行所示。
其中，对于偏振分束系统22中是否包含四分之一波片8，可将此测量过程分为两种方案：
方案一：偏振分束系统22中包含四分之一波片8。
方案二：偏振分束系统22中不包含四分之一波片8。
因此，不同方案所对应的干涉图的计算方法略有不同：基于几何相位理论，假设两偏振分量的干涉图强度分别为ΙP和ΙP’，由全息数值术可计算得到对应的复振幅分别为EP和EP’，被测量光束的偏振态可由庞加莱球上的方位角ψi与极角χi的坐标(2ψi,2χi)
(i＝1,2分别对应方案一和方案二)确定：
Figure BDA0001629124860000061
则被测量光束的Stokes参量(S1,S2,S3)可表示为：
Figure BDA0001629124860000062
则被测量光束所携带的相位可表示为：
Figure BDA0001629124860000063
其中，
Figure BDA0001629124860000064
其中，
Figure BDA0001629124860000065
和
Figure BDA0001629124860000066
为EP和EP’的相位。
本例中偏振分束系统22采用方案一，并使用第一偏振分束系统5，提取干涉图的复振幅后得到的被测量光束的强度、斯托克斯参量S1、S2、S3、相位分布如图4第二行所示。由实验结果图可确定被测量光束为携带锥形相位的角向偏振光束。

Claims (2)

1.一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将参考光束与被测量光束进行叠加干涉，形成干涉光束；
步骤2：将干涉光束分解为两个正交偏振分量，得到两幅干涉图；
步骤3：采用CCD相机同时采集两幅干涉图；
步骤4：通过数字全息术提取两幅干涉图中的复振幅信息，分别表示为Ep和Ep'；
步骤5：计算被测量光束的偏振态在庞加莱球上的球坐标(2ψi,2χi)：
Figure FDA0002365534420000011
其中：i＝1和2分别对应偏振分束系统中是否包含四分之一波片；
步骤6：计算被测量光束的偏振态的归一化斯托克斯参量(S1,S2,S3)：
Figure FDA0002365534420000012
步骤7：计算被测量光束的相位
Figure FDA0002365534420000013
Figure FDA0002365534420000014
其中，
Figure FDA0002365534420000015
Figure FDA0002365534420000016
和
Figure FDA0002365534420000017
分别表示Ep和Ep'的相位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1和步骤2以下述步骤替换：
步骤1：将被测量光束分解为两个正交偏振分量，得到两束干涉光；
步骤2：将参考光束分别与两束干涉光进行叠加干涉，得到两幅干涉图；
然后继续步骤3～步骤7。
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