CN108645796A - 基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置及方法，该相位分布测量装置设置有系统前选择态单元、第一相位补偿单元、系统后选择态单元，本发明主要基于标准量子弱值放大技术，以光偏振作为量子系统自由度，采用相位补偿策略，通过设置合适的第一相位补偿单元和系统后选择态单元，可对一个波长以内的任意相位实现高精度测量，是一种新型的、无损的直接光学传感测量技术，适用于生物医学、分析化学、材料学等多个技术领域的相位高精度测量及成像分析，具有重要应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及量子光学技术领域，涉及一种基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置及方法，利用相位补偿策略和弱值放大特性，可对一个波长以内的任意相位实现精确地测量，其适用于在生物医学、材料检测等领域对样品进行实时、无标记的高精度检测。
背景技术
光学相位分布测量，是通过获得可观测参数的二维分布提取出待测相位分布的信息。目前，光学相位测量是通过探测器探测到光强度的二维分布，进而根据一定函数关系提取出待测相位分布，一般选择近似的线性关系对待测相位分布进行直接成像(即获得明暗相间的灰度图像)。如今，光学相位分布测量已成为探测各类物理参数(如距离、材料折射率、时间延迟等)的有效方法，在现代科学技术的很多领域中发挥着重要作用。事实上，对相位分布达到更高的测量精度往往意味着能更深入地探知待测样品的更多信息。然而，由于噪声，目前相位分布的测量精度难以进一步提高，主要原因包括：(1)光子的散粒噪声作为一种本质存在的固有噪声，只有当采用非经典光源时才能得到一定程度的抑制；(2)测量过程中存在着各种类型的技术噪声，如光源不稳定引起的功率波动、器件的非完全对准或器件的瑕疵引起的散射光、探测器引起的电子噪声以及实验环境中存在的杂散光等。因此，如何提高相位的测量精度一直是一项既具吸引力又具挑战性的任务。
迄今为止，平衡零差探测技术是应用最为广泛的相位测量技术。然而，由于该技术测量精度极低，因此只适用于对较大相位的粗略估计。近年来一项极具前景意义的测量技术，即弱值放大测量技术已被广泛关注。由于对极其小的参数可实现惊人的放大效应，弱值放大测量技术已在各类极小物理参数测量上获得了广泛的应用。弱值放大测量技术最初由Aharonov Albert,and Vaidman(AAV)于1988年提出，是一项基于前选择-弱耦合-后选择的高精度测量技术【Y.Aharonov,D.Z.Albert,and L.Vaidman,“How the result of ameasurement of a component of the spin of aspin-1/2particle can turn out tobe 100,”Phys.Rev.Lett.60(14),2325(1988)】。采用该测量技术，不仅待测参数可以实现弱值放大，并且大量的技术噪声可以得到明显抑制。最近，Hosten与Kwiat实现了光自旋霍尔效应的首次实验观测，并获得了0.1nm的测量灵敏度【O.Hosten and P.Kwiat,“Observation of the spin Hall effect of light via weak measurements,”Science319(5864),787-790(2008)】。Dixon等人通过实现弱值放大，在干涉仪内探测到一个400frad的微小角移【P.B.Dixon,D.J.Starling,A.N.Jordan,and J.C.Howell,“Ultrasensitive beam deflection measurement viainterferometric weak valueamplification,”Phys.Rev.Lett.102(17),173601(2009)】。Qiu Xiaodong等人采用单色光源对相位实现了弱值放大，其测量精度可达10-5rad【Qiu Xiaodong.et al.,“Precisionphase estimation based on weak-value amplification,”Applied PhysicsLetters.110,071105(2017)】。
尽管采用弱值放大测量技术可以获得很高的测量精度，然而该测量技术却仅限于测量极其小的物理参数。随着待测参数的增大，弱值放大测量技术的测量精度将明显下降。例如在AAV的标准弱值放大测量技术中，只有当系统与仪器间的耦合强度(即待测参数)引起的相位远远小于系统的后选择角(后选择的相位参数)时，才可能对待测参数实现线性的弱值放大；且只有当选择较小的后选择角时，才可能达到较高的测量精度。然而，在很多的实际情况中，待测参数的量级都是远远超过了这里的耦合强度限制。例如在精密机械加工过程中需对工件进行位移检测，如果采用标准弱值放大测量技术，则要求待测位移远远小于光源谱宽，从而极大地限制了该测量技术的实用性。
综上所述，基于标准弱值放大测量技术对待测参数具有惊人的弱值放大效应和极高的测量精度，然而却在可测参数的量级上受到明显的限制。因此有必要在对标准弱值放大测量技术的深入探究基础上，探索出一种新的测量技术以实现对更大参数(对应一个波长以内的任意相位)的精确测量。
发明内容
针对目前相位测量实际应用中，存在的测量精度和相位可测范围受限的技术问题，本发明旨在提供一种基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置及测量方法，在确保实现高精度测量的同时，对一个波长以内的任意相位实现线性弱值放大，尤其适用于对一定范围的相位实现精确地实时测量。
针对可透射的透明待测样品，本发明提供的基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，包括发光单元、系统前选择态单元、第一相位补偿单元、偏振分束单元、样品耦合单元、偏振合束单元、系统后选择态单元和光信息采集单元；所述样品耦合单元包括载物台以及装载在载物台上的待测样品；所述相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元发出的光束经系统前选择态单元制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元进行相位补偿后再经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光一束进入样品，另一束穿过载物台作为参考光束，从样品透射的偏振光束与参考光束经偏振合束单元合并为一束椭圆偏振光，再经系统后选择态单元后由光信息采集单元接收；
或者，由发光单元发出的光束经系统前选择态单元制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元进行相位补偿后再经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光进入样品，从样品透射的两偏振光经偏振合束单元合并为一束椭圆偏振光，再经系统后选择态单元后由光信息采集单元接收。
针对可反射的非透明待测样品，本发明提供了两种基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，第一种基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，包括发光单元、系统前选择态单元、第一相位补偿单元、分束镜、偏振分束单元、样品耦合单元、系统后选择态单元和光信息采集单元；所述样品耦合单元包括载物台以及装载在载物台上的待测样品，载物台的一面镀有反射膜或安装有可调反射镜；所述相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元发出的光束经系统前选择态单元制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元进行相位补偿后入射到分束镜上，从分束镜出射的光束经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光一束进入样品，另一束进入载物台作为参考光束，从样品反射出的偏振光束与经载物台反射膜或可调反射镜反射的参考光束经偏振分束单元再次合并为一束椭圆偏振光，椭圆偏振光束继后经分束镜和系统后选择态单元后由光信息采集单元接收；
或者，由发光单元发出的光束经系统前选择态单元制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元进行相位补偿后入射到分束镜上，从分束镜出射的光束经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光进入样品，从样品反射出的两束偏振光经偏振分束单元再次合并为一束椭圆偏振光，椭圆偏振光束继后经分束镜和系统后选择态单元后由光信息采集单元接收。
上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，所述偏振分束单元和样品耦合单元可以设置于分束镜的反射光路上，也可以设置于分束镜的透射光路上，因此从分束镜出射进入偏振分束单元的光束可以为经分束镜反射的光束或经分束镜透射的光束，而系统后选择态单元和光信息采集单元相应设置于分束镜的出射光路上。
上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，所述偏振分束单元当接收来自分束镜出射的光束时，起偏振分束的作用，将光束分为两束偏振态相互正交的偏振光；当接收来自样品反射出的偏振光束与经载物台反射膜或可调反射镜反射的参考光束时，起偏振合束的作用，将两光束再次合并为一束椭圆偏振光。
针对可反射的非透明待测样品，本发明提供的第二种基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，包括发光单元、系统前选择态单元、第一相位补偿单元、偏振分束立方体、两个偏振调制单元、样品耦合单元、反射镜、系统后选择态单元和光信息采集单元；所述样品耦合单元包括载物台以及装载在载物台上的待测样品；所述相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元发出的光束经系统前选择态单元制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元进行相位补偿后入射到偏振分束立方体上，分成两束偏振态相互正交的反射光束与透射光束，反射光束和透射光束分别经偏振调制单元进入样品和反射镜，从样品反射出的偏振光束与经反射镜反射的偏振光束分别经偏振调制单元再次经偏振分束立方体合成一束椭圆偏振光，椭圆偏振光束经系统后选择态单元后由光信息采集单元接收。
上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，偏振调制单元可以为四分之一波片或补偿相位为(±π/2)rad的相位补偿器，并使波片或相位补偿器的快轴方向与水平正方向的夹角为(±π/4)rad。
在所述的三种类型相位分布测量装置，所采用的发光单元、系统前选择态单元、样品耦合单元、系统后选择态单元、偏振分束单元/偏振合束单元、光信息采集单元功能是相同的。所述发光单元用于提供具有一定能量的激光，包括光源发生器以及设置于其出射光路上的能量调节器；所述光源发生器为激光器、激光二极管等单色光源发生器；所述能量调节器用于对光源发生器输出的光束能量进行调节，可以为二分之一波片、中性密度滤光片或可变分束器等，对于二分之一波片，通过旋转其快轴方向实现对光能量的调节。所述系统前选择态单元用于将发光单元输出的光束制备为线偏振光；系统后选择态单元由偏振态选择器和第二相位补偿子单元组成，用于将经历相位延迟后的合成光束投影在给定的系统后选择态上，通过调整系统后选择态单元的后选择角φ(其中，通过调节第二相位补偿子单元或偏振态选择器得到的补偿相位为2φ)可以在对光强度进行低概率的后选择同时保留待测样品的相位信息，进而实现弱值放大效应。所述系统前选择态单元和组成系统后选择态单元的偏振态选择器为薄膜偏振片、线栅偏振片或双折射晶体等。所述第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元为相位补偿器，四分之一波片与四分之一波片的组合(要求其快轴方向相互垂直)，二分之一波片与四分之一波片的组合，或按照四分之一波片、二分之一波片、四分之一波片排列的波片组合等。在优选的实施方案中，系统前选择态单元与偏振态选择器设定的偏振方向与水平正方向的夹角分别为(±π/4)rad和此时第二相位补偿子单元的快轴方向与水平正方向的夹角为0或π/2rad，其赋予的补偿相位为(±2φ)rad，φ为后选择角；或者系统前选择态单元的偏振方向与水平正方向的夹角为(±π/4)rad，偏振态选择器设定的偏振方向与水平正方向的夹角为φ为后选择角，此时第二相位补偿子单元考虑为单一的四分之一波片，或是考虑为固定补偿相位为(±π/2)rad的相位补偿器或是其它波片组合，要求第二相位补偿子单元的快轴方向与水平正方向的夹角始终为所述偏振分束单元用于将一束光分为两束偏振相互正交的光束，即水平偏振光束与竖直偏振光束，所述偏振合束单元用于将这两束光合并为一束光，所述偏振合束单元可以为光束偏移器，或者由双束偏振棱镜与透镜组合而成，所述双束偏振棱镜可以为沃拉斯顿棱镜，塞纳蒙特棱镜、尼科耳棱镜等。所述偏振分束立方体既充当偏振分束作用，又充当偏振合束作用，用于将线偏光分为两束偏振正交的沿不同方向传播(通常为相互垂直的传播方向)的光束，在经历相位延迟后又经偏振分束立方体合为一束椭圆偏振光。所述光信息采集单元为具有弱光探测效应的电荷耦合元件、光电倍增管、摄像机。
针对可透射的透明待测样品，本发明提供的基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置中，为避免由光路过长引起的装置搭建问题，可在第一相位补偿单元与偏振分束单元之间设置反射镜。
下面对本发明提供的三种基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置工作技术进行详细说明。
本发明提供的相位分布测量装置是基于量子调制弱值放大技术，选择光偏振作为量子系统的自由度，量子系统的可观测量算符表示为|H>与|V>是可观测量的本征态，分别对应沿水平方向和竖直方向的偏振光。于是，量子系统态主要表征由两偏振态|H>与|V>构成的偏振叠加态，其包含系统的偏振信息以及两偏振分量间的相位延迟信息。此外，选择光强对比度充当测量仪器中指针的作用，具体指由相位延迟引起的光强度变化的归一化因子，其定义表达式将在下文中给出。
首先在不考虑第一相位补偿单元作用情况下的标准弱值放大技术(StandardWeak-Value Amplification，即SWVA)，此时系统前选择态单元、系统后选择态单元均为固定不可调。
由发光单元发出的入射光束经系统前选择态单元后，被制备为一线偏振光，其系统态|ψi>为：
|ψi>＝|H>cosγ+|V>sinγ (1)。
式中γ为系统前选择态单元设定的偏振方向与水平正方向之间的夹角。
起初，调整第一相位补偿单元使|H>与|V>之间无任何相位延迟，之后通过偏振分束，将光束分成两束偏振正交的光，即|H>光与|V>光。在经历样品耦合单元后，两束光(对应两本征态)间产生一定的相位延迟，记为α，其单位为rad。此时，量子系统态可表示为：
式中，为单位算符。不同于弱测量中的一般幺正操作，这里两本征态间的相位延迟仅仅在量子系统上产生作用，因此采用表示系统可观测量算符与单位算符间的相互作用。
经历样品耦合单元的两光束再次合为一束，并被投影在量子系统后选择态上(即经历系统后选择态单元)，其表示为：
式中，为偏振态选择器设定的偏振方向与水平正方向之间的夹角，φ为系统后选择态单元赋予的后选择角(单位为rad)，其导致|H>与|V>之间产生2φ的相位延迟。对应2φ取正负对称相位时的量子系统后选择态，对应2φ为正相位时的量子系统后选择态，对应2φ为负相位时的量子系统后选择态。
量子系统可观测量的弱值为：
式中，为量子系统后选择态取时对应的弱值，为量子系统后选择态取时对应的弱值。
因此，经系统后选择态单元后，由信息采集单元探测的光强度为：
式中，I0为未添加系统后选择态单元情况下测得的光强度，此时对系统前选择态单元的偏振方向和第一相位补偿单元的补偿相位没有要求，可以任意设定。I+为量子系统后选择态取对应的光强度，I-为量子系统后选择态取对应的光强度。
当满足|α|/2＜＜|φ|时，可以获得探测光强度I±关于待测相位α的线性近似关系，即
式中，为量子系统仅经历系统前选择态、系统后选择态两个阶段后引起的光强度后选择概率。表示取弱值的虚部。
由公式(6)可以看出，仅当|α|/2＜＜φ时，探测光强度I±关于相位延迟α成线性关系，即相位延迟α处在线性区。因此，量子系统经历后选择后，待测的相位延迟α实现了一次纯虚数的线性弱值放大，其表现为探测光强度I±。
为了进一步阐明对待测相位的弱值放大效应和相位测量的灵敏度，进一步引入光强对比度g，其定义为：
在弱值放大技术中，光强对比度g充当着仪器指针的作用。因此可以采用指针偏移量(对应光强对比度)关于相位延迟α的导数表征相位灵敏度。当满足|α|/2＜＜|φ|时(即对应着相位延迟的线性区)，光强对比度g关于相位延迟α成线性关系，因此能够实现对相位延迟α的线性弱值放大。
在相位延迟的线性区域，当相位延迟满足|α|/2＜＜|φ|＜＜1时，可以获得极高的相位灵敏度，以实现显著的线性弱值放大效应。然而，若要对更大的相位延迟|α|实现线性弱值放大，则需选择更大的后选择角φ，其对应更宽的线性区域。而随着后选择角的增大，相位灵敏度将不可避免地降低。也就是说，相位延迟的可测量范围得到扩展是要以降低相位灵敏度为代价，其意味着弱值放大效应的减弱。
为了确保相位延迟的可测量范围得到扩展的同时仍保持高的相位灵敏度(即保持显著的弱值放大效应)，进一步提出调制弱值放大(Modulated Weak-ValueAmplification，即MWVA)技术。具体实现方式为，首先采用标准弱值放大技术并取较大后选择角φ进而粗略测量由待测样品引起的相位延迟，然后在系统前选择态单元后添加第一相位补偿单元(用于对样品耦合单元引起的两光束间的相位延迟进行相位补偿)，利用相位延迟的粗略测量结果对第一相位补偿单元和系统后选择态单元进行反馈调节，以达到最佳的相位补偿和后选择态调制。假定第一相位补偿单元的相位补偿为β(rad)，由发光单元出射的光束经历系统前选择态单元和第一相位补偿单元后，量子系统态可以表示为：
当光束从样品耦合单元出射后，量子系统态可以表示为：
在经历系统后选择态单元后，由光信息采集单元探测到的光强度为：
式中，近似项对应于相位延迟α的调制线性区，其满足|α+β|/2＜＜|φ|。光强后选择概率因此，在引入补偿相位β后，可以对α+β实现同样的纯虚数线性弱值放大。
此时，可以获得光强对比度为：
同样地，近似项对应于相位延迟α的调制线性区，即满足|α+β|/2＜＜|φ|。
通常，一个任意的待测相位延迟α可以被考虑为α＝α0+△α，其中α0与△α分别表示在一段时间内测量相位延迟α的均值与不确定度(即小的相位波动)。更确切地说，采用取较大后选择角φ的标准弱值放大技术时，由于其极低的相位灵敏度，因此可以测得α0却无法测得△α。在调制弱值放大技术中，调节第一相位补偿单元获得补偿相位为β＝-α0，于是将相位延迟α的测量转化为不确定度△α的测量。当相位不确定度△α通过线性弱值放大得到精确估计时，待测的相位延迟α于是被精确测量。
接下来，从理论上证实调制弱值放大技术当存在技术噪声时体现的噪声抑制优势，具体给出信噪比(Signal-to-Noise Ratio,即SNR)的表达式为：
式中，分子项表示由极其小的相位不确定度△α引起的强度信号。分母项表示强度噪声，其量级关于探测光强度成一定关系，即δI±∝(I±)n，其中n的不同取值对应不同类型的噪声。n＝1表示由光源不稳定，器件的非完全对准或瑕疵等情况引起的技术噪声，其噪声强度关于探测光强度成线性关系。n＝1/2表示光子的散粒噪声，其作为标准的量子极限。n＝0表示背景噪声，如实验环境中的杂散光、探测器的电子噪声等，因此其噪声强度与探测光强度无关。可以分别计算出SWVA与MWVA两种弱值放大技术在线性区域测量相位延迟的信噪比：
式中，对应2φ取正负对称相位时的SWVA弱值放大技术在线性区域相位延迟的信噪比，对应2φ取正相位时的SWVA弱值放大技术在线性区域相位延迟的信噪比，对应2φ为取负相位时的SWVA弱值放大技术在线性区域相位延迟的信噪比；对应2φ取正负对称相位时的MWVA弱值放大技术在线性区域相位延迟的信噪比，对应2φ取正相位时的MWVA弱值放大技术在线性区域相位延迟的信噪比，对应2φ取负相位时的MWVA弱值放大技术在线性区域相位延迟的信噪比。
为了进一步反映MWVA技术相对于SWVA技术在信噪比上的提高，设定MWVA技术对SWVA技术的信噪比放大因子：
对于一个极其小的相位延迟α，两种弱值放大技术中的后选择角φ均被固定，此时MWVA技术中不需引入补偿相位(即β＝0)，因此在MWVA技术中信噪比没有得到提高。而对于一个较大的相位延迟α，考虑两种弱值放大技术都是工作在最佳的线性区内。具体地，在SWVA技术中随着相位延迟α的增大，后选择角φ也相应地增大，满足近似的线性区域|α|≤|φ|/5；而在MWVA技术中，通过引入一个适当的补偿相位，其后选择角φ可以保持不变，具体满足/α+β≤|φ|/5。可以看出(针对不同类型的噪声，信噪比放大因子关于相位延迟α的变化曲线)，随着相位延迟α的增大，MWVA技术在n＝1的技术噪声上显示了明显的优势，即具有明显提高的噪声抑制效应；对于n＝1/2的散粒噪声，MWVA技术的信噪比几乎没有提高；对于n＝0的背景噪声，MWVA技术在信噪比上却显示了明显的劣势。然而在测量实验中，可以通过采用低饱和度的探测器和封闭的实验装置等措施使背景噪声得到有效地抑制。此外，除非采用非经典光源，否则散粒噪声(作为一种本质存在的噪声)是无法得到抑制的。综上所述，n＝1的技术噪声成为了影响相位测量精度的主要噪声。正如前面讨论的，MWVA技术对这种类型的技术噪声具有更为明显的抑制效应。总的来说，相比于SWVA技术，MWVA技术在信噪比上更具优越性。结合关于相位灵敏度的分析，调制弱值放大(MWVA)技术能对相位延迟α实现更为精确地测量，尤其针对更大的相位延迟。
基于上述分析，本发明进一步提供了一种基于调制弱值放大技术的相位分布测量方法，通过设定的系统前选择态单元和系统后选择态单元，将经历相位延迟的合成光束投影在给定的后选择态上，通过对系统后选择态单元的后选择角φ及第一相位补偿单元的补偿相位β进行反馈调节，在对光强度进行低概率的后选择同时保留待测样品的相位信息，因此根据光强度关于相位延迟α的函数关系，由光强度的二维分布获得样品的待测相位分布。可以利用上述任意一种相位分布测量装置，通过调节组成系统后选择态单元的偏振态选择器或第二相位补偿子单元实现。
当调节第二相位补偿子单元时，本发明提供的基于调制弱值放大技术的相位分布测量方法，利用上述任意一种相位分布测量装置，按照以下步骤进行：
(S1)在未添加系统后选择态单元的情况下得到二维分布图像，探测到的光强度记为I0；
(S2)调节系统前选择态单元、使其偏振方向与水平方向夹角为γrad，调节第一相位补偿单元至设定补偿相位为0，在光信息采集单元前方设置由第二相位补偿子单元和偏振态选择器组成的系统后选择态单元，调节偏振态选择器的偏振方向与水平正方向的夹角为调节第二相位补偿子单元至补偿相位为2φ0以满足系统后选择态单元的后选择角为φ0，得到二维分布图像，探测到的光强度记为IS；
(S3)根据步骤(S2)得到的二维分布图像中光强度最大值ISa和光强最小值ISi，对于步骤(S2)和步骤(S1)得到的二维分布图像中同一位置，利用分别估计光强度最大值ISa和光强最小值ISi对应的相位，记为α0a和α0i，其单位为rad；
(S4)调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节第二相位补偿子单元，直至获得清晰的二维分布图像，并将其作为相位分布测量的成像分析结果。
上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量方法，系统前选择态单元和偏振态选择器的偏振方向是固定的，其设定的偏振方向与水平正方向的夹角分别为γ与单位为rad，此时第二相位补偿子单元的快轴方向与水平正方向的夹角为0或π/2rad，其赋予的补偿相位为2φrad，φ为后选择角。步骤(S4)实现方式为，调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节第二相位补偿子单元，直至获得清晰的二维分布图像即可，为了获取清晰度较高的二维分布图像，可以先调节第二相位补偿子单元，使后选择角从φ0开始逐步降低，直至获得明显提高的成像对比度，再微调第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元，找到视觉对比度最高的成像状态。为了根据调制弱值放大技术精确高效地找到元件(第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元)的最佳调节度，本发明进一步提供了两种调节方式：①调节第二相位补偿子单元至后选择角为φ＝±5(α0a-α0i)(此时第二相位补偿子单元赋予的补偿相位为2φ)，再微调第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元，直至获得最高的成像对比度，即获得清晰效果较好的二维分布图像；若要对相位分布进行定量测量，可以将步骤(S4)中二维分布图像探测到的光强度记为IM，则根据得到待测样品的定量相位分布α；②调节第二相位补偿子单元至后选择角为φ＝±(α0a-α0i)/4(此时第二相位补偿子单元赋予的补偿相位为2φ)，再微调第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元，直至获得最高的成像对比度，即获得清晰效果较好的二维分布图像；若要对相位分布进行定量测量，可以将步骤(S4)中二维分布图像探测到的光强度记为IM，则根据得到待测样品的定量相位分布α。调节方式①，后选择角φ较大，相应的相位延迟α存在较宽的线性区域因此这种调节方式可以获得不失真的线性成像，较适用于对样品相位分布的精确成像测量。相比于调节方式①，调节方式②中φ较小，因此相应的相位延迟α线性区域较窄，该调节获得的可能是略微失真的成像，但由于具有较高的强度对比度，因此成像的视觉对比度却可以明显地提高，因此适用于对样品相位分布的高对比度成像测量。
当调节偏振态选择器时，本发明提供的基于调制弱值放大技术的相位分布测量方法，利用上述任意一种相位分布测量装置，按照以下步骤进行：
(S1)在未添加系统后选择态单元的情况下得到二维分布图像，探测到的光强度记为I0；
(S2)调节系统前选择态单元的偏振方向与水平正方向的夹角为(±π/4)rad，调节第一相位补偿单元至设定补偿相位为0，在光信息采集单元前方设置由第二相位补偿子单元和偏振态选择器组成的系统后选择态单元，调节第二相位补偿子单元补偿相位为(±π/2)rad，其快轴方向与水平正方向的夹角为调节偏振态选择器的偏振方向与水平正方向的夹角为以满足调节系统后选择态单元的后选择角φ0，得到二维分布图像，探测到的光强度记为IS；
(S3)根据步骤(S2)得到的二维分布图像中光强度最大值ISa和光强最小值ISi，对于步骤(S2)和步骤(S1)得到的二维分布图像中同一位置，利用IS＝I0sin2(φ0+α/2)分别估计光强度最大值ISa和光强最小值ISi对应的相位，记为α0a和α0i，其单位为rad；
(S4)调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节偏振态选择器，直至获得清晰的二维分布图像，并将其作为相位分布测量的成像分析结果。
上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量方法，第二相位补偿子单元为单一的四分之一波片，或是固定补偿相位为(±π/2)rad的相位补偿器或其它波片组合，要求第二相位补偿子单元的快轴方向与水平正方向的夹角为固定系统前选择态单元的偏振方向与水平正方向的夹角为(±π/4)rad，偏振态选择器的偏振方向与水平正方向的夹角为其中φ为系统后选择态单元的后选择角。步骤(S4)实现方式为，调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节偏振态选择器，直至获得清晰的二维分布图像即可，为了获取清晰度较高的二维分布图像，可以先调节偏振态选择器使后选择角从φ0逐步减小，直至获得明显提高的成像对比度，再微调第一相位补偿单元和偏振态选择器，找到视觉对比度最高的成像状态。为了根据调制弱值放大技术精确高效地找到元件(第一相位补偿单元和偏振态选择器)的最佳调节度，本发明进一步提供了两种调节方式：①调节偏振态选择器至后选择角为φ＝±5(α0a-α0i)，再微调第一相位补偿单元和偏振态选择器，直至获得最高的成像对比度，即获得清晰效果较好的二维分布图像；若要对相位分布进行定量测量，可以将步骤(S4)中二维分布图像探测到的光强度记为IM，则根据得到待测样品的定量相位分布α。②调节偏振态选择器至后选择角为φ＝±(α0a-α0i)/4，再微调第一相位补偿单元和偏振态选择器，直至获得最高的成像对比度，即获得清晰效果较好的二维分布图像；若要对相位分布进行定量测量，可以将步骤(S4)中二维分布图像探测到的光强度记为IM，则根据得到待测样品的定量相位分布。调节方式①，后选择角φ较大，因此相应的相位延迟α存在较宽的线性区域因此这种调节方式可以获得不失真的线性成像，较适用于对样品相位分布的精确成像测量。相比于调节方式①，调节方式②中φ较小，因此相应的相位延迟α线性区域较窄，该调节获得的可能是略微失真的成像，但由于具有较高的强度对比度，因此成像的视觉对比度却可以明显地提高，因此适用于对样品相位分布的高对比度成像测量。
上述两种基于调制弱值放大技术的相位分布测量方法中，步骤(S2)中φ0的取值范围为-π/2～0，或0～π/2，其中不包括端值-π/2、0和π/2；所述φ0的优选值为±π/4rad。
本发明基于标准量子弱值放大技术，并采用相位补偿策略，提出了光学相位的调制弱值放大(Modulated Weak-Value Amplification,MWVA)方案。通过采用MWVA方案，可以在对一个波长以内的任意相位延迟实现线性的弱值放大，同时保持标准弱值放大实验可达的最高测量精度，目前标准弱值放大技术在测量极其小的相位延迟时可达到10-5rad量级的精度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置及方法，主要基于标准量子弱值放大技术，以光偏振作为量子系统自由度，采用相位补偿策略，通过设置合适的第一相位补偿单元和系统后选择态单元，可对一个波长以内的任意相位实现高精度测量；
(2)本发明基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置及方法，定义了光强对比度，并以光强对比度关于相位延迟的导数表征相位灵敏度；通过引入反馈相位补偿，结合对系统后选择态单元中后选择角的调制，实现了对更大待测相位仍保留较高的灵敏度，从而对相位延迟实现了显著的线性弱值放大效应；同时基于调制弱值放大技术在信噪比方面的明显优势，能够在更大量级相位测量上显示更高的测量精度；
(3)本发明基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置及方法，是一种新型的、无损的直接光学传感测量技术，适用于生物医学、分析化学、材料学等多个技术领域的相位高精度测量及成像分析，具有重要应用价值。
术语解释
量子弱值放大理论：其主要涉及两个具有不同自由度的独立系统，即量子系统(通常简称为系统)与测量仪器。在量子光学中，系统的自由度可以考虑为光偏振方向，或是光子的动量，或是赛格拉克干涉仪中不同方向的光路等等；测量仪器主要涉及关于指针的波函数，在不同的参数测量中其指针也可以被考虑为不同的自由度，如光偏振方向，空间坐标，光频率等等。当采用经典光源测量时，仪器关于指针的波函数通常为高斯函数。在弱值放大理论中，首先通过对系统与仪器选择合适的自由度完成其初始的制备，其分别对应不同的初始态。在系统与仪器以一定的强度相互耦合后，再经过对系统态进行后选择，可以根据仪器指针的平均偏移量获得耦合强度(充当待测的物理参数)的信息，进而实现待测参数的弱值放大【参见《量子信息物理技术》等】。在本发明中，以光偏振为系统的自由度，而光强对比度充当仪器的指针，并且考虑系统为二能级系统，即仅存在两个本征态，分别对应沿水平方向与竖直方向的光偏振。
附图说明
图1为基于标准弱值放大技术的光强对比度随相位延迟变化的理论拟合曲线；其中，(a)对应后选择角φ＝0.01rad，系统前选择态单元设定的偏振方向与水平正方向的夹角γ＝π/4rad，偏振态选择器设定的偏振方向与水平正方向的夹角分别取值为和时，光强对比度随相位延迟变化的理论拟合曲线；(b)对应后选择角φ＝0.01rad，偏振态选择器与系统前选择态单元设定的偏振方向关于水平方向对称，即系统前选择态单元设定的偏振方向关于水平正方向的夹角γ分别取为γ＝(π/4)rad，γ＝π/(4±0.03)rad和γ＝π/(4±0.05)rad时，光强对比度随相位延迟变化的理论拟合曲线。
图2为基于标准弱值放大技术与调制弱值放大技术的光强对比度随相位延迟变化的理论拟合曲线；其中，(a)对应标准弱值放大技术，补偿相位β＝0rad，后选择角φ分别取值为φ＝0.005rad，φ＝0.05rad和φ＝0.08rad时，光强对比度随相位延迟变化的理论拟合曲线；(b)对应调制弱值放大技术，后选择角φ＝0.005rad，补偿相位β分别取值为β＝0rad，β＝0.009rad和β＝-0.015rad时，光强对比度随相位延迟变化的理论拟合曲线。
图3为基于调制弱值放大技术相对于标准弱值放大技术的信噪比放大因子随相位延迟变化的理论拟合曲线；其中，(a)对应n＝1类型的技术噪声；(b)对应n＝1/2类型的散粒噪声；(c)对应n＝0类型的背景噪声。
图4为本发明实施例1中基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置结构示意图；
图5为本发明实施例2中基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置结构示意图；
图6为本发明实施例3中基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置结构示意图；
图7为本发明实施例4中基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置结构示意图；
图8为本发明实施例5中基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置结构示意图；
图9为本发明实施例6中基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置结构示意图；
图10为本发明实施例7中基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置结构示意图。
其中，1a、1b、1c-发光单元，2a、2b、2c-系统前选择态单元，3a、3b、3c-第一相位补偿单元，4a、15c-反射镜，4b-分束镜，4c-偏振分束立方体，5a、5b、9a-双束偏振棱镜，6a、6b、8a-凸透镜，7a、7b、7c-样品耦合单元，10a、10b、10c第二相位补偿子单元，11a、11b、11c-偏振态选择器，12a、12b、12c光信息采集单元，13c、14c-四分之一波片。
具体实施方式
以下将结合附图给出本发明实施例，并通过实施例对本发明的技术方案进行进一步的清楚、完整说明。显然，所述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例提供的基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，是针对可透射的透明待测样品设计的，其结构如图4所示，该装置沿光路传播方向依次包括发光单元1a、系统前选择态单元2a、第一相位补偿单元3a、反射镜4a、偏振分束单元、样品耦合单元7a、偏振合束单元、系统后选择态单元和光信息采集单元12a。发光单元1a由光源发生器及位于光束出射方向的能量调节器组成，其中光源发生器为准直激光器，能量调节器为二分之一波片。偏振分束单元和偏振合束单元均由产生相互正交光束的双束偏振棱镜(5a、9a)和凸透镜(6a、8a)组成，双束偏振棱镜(5a、9a)可以为沃拉斯顿棱镜。样品耦合单元7a主要由载物台、安装在载物台上的待测样品以及位于待测样品前的高倍物镜组成，高倍物镜用于将光束聚焦在样品极小的区域内。系统后选择态单元由偏振态选择器11a和位于偏振态选择器前面的第二相位补偿子单元10a组成。系统前选择态单元和偏振态选择器均为双折射晶体。第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元均为相位补偿器。光信息采集单元12a为用于探测弱的光强度信号的电荷耦合原件CCD。
上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元1a发出的光束经系统前选择态单元2a制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元3a进行相位补偿、再经反射镜4a反射后经偏振分束单元分为两束偏振相互正交的偏振光，两束偏振光一束进入样品，另一束穿过载物台作为参考光束，从样品透射的偏振光束与参考光束经偏振合束单元合并为一束椭圆偏振光，再经第二相位补偿子单元和系统后选择态单元后由光信息采集单元12a接收。
根据前面的理论分析过程，在不考虑第一相位补偿单元作用情况下，其光强对比度为：
由于光强对比度g充当着仪器指针的作用，可以用指针偏移量(对应光强对比度)关于相位延迟α的导数表征相位灵敏度。本发明进一步研究了系统前选择态单元、偏振态选择器的偏振方向调节对光强对比度的影响，通过提高光强对比度来提高相位灵敏度。
设置后选择角为φ＝0.01rad，设置系统前选择态单元的偏振方向与水平正方向的夹角为γ＝π/4rad，设置偏振态选择器的偏振方向关于水平正方向的夹角为 rad三种情况，得到的光强对比度g与相位延迟α变化的理论拟合曲线如图1(a)所示，从图中可以看出，当时(即两偏振方向关于水平方向对称)，可以获得最大的光强对比度，因此获得最大的相位灵敏度。
在系统前选择态单元的偏振方向关于水平正方向夹角γ与设置偏振态选择器的偏振方向与水平正方向夹角的大小相等的基础上(即取)，设置后选择角为φ＝0.01rad，设置系统前选择态单元的偏振方向关于水平正方向的夹角γ＝π/4、γ＝π/(4±0.03)rad、γ＝π/(4±0.05)rad三种情况，得到的光强对比度g与相位延迟α变化的理论拟合曲线如图1(b)所示，从图中可以看出，当γ＝π/4rad时，可以获得最大的光强对比度，因此获得最大的相位灵敏度。
因此，当通过调节第二相位补偿子单元实现对后选择角的调节时，对于不同的与γ，当满足γ＝(±π/4)rad、且第二相位补偿子单元的快轴方向关于水平方向成(π/2)rad或0，可以获得最大的光强对比度，其对应最大的相位灵敏度和线性弱值放大效应，即为优选的实施方案；当通过调节偏振态选择器实现对后选择角的调节时，该优选实验方案调整如下：系统前选择态单元的偏振方向关于水平正方向的夹角为γ＝(±π/4)rad，第二相位补偿子单元考虑为单一的四分之一波片，或是考虑为固定补偿相位为(±π/2)rad的相位补偿器或是其它波片组合，要求第二相位补偿子单元的快轴方向关于水平正方向的夹角始终为偏振态选择器的偏振方向关于水平正方向的夹角大小为φ为系统的后选择角。
下面以优选方案为例，对具体的弱值放大理论进行分析，设置系统前选择态单元的偏振方向关于水平正方向之间的夹角为γ＝π/4rad，偏振态选择器的偏振方向关于水平正方向夹角为后选择态单元的后选择角为φ，其对应第二相位补偿子单元的补偿相位为2φ，单位rad。在这种情况下，光束经历系统前选择态单元后，量子系统态可以表示为
起初，若设置了第一相位补偿单元，可以先调整第一相位补偿单元确保量子系统的两本征态|H>与|V>之间无任何相位延迟。在经历偏振分束单元后，该光束被分成两束平行传播的正交偏振光，即|H>光与|V>光。在经历样品耦合单元后，两光束间产生一定的相位延迟，记为α，单位为rad。此时，量子系统态可表示为：
式中，为单位算符。这里，两本征态间的相位延迟仅仅在量子系统上产生作用，因此采用表示系统可观测量算符与单位算符间的相互作用。在经历偏振合束单元后，该量子系统态将被投影在后选择偏振态上(即经历系统后选择态单元)，其表示为
最后，通过光信息采集单元探测的光强度为：
式中，I0是在未添加系统后选择态单元的情况下探测的光强度。在测量I0时，系统前选择态单元的偏振方向和第一相位补偿单元的补偿相位可以任意设定。I+为量子系统后选择态取对应的光强度，I-为量子系统后选择态取对应的光强度。近似项同样对应相位延迟α的线性区域，即满足|α|/2＜＜φ。其中，是系统仅仅在经历前选择，后选择两个阶段后引起的光强度的后选择概率。表示取弱值的虚部。因此，经过量子系统的后选择，待测相的相位延迟α实现了一次纯虚数的线性弱值放大，其表现为探测光强度I±。
在该情况下，可以获得同样的光强对比度，即
其近似项同样对应相位延迟α的线性区域，即|α|/2＜＜φ。在不考虑第一相位补偿单元作用的情况下(即设置第一相位补偿单元补偿相位β＝0)，通过调整第二相位补偿子单元的补偿相位2φS(即设置不同的后选择角φS＝0.005rad、0.05rad、0.08rad)，得到的光强对比度g随相位延迟α变化的理论拟合曲线如图2(a)所示，可以发现在标准弱值放大技术中，对于固定的后选择角φS，相位延迟α的可测量范围仅仅被限制在|α|/2＜＜|φS|，其具有相对较高的相位灵敏度。在线性区域的考虑下，当相位延迟满足|α|/2＜＜|φS|＜＜1时，可以获得极高的相位灵敏度，以实现显著的线性弱值放大效应。然而，若要对更大的相位延迟α实现线性弱值放大，则需选择更大的后选择角φS，其对应更宽的线性区域。而随着后选择角的增大，相位灵敏度将不可避免地降低。也就是说，相位延迟的可测量范围得到扩展是要以降低相位灵敏度为代价，其意味着弱值放大效应的降低。
基于本发明提出的调制弱值放大(Modulated Weak-Value Amplification，即MWVA)技术，在系统前选择态单元后添加第一相位补偿单元，即对样品耦合单元引起的两光束间的相位延迟进行补偿。根据第二相位补偿子单元φS取(±π/4)rad的标准弱值放大技术(等同于标准的平衡零差探测技术)测量结果，对第一相位补偿单元和系统后选择态单元进行反馈调节，以达到最佳的相位补偿和后选择态调制。假定第一相位补偿单元的相位补偿为β，其单位为rad，由发光单元出射的光束经历系统前选择态单元和第一相位补偿单元后，量子系统态可以表示为：
当光束从样品耦合单元出射后，量子系统态可以表示为：
在经历偏振合束单元及系统后选择态单元后，由光信息采集单元探测到的光强度为：
近似项对应于相位延迟α的调制线性区域，其满足|α+β|/2＜＜|φ|。因此，在引入补偿相位后，可以对α+β实现同样的纯虚数线性弱值放大。
此时，可以获得光强对比度为：
同样地，近似项对应于相位延迟α的调制线性区域，即满足|α+β|/2＜＜|φ|。
前面标准弱值放大光路中，在系统前选择态单元后面设置第一相位补偿单元，并调整第一相位补偿单元补偿相位分别为β＝0、0.009rad、-0.015rad，同时调整第二相位补偿子单元的补偿相位为φM＝0.005rad，得到的光强对比度g随相位延迟α变化的理论拟合曲线如图2(b)所示，可以看出，对于极其小的相位延迟α(满足|α|/2＜＜|φM|)，可以不需要进行相位补偿(即β＝0)，其光强对比度曲线显示了较高的相位灵敏度。而对于一个更大的相位延迟α，通过引入一个合理的补偿相位β，光强对比度曲线完成了一次合理的平移，因此保持了较高的相位灵敏度。当对第二相位补偿子单元设定一个较小的补偿相位时(满足|α+β|/2＜＜|φM|＜＜1)时，原则上一个任意的相位延迟都可以实现高灵敏性测量。
通常，一个任意的待测相位延迟α可以被考虑为α＝α0+△α，其中α0与△α分别表示在一段时间内测量相位延迟α的均值与不确定度(即小的相位波动)。更确切地说，采用标准的平衡零差探测技术时，由于其极低的相位灵敏度，因此可以测得α0却无法测得△α。在调制弱值放大技术中，调节第一相位补偿单元获得补偿相位为β＝-α0，于是将相位延迟α的测量转化为不确定度△α的测量。当相位不确定度△α通过线性弱值放大得到精确估计时，待测的相位延迟α于是被精确测量。
接下来，进一步对调制弱值放大技术噪声抑制方面的优势进行说明，前面已经给出SWVA与MWVA两种弱值放大技术在线性区测量相位延迟的信噪比：
同时给出MWVA技术对SWVA技术的信噪比放大因子：
信噪比放大因子随相位延迟α变化的理论拟合曲线如图3所示。对于一个极其小的相位延迟α，此时MWVA技术中不需引入补偿相位(即β＝0)，因此在MWVA技术中信噪比没有得到提高。而对于一个较大的相位延迟α，考虑两种弱值放大技术都是工作在最佳的线性区内。具体地，在SWVA技术中随着相位延迟α的增大，后选择角φS也相应地增大，满足近似的线性区域|α|≤φS|/5；而在MWVA技术中，通过引入一个适当的补偿相位，其后选择角φM可以保持不变，具体满足|α+β|≤φM|/5。可以看出，随着相位延迟α的增大，MWVA技术在n＝1的技术噪声上显示了明显的优势，即具有明显提高的噪声抑制效应。对于n＝1/2的散粒噪声，MWVA技术的信噪比几乎没有提高。对于n＝0的背景噪声，MWVA技术在信噪比上却显示了明显的劣势。然而在测量实验中，可以通过采用低饱和度的探测器和封闭的实验装置等措施使背景噪声得到有效地抑制。此外，除非采用非经典光源，否则散粒噪声(作为一种本质存在的噪声)是无法得到抑制的。因此，n＝1的技术噪声成为了影响相位测量精度的主要噪声。正如前面讨论的，MWVA技术对这种类型的技术噪声具有更为明显的抑制效应。总的来说，相比于SWVA技术，MWVA技术在信噪比上更具优越性。结合关于相位灵敏度的分析，调制弱值放大(MWVA)技术能对相位延迟α实现更为精确地测量，尤其针对更大的相位延迟。
采用上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，然后按照以下步骤进行相位分布测量：
(S1)在未添加系统后选择态单元的情况下得到二维分布图像，探测到的光强度记为I0；
(S2)调节系统前选择态单元、使其偏振方向与水平方向夹角为π/4rad，调节第一相位补偿单元至设定补偿相位为0，在光信息采集单元前方设置系统后选择态单元，调节偏振态选择器的偏振方向关于水平正方向的夹角为-π/4rad，调节第二相位补偿子单元至补偿相位为2φ0＝π/2rad，以满足系统后选择态单元的后选择角为φ0＝π/4rad，得到二维分布图像，探测到的光强度记为IS；
(S3)根据步骤(S2)得到的二维分布图像中光强度最大值ISa和光强最小值ISi，对于步骤(S2)和步骤(S1)得到的二维分布图像中同一位置，利用IS＝I0sin2(φ0+α/2)分别估计光强度最大值ISa和光强最小值ISi对应的相位，记为α0a和α0i，其单位为rad；
(S4)调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节第二相位补偿子单元使后选择角从φ0逐步降低，直至获得明显提高的成像对比度，再微调第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元，找到视觉对比度最高的成像状态，即获得清晰效果较好的二维分布图像，并将其作为相位分布测量的成像分析结果。
若要对相位分布进行定量测量，可以将步骤(S4)中二维分布图像探测到的光强度记为IM，则根据得到待测样品的定量相位分布α，步骤(S4)中获得清晰二维分布图像时第二相位补偿子单元的补偿相位为2φ，此时系统后选择态单元的后选择角为φ。
当用上述于调制弱值放大技术的相位分布测量方法对样品厚度进行测量时，若以由样品引起的相位延迟α反映样品厚度的情况下，其中α0＝-β反映的是样品厚度的平均值，而△α＝α-α0能够反映高出样品厚度与样品厚度平均值的偏差，因此可以用△α来反映样品表面形貌。
实施例2
本实施例提供的基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，结构如图5所示，与实施例1中的相位分布测量装置基本相同，其不同在于光路走向，本实施例基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元1a发出的光束经系统前选择态单元2a制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元3a进行相位调节、再经反射镜4a反射后经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光均进入样品耦合单元7a中的样品，从样品透射的两束偏振光经偏振合束单元合并为一束椭圆偏振光，再经系统后选择态单元后由光信息采集单元12a接收。
采用上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，然后按照以下步骤进行相位分布测量：
(S1)在未添加系统后选择态单元的情况下得到二维分布图像，探测到的光强度记为I0；
(S2)调节系统前选择态单元、使其偏振方向与水平正方向夹角为γ＝π/6rad，调节第一相位补偿单元至设定补偿相位为0，在光信息采集单元前方设置系统后选择态单元，调节偏振态选择器的偏振方向与水平正方向的夹角为调节第二相位补偿子单元至补偿相位为2φ0＝2π/3rad，以满足系统后选择态单元的后选择角为φ0＝π/3rad，得到二维分布图像，探测到的光强度记为IS；
(S3)根据步骤(S2)得到的二维分布图像中光强度最大值ISa和光强最小值ISi，对于步骤(S2)和步骤(S1)得到的二维分布图像中同一位置，利用分别估计光强度最大值ISa和光强最小值ISi对应的相位，记为α0a和α0i，其单位为rad；
(S4)调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节第二相位补偿子单元至后选择角为φ＝5(α0a-α0i)，再微调第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元，直至获得最高的成像对比度，即获得清晰效果较好的二维分布图像，并将其作为相位分布测量的成像分析结果。
若要对相位分布进行定量测量，可以将步骤(S4)中二维分布图像探测到的光强度记为IM，则根据得到待测样品的定量相位分布α，步骤(S4)中获得清晰二维分布图像时第二相位补偿子单元的补偿相位为2φ，此时系统后选择态单元的后选择角为φ。
当用上述于调制弱值放大技术的相位分布测量方法对样品厚度进行测量时，若以由样品引起的相位延迟α反映样品厚度的情况下，其中α0＝-β反映的是样品厚度的平均值，而△α＝α-α0能够反映高出样品厚度与样品厚度平均值的偏差，因此可以用△α来反映样品表面形貌。
实施例3
本实施例提供的基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，是针对反射待测样品设计的，其结构如图6所示，该装置沿光路传播方向依次包括发光单元1b、系统前选择态单元2b、第一相位补偿单元3b、分束镜4b、偏振分束单元、样品耦合单元7b、系统后选择态单元和光信息采集单元，偏振分束单元和样品耦合单元位于分束镜的反射光路上，系统后选择态单元和光信息采集单元位于分束镜的出射光路上。发光单元1b由光源发生器及位于光束出射方向的能量调节器组成，其中光源发生器为准直激光器，能量调节器为中性密度滤光片。偏振分束单元由产生相互正交光束的双束偏振棱镜5b和凸透镜6b组成，双束偏振棱镜5b为塞纳蒙特棱镜。样品耦合单元7b包括载物台以及安装在载物台上的待测样品组成，载物台的一面镀有反射膜。系统后选择态单元由偏振态选择器11b和位于偏振态选择器前面的第二相位补偿子单元10b组成。系统前选择态单元和偏振态选择器均为线栅偏振片。第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元均由两个四分之一波片组合而成。光信息采集单元12b为用于探测弱的光强度信号的光电倍增管。
上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元1b发出的光束经系统前选择态单元2b制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元3b进行相位调节后入射到分束镜4b上，经分束镜反射的光束经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光一束进入样品，另一束作为参考光束进入载物台，从样品反射出的偏振光束与载物台反射膜反射的参考光束经偏振分束单元再次合并为一束椭圆偏振光，椭圆偏振光束继后经分束镜4b、系统后选择态单元后由光信息采集单元12b接收。
采用上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，然后按照以下步骤进行相位分布测量：
(S1)在未添加系统后选择态单元的情况下得到二维分布图像，探测到的光强度记为I0；
(S2)调节系统前选择态单元、使其偏振方向与水平方向夹角为γ＝π/3rad，调节第一相位补偿单元至设定补偿相位为0，在光信息采集单元前方设置系统后选择态单元，调节偏振态选择器的偏振方向与水平正方向的夹角为调节第二相位补偿子单元至补偿相位为2φ0＝π/3rad，以满足系统后选择态单元的后选择角为φ0＝π/6rad，得到二维分布图像，探测到的光强度记为IS；
(S3)根据步骤(S2)得到的二维分布图像中光强度最大值ISa和光强最小值ISi，对于步骤(S2)和步骤(S1)得到的二维分布图像中同一位置，利用分别估计光强度最大值ISa和光强最小值ISi对应的相位，记为α0a和α0i，其单位为rad；
(S4)调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节第二相位补偿子单元至后选择角为φ＝(α0a-α0i)/4，再微调第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元，直至获得最高的成像对比度，即获得清晰效果较好的二维分布图像，并将其作为相位分布测量的成像分析结果。
若要对相位分布进行定量测量，可以将步骤(S4)中二维分布图像探测到的光强度记为IM，则根据得到待测样品的定量相位分布α，步骤(S4)中获得清晰二维分布图像时第二相位补偿子单元的补偿相位为2φ，此时系统后选择态单元的后选择角为φ。
当用上述于调制弱值放大技术的相位分布测量方法对样品厚度进行测量时，若以由样品引起的相位延迟α反映样品厚度的情况下，其中α0＝-β反映的是样品厚度的平均值，而△α＝α-α0能够反映高出样品厚度与样品厚度平均值的偏差，因此可以用△α来反映样品表面形貌。
实施例4
本实施例提供的基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，结构如图7所示，与实施例3中的相位分布测量装置基本相同，其不同在于载物台可以不设置反射膜，本实施例基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元1b发出的光束经系统前选择态单元2b制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元3b进行相位调节后入射到分束镜4b上，经分束镜反射的光束经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光束进入样品，从样品反射出的两偏振光束经偏振分束单元再次合并为一束椭圆偏振光，椭圆偏振光束继后经分束镜4b、系统后选择态单元后由光信息采集单元12b接收。
采用上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，然后按照以下步骤进行相位分布测量：
(S1)在未添加系统后选择态单元的情况下得到二维分布图像，探测到的光强度记为I0；
(S2)调节系统前选择态单元设定的偏振方向与水平正方向的夹角为γ＝π/4rad，调节第一相位补偿单元至设定补偿相位为0，在光信息采集单元前方设置系统后选择态单元，调节第二相位补偿子单元补偿相位为π/2rad、其快轴方向与水平正方向的夹角为-π/4rad，调节偏振态选择器的偏振方向与水平正方向的夹角为以满足调节系统后选择态单元的后选择角至φ0＝-π/4rad，得到二维分布图像，探测到的光强度记为IS；
(S3)根据步骤(S2)得到的二维分布图像中光强度最大值ISa和光强最小值ISi，对于步骤(S2)和步骤(S1)得到的二维分布图像中同一位置，利用IS＝I0sin2(φ0+α/2)分别估计光强度最大值ISa和光强最小值ISi对应的相位，记为α0a和α0i，其单位为rad；
(S4)调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节偏振态选择器使后选择角从φ0逐步减小，直至获得明显提高的成像对比度，再微调第一相位补偿单元和偏振态选择器，找到视觉对比度最高的成像状态，即获得清晰效果较好的二维分布图像，并将其作为相位分布测量的成像分析结果。
若要对相位分布进行定量测量，可以将步骤(S4)中二维分布图像探测到的光强度记为IM，则根据IM＝I0sin2[φ+(α+β)/2]得到待测样品的定量相位分布α，这里的φ是步骤(S4)中获得清晰二维分布图像时由偏振态选择器赋予系统后选择态单元的后选择角。
当用上述于调制弱值放大技术的相位分布测量方法对样品厚度进行测量时，若以由样品引起的相位延迟α反映样品厚度的情况下，其中α0＝-β反映的是样品厚度的平均值，而△α＝α-α0能够反映高出样品厚度与样品厚度平均值的偏差，因此可以用△α来反映样品表面形貌。
实施例5
本实施例提供的基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，结构如图8所示，与实施例3中的相位分布测量装置基本相同，其不同在于偏振分束单元和样品耦合单元位于分束镜的透射光路上，系统后选择态单元和光信息采集单元位于分束镜的出射光路上。本实施例基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元1b发出的光束经系统前选择态单元2b制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元3b进行相位调节后入射到分束镜4b上，经分束镜透射的光束经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光一束进入样品，另一束作为参考光束进入载物台，从样品反射出的偏振光束与载物台反射膜反射的参考光束经偏振分束单元再次合并为一束椭圆偏振光，椭圆偏振光束继后经分束镜4b、系统后选择态单元后由光信息采集单元12b接收。
采用上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，然后按照以下步骤进行相位分布测量：
(S1)在未添加系统后选择态单元的情况下得到二维分布图像，探测到的光强度记为I0；
(S2)调节系统前选择态单元设定的偏振方向与水平方向的夹角为γ＝π/4rad，调节第一相位补偿单元至设定补偿相位为0，在光信息采集单元前方设置系统后选择态单元，调节第二相位补偿子单元补偿相位为π/2rad、其快轴方向与水平正方向的夹角为-π/4rad，调节偏振态选择器的偏振方向与水平正方向的夹角为以满足调节系统后选择态单元的后选择角至φ0＝-π/3rad，得到二维分布图像，探测到的光强度记为IS；
(S3)根据步骤(S2)得到的二维分布图像中光强度最大值ISa和光强最小值ISi，对于步骤(S2)和步骤(S1)得到的二维分布图像中同一位置，利用IS＝I0sin2(φ0+α/2)分别估计光强度最大值ISa和光强最小值ISi对应的相位，记为α0a和α0i，其单位为rad；
(S4)调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节偏振态选择器至后选择角为φ＝-5(α0a-α0i)，再微调第一相位补偿单元和偏振态选择器，直至获得最高的成像对比度，即获得清晰效果较好的二维分布图像，并将其作为相位分布测量的成像分析结果。
若要对相位分布进行定量测量，可以将步骤(S4)中二维分布图像探测到的光强度记为IM，则根据IM＝I0sin2[φ+(α+β)/2]得到待测样品的定量相位分布α，这里的φ是步骤(S4)中获得清晰二维分布图像时由偏振态选择器赋予系统后选择态单元的后选择角。
当用上述于调制弱值放大技术的相位分布测量方法对样品厚度进行测量时，若以由样品引起的相位延迟α反映样品厚度的情况下，其中α0＝-β反映的是样品厚度的平均值，而△α＝α-α0能够反映高出样品厚度与样品厚度平均值的偏差，因此可以用△α来反映样品表面形貌。
实施例6
本实施例提供的基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，结构如图9所示，与实施例5中的相位分布测量装置基本相同，其不同在于载物台可以不设置反射膜，本实施例基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元1b发出的光束经系统前选择态单元2b制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元3b进行相位调节后入射到分束镜4b上，经分束镜透射的光束经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光束进入样品，从样品反射出的两偏振光束经偏振分束单元再次合并为一束椭圆偏振光，椭圆偏振光束继后经分束镜4b、系统后选择态单元后由光信息采集单元12b接收。
采用上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，然后按照以下步骤进行相位分布测量：
(S1)在未添加系统后选择态单元的情况下得到二维分布图像，探测到的光强度记为I0；
(S2)调节系统前选择态单元设定的偏振方向与水平方向的夹角为γ＝-π/4rad，调节第一相位补偿单元至设定补偿相位为0，在光信息采集单元前方设置系统后选择态单元，调节第二相位补偿子单元补偿相位为π/2rad、其快轴方向与水平正方向的夹角为-π/4rad，调节偏振态选择器的偏振方向与水平方向的夹角为以满足调节系统后选择态单元的后选择角至φ0＝π/4rad，得到二维分布图像，探测到的光强度记为IS；
(S3)根据步骤(S2)得到的二维分布图像中光强度最大值ISa和光强最小值ISi，对于步骤(S2)和步骤(S1)得到的二维分布图像中同一位置，利用IS＝I0sin2(φ0+α/2)分别估计光强度最大值ISa和光强最小值ISi对应的相位，记为α0a和α0i，其单位为rad；
(S4)调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节偏振态选择器至后选择角为φ＝5(α0a-α0i)，再微调第一相位补偿单元和偏振态选择器，直至获得最高的成像对比度，即获得清晰效果较好的二维分布图像，并将其作为相位分布测量的成像分析结果。
若要对相位分布进行定量测量，可以将步骤(S4)中二维分布图像探测到的光强度记为IM，则根据IM＝I0sin2[φ+(α+β)/2]得到待测样品的定量相位分布α，这里的φ是步骤(S4)中获得清晰二维分布图像时由偏振态选择器赋予系统后选择态单元的后选择角。
当用上述于调制弱值放大技术的相位分布测量方法对样品厚度进行测量时，若以由样品引起的相位延迟α反映样品厚度的情况下，其中α0＝-β反映的是样品厚度的平均值，而△α＝α-α0能够反映高出样品厚度与样品厚度平均值的偏差，因此可以用△α来反映样品表面形貌。
实施例7
本实施例提供的基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，是针对反射待测样品设计的，其结构如图10所示，该装置沿光路传播方向依次包括发光单元1c、系统前选择态单元2c、第一相位补偿单元3c、偏振分束立方体4c、两个四分之一波片(13c、14c)、样品耦合单元7c、反射镜15c、系统后选择态单元和光信息采集单元12c，四分之一波片13c、样品耦合单元7c位于偏振分束立方体4c的反射光路上，四分之一波片14c和反射镜15c位于偏振分光镜的透射光路上。系统后选择态单元和光信息采集单元分别位于偏振分光镜4c的出射光路上。发光单元1c由光源发生器及位于光束出射方向的能量调节器组成，其中光源发生器为激光二极管，能量调节器为可变分束器。样品耦合单元7c主要由载物台、安装在载物台上的待测样品以及位于待测样品前的高倍物镜组成，高倍物镜用于将光束聚焦在样品极小的区域内。系统后选择态单元由偏振态选择器11c和位于偏振态选择器前面的第二相位补偿子单元10c组成。系统前选择态单元和偏振态选择器均为双折射晶体。第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元均由二分之一波片和四份之一波片组合而成。光信息采集单元12c为用于探测弱的光强度信号的摄像机。
上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元1c发出的光束经系统前选择态单元2c制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元3c进行相位调节后入射到偏振分束立方体4c上，分成两束偏振态相互正交的反射光束与透射光束，反射光束和透射光束分别经四分之一波片(13c、14c)进入样品和反射镜15c，从样品反射出的偏振光束与经反射镜15c反射的光束分别经四分之一波片(13c、14c)再次经偏振分束立方体合成一束椭圆偏振光，椭圆偏振光束继后经系统后选择态单元后由光信息采集单元接收。
采用上述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，然后按照以下步骤进行相位分布测量：
(S1)在未添加系统后选择态单元的情况下得到二维分布图像，探测到的光强度记为I0；
(S2)调节系统前选择态单元设定的偏振方向与水平正方向的夹角为γ＝π/4rad，调节第一相位补偿单元至设定补偿相位为0，在光信息采集单元前方设置系统后选择态单元，调节第二相位补偿子单元补偿相位为π/2rad、其快轴方向与水平正方向的夹角为-π/4rad，调节偏振态选择器的偏振方向与水平正方向的夹角为以满足调节系统后选择态单元的后选择角至φ0＝-π/6rad，得到二维分布图像，探测到的光强度记为IS；
(S3)根据步骤(S2)得到的二维分布图像中光强度最大值ISa和光强最小值ISi，对于步骤(S2)和步骤(S1)得到的二维分布图像中同一位置，利用IS＝I0sin2(φ0+α/2)分别估计光强度最大值ISa和光强最小值ISi对应的相位，记为α0a和α0i，其单位为rad；
(S4)调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节偏振态选择器至后选择角为φ＝-(α0a-α0i)/4，再微调第一相位补偿单元和偏振态选择器，直至获得最高的成像对比度，即获得清晰效果较好的二维分布图像，并将其作为相位分布测量的成像分析结果。
若要对相位分布进行定量测量，可以将步骤(S4)中二维分布图像探测到的光强度记为IM，则根据IM＝I0sin2[φ+(α+β)/2]得到待测样品的定量相位分布α，这里的φ是步骤(S4)中获得清晰二维分布图像时由偏振态选择器赋予系统后选择态单元的后选择角。
当用上述于调制弱值放大技术的相位分布测量方法对样品厚度进行测量时，若以由样品引起的相位延迟α反映样品厚度的情况下，其中α0＝-β反映的是样品厚度的平均值，而△α＝α-α0能够反映高出样品厚度与样品厚度平均值的偏差，因此可以用△α来反映样品表面形貌。
Claims (10)
1.一种基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，其特征在于包括发光单元、系统前选择态单元、第一相位补偿单元、偏振分束单元、样品耦合单元、偏振合束单元、系统后选择态单元和光信息采集单元；所述样品耦合单元包括载物台以及装载在载物台上的待测样品；所述相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元发出的光束经系统前选择态单元制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元进行相位补偿后再经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光一束进入样品，另一束穿过载物台作为参考光束，从样品透射的偏振光束与参考光束经偏振合束单元合并为一束椭圆偏振光，再经系统后选择态单元后由光信息采集单元接收；
或者，由发光单元发出的光束经系统前选择态单元制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元进行相位补偿后再经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光进入样品，从样品透射的两偏振光经偏振合束单元合并为一束椭圆偏振光，再经系统后选择态单元后由光信息采集单元接收。
2.一种基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，其特征在于包括发光单元、系统前选择态单元、第一相位补偿单元、分束镜、偏振分束单元、样品耦合单元、系统后选择态单元和光信息采集单元；所述样品耦合单元包括载物台以及装载在载物台上的待测样品，载物台的一面镀有反射膜或安装有可调反射镜；所述相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元发出的光束经系统前选择态单元制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元进行相位补偿后入射到分束镜上，从分束镜出射的光束经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光一束进入样品，另一束进入载物台作为参考光束，从样品反射出的偏振光束与经载物台反射膜或可调反射镜反射的参考光束经偏振分束单元再次合并为一束椭圆偏振光，椭圆偏振光束继后经分束镜和系统后选择态单元后由光信息采集单元接收；
或者，由发光单元发出的光束经系统前选择态单元制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元进行相位补偿后入射到分束镜上，从分束镜出射的光束经偏振分束单元分为两束偏振态相互正交的偏振光，两束偏振光进入样品，从样品反射出的两束偏振光经偏振分束单元再次合并为一束椭圆偏振光，椭圆偏振光束继后经分束镜和系统后选择态单元后由光信息采集单元接收。
3.一种基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，其特征在于包括发光单元、系统前选择态单元、第一相位补偿单元、偏振分束立方体、两个偏振调制单元、样品耦合单元、反射镜、系统后选择态单元和光信息采集单元；所述样品耦合单元包括载物台以及装载在载物台上的待测样品；所述相位分布测量装置中的光路走向为：
由发光单元发出的光束经系统前选择态单元制备为线偏振光，线偏振光经第一相位补偿单元进行相位补偿后入射到偏振分束立方体上，分成两束偏振态相互正交的反射光束与透射光束，反射光束和透射光束分别经偏振调制单元进入样品和反射镜，从样品反射出的偏振光束与经反射镜反射的偏振光束分别经偏振调制单元再次经偏振分束立方体合成一束椭圆偏振光，椭圆偏振光束经系统后选择态单元后由光信息采集单元接收。
4.根据权利要求1至3任一权利要求所述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，其特征在于所述发光单元包括光源发生器以及设置于其出射光路上的能量调节器；所述光源发生器为激光器或激光二极管；所述能量调节器为二分之一波片、中性密度滤光片或可变分束器中的一种。
5.根据权利要求1至3任一权利要求所述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，其特征在于所述系统后选择态单元由偏振态选择器和第二相位补偿子单元组成；所述系统前选择态单元和组成系统后选择态单元的偏振态选择器为薄膜偏振片、线栅偏振片或双折射晶体；所述第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元为相位补偿器，四分之一波片，四分之一波片与四分之一波片的组合，二分之一波片与四分份之一波片的组合，或按照四分之一波片、二分之一波片、四分之一波片排列的波片组合。
6.根据权利要求5所述基于调制弱值放大技术的相位分布测量装置，其特征在于所述系统前选择态单元与系统后选择态单元设定的偏振方向与水平正方向的夹角分别为(±π/4)rad和第二相位补偿子单元的快轴方向与水平正方向的夹角为0或π/2rad，其赋予的补偿相位为2φrad，φ为后选择角；
或者所述系统前选择态单元的偏振方向与水平正方向的夹角为(±π/4)rad；偏振态选择器设定的偏振方向与水平正方向的夹角为φ为后选择角；第二相位补偿子单元为单一的四分之一波片，或是考虑为固定补偿相位为(±π/2)rad的相位补偿器，其快轴方向与水平正方向的夹角始终为
7.一种基于调制弱值放大技术的相位分布测量方法，其特征在于利用权利要求1至6任意一项权利要求所述相位分布测量装置，按照以下步骤进行：
(S1)在未添加系统后选择态单元的情况下得到二维分布图像，探测到的光强度记为I0；
(S2)调节系统前选择态单元、使其偏振方向与水平方向夹角为γrad，调节第一相位补偿单元至设定补偿相位为0，在光信息采集单元前方设置由第二相位补偿子单元和偏振态选择器组成的系统后选择态单元，调节偏振态选择器的偏振方向与水平正方向的夹角为调节第二相位补偿子单元至补偿相位为2φ0以满足系统后选择态单元的后选择角为φ0，得到二维分布图像，探测到的光强度记为IS；
(S3)根据步骤(S2)得到的二维分布图像中光强度最大值ISa和光强最小值ISi，对于步骤(S2)和步骤(S1)得到的二维分布图像中同一位置，利用分别估计光强度最大值ISa和光强最小值ISi对应的相位，记为α0a和α0i，其单位为rad；
(S4)调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节第二相位补偿子单元，直至获得清晰的二维分布图像，并将其作为相位分布测量的成像分析结果。
8.根据权利要求7所述基于调制弱值放大技术的相位分布测量方法，其特征在于步骤(S4)实现方式为，调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节第二相位补偿子单元至后选择角为φ＝±5(α0a-α0i)，再微调第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元，直至获得清晰的二维分布图像；或者调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节第二相位补偿子单元至后选择角为φ＝±(α0a-α0i)/4，再微调第一相位补偿单元和第二相位补偿子单元，直至获得清晰的二维分布图像。
9.一种基于调制弱值放大技术的相位分布测量方法，其特征在于利用权利要求1至6任意一项权利要求所述相位分布测量装置，按照以下步骤进行：
(S1)在未添加系统后选择态单元的情况下得到二维分布图像，探测到的光强度记为I0；
(S2)调节系统前选择态单元的偏振方向与水平正方向的夹角为(±π/4)rad，调节第一相位补偿单元至设定补偿相位为0，在光信息采集单元前方设置由第二相位补偿子单元和偏振态选择器组成的系统后选择态单元，调节第二相位补偿子单元补偿相位为(±π/2)rad，其快轴方向与水平正方向的夹角为调节偏振态选择器的偏振方向与水平正方向的夹角为以满足调节系统后选择态单元的后选择角φ0，得到二维分布图像，探测到的光强度记为IS；
(S3)根据步骤(S2)得到的二维分布图像中光强度最大值ISa和光强最小值ISi，对于步骤(S2)和步骤(S1)得到的二维分布图像中同一位置，利用IS＝I0sin2(φ0+α/2)分别估计光强度最大值ISa和光强最小值ISi对应的相位，记为α0a和α0i，其单位为rad；
(S4)调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节偏振态选择器，直至获得清晰的二维分布图像，并将其作为相位分布测量的成像分析结果。
10.根据权利要求9所述基于调制弱值放大技术的相位分布测量方法，其特征在于步骤(S4)实现方式为，调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节偏振态选择器至后选择角为φ＝±5(α0a-α0i)，再微调第一相位补偿单元和偏振态选择器，直至获得清晰的二维分布图像；或者调整第一相位补偿单元至其补偿相位为β＝-(α0a+α0i)/2，同时调节偏振态选择器至后选择角为φ＝±(α0a-α0i)/4，再微调第一相位补偿单元和偏振态选择器，直至获得清晰的二维分布图像。
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