CN108844635B - 一种用于测量空间光偏振态的方法、自动测量系统与自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量空间光偏振态的方法、自动测量系统与自动测量方法，属于空间光偏振态的测量技术。本发明的方法为:观察偏振分析仪，调节微调架；对于线偏振光，测得其方位角；对于非线偏振光，根据被测光的最大椭圆度、当前椭圆度和当前斯托克斯参数间的关系，得到其方位角和椭圆度。本发明通过研究同一次测量中测得的不同参数之间的关系，能够正确地判断被测光是否正入射，从而正确地测量出入射光的偏振态。对应系统包括偏振分析仪、计算模块、驱动模块、探头和电动微调架组成。对于可见光，本发明大大减少了误差；对于不可见光，本发明同样适用，拥有较大的应用范围。

Description

一种用于测量空间光偏振态的方法、自动测量系统与自动测 量方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量空间光偏振态的方法、自动测量系统与自动测量方法，属于空间光偏振态的测量技术。

背景技术

偏振态是描述光的基本参数之一，表征偏振态的参数非常多，包括偏振椭圆、复矢量、斯托克斯参数以及庞加莱球等。由于人眼不能识别光的偏振态，因此，偏振态的识别主要依靠偏振分析仪。

从接收被测光的形态分，偏振分析仪接收的光方式主要有两种，一种是来自于光纤的光，另一种是来自于空间的光。来自于光纤的光，与偏振分析仪的连接方式采用连接器连接，即在偏振分析仪的接收端(也称为探头)直接安装了一个连接器座(法兰盘)，连接器座的轴线平行于探头光敏面的法线，可以确保光是正入射的，因此，只要将光纤的连接器插头直接插入探头的连接器插座内，便可以完成偏振态的测试。但是，对于来自于空间的光，测试就没有那么简单。因为光是横波，它的偏振面是垂直于光束的光轴的，也就是垂直于光波的波矢方向的，所以，只有当入射光的入射方向为垂直于光敏面时(即平行于法线方向)，才能正确地接收到光的偏振态。而当入射光不是正入射，而是斜入射时，就不能正确的获得入射光的偏振态。因此，如何正确地判断入射光是正入射，就成为正确测定入射光偏振态的关键。

对于可见光，可以直观地观察入射光与探头之间的入射角，但是，由于光敏面与探头的端面并不是严格平行，所以利用观察入射角的方法确定是否是正入射，会引入较大误差。对于不可见光，就没有观察入射角的方法，所以需要寻求新的判断方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

为了确定不可见光是否是正入射到偏振分析仪的光敏面上，同时，也为了精确地判断可见光是否是正入射到光敏面上，从而正确的测量空间光的偏振态，本发明提出了一种正确测量空间光偏振态的新方法，及其对应的自动化测量系统与测量方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明首先提出一种用于测量空间光偏振态的方法，基于偏振分析仪、与偏振分析仪相连的探头以及一个用于固定探头的微调架，进行测量的操作步骤包括：

第一步：将探头初步对准被测光束的光轴；

第二步：观察连接所述探头的偏振分析仪所显示的偏振态；如果是线偏振态，则执行第三步；如果是圆偏振态或椭圆偏振态，则执行第四步；

第三步：调节微调架，使探头接收到的光功率达到最大，然后观察偏振分析仪，判断此时的偏振类别，如果仍然是线偏振光，表明被测空间光的真实偏振态是线偏振态，其方位角即为此时偏振分析仪显示的方位角φ；如果偏振分析仪所示的形状是椭圆偏振光或圆偏振光，则执行第四步；

第四步：调节所述微调架，使偏振分析仪显示的椭圆度χ达到最大值χ_max，并记录下这个值，然后执行第五步；

第五步：调节所述微调架，即时记录当前的椭圆度χ和当前斯托克斯参数中s₁的值，直到满足等式

为止；此时的椭圆度χ和斯托克斯参数中的s₁即为当前空间光的偏振态的真实值。

如前所述的一种用于测量空间光偏振态的方法，进一步地，第一步中，前后移动探头，观察偏振分析仪显示的功率，显示出接收到功率时，认为探头已初步对准被测光束的光轴。

如前所述的一种用于测量空间光偏振态的方法，进一步地，第一步所述令探头对准光轴的操作，具体地通过沿着光束的光轴前后移动一张光斑位置显示卡实现；对于可见光，所述光斑位置显示卡是一张普通浅色卡片；对于不可见光，所述光斑位置显示卡用于将不可见光反射为可见光。

如前所述的一种用于测量空间光偏振态的方法，进一步地，第五步所述获取当前斯托克斯参数的s₁值的方法为：先读取偏振分析仪显示的当前偏振椭圆的椭圆度χ和方位角φ，然后通过公式s₁＝cos2χcos2φ计算得到。

如前所述的一种用于测量空间光偏振态的方法，进一步地，第五步所述获取当前斯托克斯参数的s₁值的方法为：将偏振分析仪显示的庞加莱球调整到赤道面上，从赤道面上直接读取。

本发明还提出一种用于测量空间光偏振态的自动测量系统，所述自动测量系统包括探头、控制模块和电动微调架；

所述控制模块包括存储模块、计算模块和驱动模块；

所述探头、控制模块、电动微调架依次连接；所述电动微调架用于固定探头，并根据控制模块的反馈改变探头的位置和角度；

所述自动测量系统由探头测得被测光的参数，然后将所述参数存至存储单元，所述参数包括椭圆度、方位角、斯托克斯参数、功率、最大椭圆度；存储单元将所述参数传至计算模块，所述计算模块经过计算得到偏差，将所述偏差传至驱动模块，驱动所述电动微调架，改变探头位置；多次反馈，最终测得表征实际偏振态的被测光的参数。

如前所述的一种用于测量空间光偏振态的自动测量系统，进一步地，所述探头和存储模块来自一台偏振分析仪。

如前所述的一种用于测量空间光偏振态的自动测量系统，进一步地，所述存储模块包括：方位角存储单元、椭圆度存储单元、斯托克斯参数存储单元、功率存储单元；所述椭圆度存储单元、方位角存储单元、斯托克斯参数存储单元、功率存储单元分别与所述探头连接，分别用于存储探头测得的椭圆度信息、方位角信息、斯托克斯参数信息和功率信息；

所述计算模块包括：椭圆度比较单元，功率比较单元，综合比较单元，中控单元，显示单元；

所述椭圆度比较单元的输入与椭圆度存储单元连接；所述椭圆度比较单元的第一个输出端将当前偏振态判断结果输出至中控单元；第二个输出端将最大椭圆度输出至综合比较单元；第三个输出端将当前椭圆度偏差输出至驱动模块；

所述功率比较单元的输入与功率存储单元连接；所述功率比较单元的第一个输出端将最大功率输出至中控单元；第二个输出端将当前功率偏差输出至驱动模块；

所述中控单元的输入来自椭圆度比较单元，功率比较单元和综合比较单元；所述中控单元的第一个输出端将激活信号输出至综合比较单元；第二个输出端将选通信号输出至驱动模块；

所述综合比较单元的输入来自椭圆度存储单元、椭圆度比较单元、斯托克斯参数存储单元和中控单元；所述综合比较单元的第一个输出端将满足等式的信号输出至中控单元；第二个和第三个输出端分别将当前计算结果输出至驱动模块和显示单元；

所述驱动模块包括驱动单元；所述驱动单元的输出端连接电动微调架。

本发明还提出一种基于前述的自动测量系统的用于测量空间光偏振态方法，步骤包括：

步骤一、计算模块首先向驱动单元发出一个扰动信息；

步骤二、计算模块从存储模块接收新的方位角信息和椭圆度信息，并与前次的信息相比较；

步骤三、如果比较的结果是椭圆度增加，则按同方向加大扰动，直到椭圆度不再增大为止；如果比较的结果是椭圆度减小，则按反方向加大扰动，直到椭圆度不再增大为止；记录下该椭圆度作为最大椭圆度；

步骤四、若记录的最大椭圆度小于某个阈值,则判定该输入偏振光为线偏振光，这时继续向驱动单元发出转动指令，直到从偏振分析仪得到的功率最大时为止，这时所显示的方位角即为输入线偏振光的方位角；

步骤五、若记录的最大椭圆度大于某个阈值,则判定该输入光为椭圆或者圆偏振光，这时，继续向驱动单元发出指令，使椭圆度减小并记录下当时的s₁值，直到满足

为止。此时的椭圆度和对应的方位角，就是入射光偏振态正确的椭圆度和方位角。

如前所述的一种基于前述的自动测量系统的用于测量空间光偏振态方法，进一步地，所述阈值取为0.01.

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明通过研究同一次测量中测得的不同参数之间的关系，能够正确地判断被测光是否正入射，从而正确地测量出入射光的偏振态。充分利用偏振显示仪的参数测量性能，围绕同一入射状态同时记录多个数据，通过一个判据得出较精确的结果，大大减少误差。

相对于现有技术观察入射光与探头端面形成的夹角的手段，本发明不依赖人眼，因此对于处于可见光波段和不可见光波段的入射光都适用；本发明不以探头端面为中间参照物，更不依赖目测得到的角度关系，而是直接采用探头检测到的数据作为数据关系的来源，大大减少了误差。

相对于传统的目测法，本发明在空间光光源与探头之间不设置任何透镜或器件，而是根据接收到的参数来判断是否对准，因此探头能接收到准确的光学参数，适用的研究实验范围更广泛。

将系统自动化，减少人为操作，有利于提高精度。

附图说明

图1是光以任意角度入射时，探头探测到的偏振态与入射角的关系图。

图2为实施例一中的装置示意图。

图3为实施例二中的装置示意图。

图4为自动测量系统的模块图。

图5为实施例三中的自动测量系统的一种模块图。

图例：1-偏振分析仪；2-调整架；3-探头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为了说明本发明所提出的技术方案的原理，参见图1所示的关系图，它是光以任意角度入射时，探头探测到的偏振态与入射角的关系图。在图1中，入射角为α，E_s是垂直于入射面的光场分量，它在到达光敏面时保持不变；E_p是平行于入射面的光场分量，它不能完全被偏振分析仪探头上的光电探测器接收，而只有投影到光敏面的部分光E′_p才能被光电探测器接收，显然

E′_p＝cosαE_p (1)

首先要区分线偏振光与椭圆偏振光(含圆偏振光)。由于线偏振光的线偏振特性不随入射角的改变而变，所以转动偏振分析仪的探头，如果光敏面上的投影一直为线偏振光，那么表明入射光是线偏振光；如果随着探头的方位变化，光敏面上的投影存在变椭圆的现象，那么入射光就不是线偏振光。

对于线偏振光，不仅需要确定它是否是线偏振的，更重要的是要判断它的偏振方向。为此，旋转微调架并带动偏振分析仪的探头旋转，从公式(1)可以看出，入射角会影响接收到的线偏振光光功率，且当正入射时功率最大，所以，当偏振分析仪接收到的光功率最大时，就是正确的测得了偏振态的方位角φ。

对于非线偏振光(包括圆偏振光和椭圆偏振光)，需要测定的量包括椭圆率χ和方位角φ。当入射光以α角入射的时候，经过数学推导不难得出，光电探测器的光敏面测得的椭圆率χ满足公式

式中，δ是两个偏振分量之间的相位差。记

当y′(x)＝0时，函数y＝f(x)达到最大值y_max，不难计算出，这个最大值y_max为1，即y_max＝1。此时，公式(2)化为，

tanχ_max＝sinδ (4)

由公式(4)可知，最大椭圆率χ_max由两个偏振分量的相位差唯一地确定，所以，测得了最大椭圆率，也就测定了两个偏振分量的相位差。

当入射光为正入射时，公式(2)化为，

式中，P_p和P_s是两个偏振分量的功率，P₀是总的发光功率。在公式(5)中，代入公式(4)和

即可得到

因此，当转动微调架并带动偏振分析仪探头一起转动时，如果满足公式(6),则表明所测得偏振态是正确的。

实施例一

图2所示是实施例一的示意图。在本实施例中，步骤第一步所述令探头对准光轴的操作，是通过沿着光束的光轴前后移动所述探头实现的。偏振分析仪会显示出接收的功率，准确对准时，前后移动探头，功率变化不大。探头的孔径和光敏面的面积都是较大的，只要光通过孔打到光敏面上，显示出接收到功率，即已经初步对准。

本实施例中，方位角φ，椭圆率χ和最大椭圆率χ_max可从偏振椭圆图中读出。至于斯托克斯参数s₁，我们既可以将偏振分析仪显示的庞加莱球调整到赤道面上，从赤道面上直接读取；也可以先读取当前偏振椭圆的椭圆度χ和方位角φ，然后通过公式s₁＝cos2χcos2φ计算得到。偏振椭圆图和庞加莱球都可在偏振分析仪上显示。

实施例二

图3是实施例二的示意图。在本实施例中，步骤第一步所述令探头对准光轴的操作，通过沿着光束的光轴前后移动一张光斑位置显示卡实现；对于可见光，所述光斑位置显示卡是一张普通浅色卡片；对于不可见光，所述光斑位置显示卡用于将不可见光反射为可见光。其余的具体步骤与实施例一所述的相同。

实施例三

图4是自动测量系统的模块图。如图所示，自动测量系统包括探头、控制模块和电动微调架，其中，控制模块包括存储模块、计算模块和驱动模块。在本实施例中，探头和存储模块来自一台偏振分析仪。

所述探头、控制模块、电动微调架依次连接；所述电动微调架用于固定探头，并根据控制模块的反馈改变探头的位置和角度；

所述自动测量系统由探头测得被测光的参数，然后将所述参数存至存储单元，所述参数包括椭圆度、方位角、斯托克斯参数、功率、最大椭圆度；存储单元将所述参数传至计算模块，所述计算模块经过计算得到偏差，将所述偏差传至驱动模块，驱动所述电动微调架，改变探头位置；多次反馈，最终测得表征实际偏振态的被测光的参数。

本实施例中，为了实现前述的自动测量系统，具体的功能模块图如图5所示。其中，

所述存储模块包括：方位角存储单元、椭圆度存储单元、斯托克斯参数存储单元、功率存储单元；所述椭圆度存储单元、方位角存储单元、斯托克斯参数存储单元、功率存储单元分别与所述探头连接，分别用于存储探头测得的椭圆度信息、方位角信息、斯托克斯参数信息和功率信息。

所述计算模块包括：椭圆度比较单元，功率比较单元，综合比较单元，中控单元，显示单元，

所述椭圆度比较单元的输入与椭圆度存储单元连接；所述椭圆度比较单元的第一个输出端将当前偏振态判断结果输出至中控单元；第二个输出端将最大椭圆度输出至综合比较单元；第三个输出端将当前椭圆度偏差输出至驱动模块；

所述功率比较单元的输入与功率存储单元连接；所述功率比较单元的第一个输出端将最大功率输出至中控单元；第二个输出端将当前功率偏差输出至驱动模块；

所述中控单元的输入来自椭圆度比较单元，功率比较单元和综合比较单元；所述中控单元的第一个输出端将激活信号输出至综合比较单元；第二个输出端将选通信号输出至驱动模块；

所述综合比较单元的输入来自椭圆度存储单元、椭圆度比较单元、斯托克斯参数存储单元和中控单元；所述综合比较单元的第一个输出端将满足等式的信号输出至中控单元；第二个和第三个输出端分别将当前计算结果输出至驱动模块和显示单元；

所述驱动模块包括驱动单元；所述驱动单元的输出端连接电动微调架。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于测量空间光偏振态的方法，基于偏振分析仪、与偏振分析仪相连的探头以及一个用于固定探头的微调架，其特征在于，进行测量的操作步骤包括：

第一步：将探头初步对准被测光束的光轴；

第二步：观察连接所述探头的偏振分析仪所显示的偏振态；如果是线偏振态，则执行第三步；如果是圆偏振态或椭圆偏振态，则执行第四步；

第三步：调节微调架，使探头接收到的光功率达到最大，然后观察偏振分析仪，判断此时的偏振类别，如果仍然是线偏振光，表明被测空间光的真实偏振态是线偏振态，其方位角即为此时偏振分析仪显示的方位角φ；如果偏振分析仪所示的形状是椭圆偏振光或圆偏振光，则执行第四步；

第四步：调节所述微调架，使偏振分析仪显示的椭圆度χ达到最大值χ_max，记录下这个值，然后执行第五步；

第五步：调节所述微调架，即时记录当前的椭圆度χ和当前斯托克斯参数s₁中的值，直到满足等式

为止；此时的椭圆度χ和斯托克斯参数中的s₁即为当前空间光的偏振态的真实值。

2.如权利要求1所述的一种用于测量空间光偏振态的方法，其特征在于，第一步中，前后移动探头，观察偏振分析仪显示的功率，显示出接收到功率时，认为探头已初步对准被测光束的光轴。

3.如权利要求1所述的一种用于测量空间光偏振态的方法，其特征在于，第一步所述令探头对准光轴的操作，具体地通过沿着光束的光轴前后移动一张光斑位置显示卡实现；对于可见光，所述光斑位置显示卡是一张普通浅色卡片；对于不可见光，所述光斑位置显示卡用于将不可见光反射为可见光。

4.如权利要求1所述的一种用于测量空间光偏振态的方法，其特征在于，第五步所述记录当前斯托克斯参数的s₁值的方法为：先读取偏振分析仪显示的当前偏振椭圆的椭圆度χ和方位角φ，然后通过公式s₁＝cos2χcos2φ计算得到。

5.如权利要求1所述的一种用于测量空间光偏振态的方法，其特征在于，第五步所述记录当前斯托克斯参数的s₁值的方法为：将偏振分析仪显示的庞加莱球调整到赤道面上，从赤道面上直接读取。

6.一种应用权利要求1所述一种用于测量空间光偏振态的方法的自动测量系统，其特征在于，所述自动测量系统包括探头、控制模块和电动微调架；

所述控制模块包括存储模块、计算模块和驱动模块；

所述探头、控制模块、电动微调架依次连接；所述电动微调架用于固定探头，并根据控制模块的反馈改变探头的位置和角度；

所述自动测量系统由探头测得被测光的参数，然后将所述参数存至存储单元，所述参数包括椭圆度、方位角、斯托克斯参数、功率和最大椭圆度；存储单元将所述参数传至计算模块，所述计算模块经过计算得到偏差，将所述偏差传至驱动模块，驱动所述电动微调架，改变探头位置；多次反馈，最终测得表征实际偏振态的被测光的参数。

7.如权利要求6所述的一种自动测量系统，其特征在于，所述探头和存储模块来自一台偏振分析仪。

8.如权利要求6所述的一种自动测量系统，其特征在于：

所述存储模块包括：方位角存储单元、椭圆度存储单元、斯托克斯参数存储单元和功率存储单元；所述椭圆度存储单元、方位角存储单元、斯托克斯参数存储单元、功率存储单元分别与所述探头连接，分别用于存储探头测得的椭圆度信息、方位角信息、斯托克斯参数信息和功率信息；

所述计算模块包括：椭圆度比较单元、功率比较单元、综合比较单元、中控单元和显示单元；所述椭圆度比较单元的输入与椭圆度存储单元连接；所述椭圆度比较单元的第一个输出端将当前偏振态判断结果输出至中控单元；第二个输出端将最大椭圆度输出至综合比较单元；第三个输出端将当前椭圆度偏差输出至驱动模块；

所述功率比较单元的输入与功率存储单元连接；所述功率比较单元的第一个输出端将最大功率输出至中控单元；第二个输出端将当前功率偏差输出至驱动模块；

所述中控单元的输入来自椭圆度比较单元，功率比较单元和综合比较单元；所述中控单元的第一个输出端将激活信号输出至综合比较单元；第二个输出端将选通信号输出至驱动模块；

所述综合比较单元的输入来自椭圆度存储单元、椭圆度比较单元、斯托克斯参数存储单元和中控单元；所述综合比较单元的第一个输出端将满足等式的信号输出至中控单元；第二个和第三个输出端分别将当前计算结果输出至驱动模块和显示单元；

所述驱动模块包括驱动单元；所述驱动单元的输出端连接电动微调架。

9.一种基于权利要求8所述的自动测量系统的用于测量空间光偏振态方法，其特征在于，步骤包括：步骤一、计算模块首先向驱动单元发出一个扰动信息；

步骤二、计算模块从存储模块接收新的方位角信息和椭圆度信息，并与前次的信息相比较；

步骤三、如果比较的结果是椭圆度增加，则按同方向加大扰动，直到椭圆度不再增大为止；如果比较的结果是椭圆度减小，则按反方向加大扰动，直到椭圆度不再增大为止；记录下该椭圆度作为最大椭圆度；

步骤四、若记录的最大椭圆度小于某个阈值,则判定该输入偏振光为线偏振光，这时继续向驱动单元发出转动指令，直到从偏振分析仪得到的功率最大时为止，这时所显示的方位角即为输入线偏振光的方位角；

步骤五、若记录的最大椭圆度大于某个阈值,则判定该输入光为椭圆或者圆偏振光，这时，继续向驱动单元发出指令，使椭圆度减小并记录下当时的s₁值，直到满足

为止，此时的椭圆度和对应的方位角，就是入射光偏振态正确的椭圆度和方位角。

10.如权利要求9所述的一种基于权利要求8所述的自动测量系统的用于测量空间光偏振态方法，其特征在于：所述阈值取为0.01。

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