CN111413282A - 一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪及其原位校准与测量方法 - Google Patents

一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪及其原位校准与测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪及其原位校准与测量方法，属于光学测量相关技术领域，其中，光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪包括：高速起偏模块、样品调节模块以及实时检偏模块。光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪的原位校准方法是基于贝塞尔函数无穷级数展开与离散傅里叶变换而实施的，其同时获取了光弹调制器的峰值与静态延迟量，并确保了光弹调制器在全工作范围内的高精度与高灵敏度性能。光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪的测量方法是基于双光弹调制与空间分光解调而开展的，能够在微秒级时间分辨率下实现样品穆勒矩阵的原位与高精度测量。得益于穆勒矩阵的高时间分辨率获取，本发明可用于快速反应过程中材料动态光学属性的表征。

Description

一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪及其原位校准与测量方法
技术领域
本发明属于光学测量相关技术领域，更具体地，涉及一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪及其原位校准与测量方法。
背景技术
在一些快速分反应过程中，如聚合反应，粒子迁移过程，往往同时存在局部物理特性和微光纳米结构的快速变化。对于这些涉及不同的空间尺度(纳米到微米甚至更大尺度)和时间尺度(微秒到数十秒)的快速反应过程，由于缺少同步观测的手段，其反应过程的调控大都需要不断调试，积累经验才能达到预期效果。因此为了深入了解这些快速反应的机理，实现对反应过程的准确调控，研制能够实时原位测量复杂快速反应过程的仪器具有非常重要的意义。
穆勒矩阵椭偏仪作为一种重要的光学仪器，凭借着其超高精度与灵敏度、非破坏性、无需参考物等优点，近年来得到了快速的发展和广泛的应用。穆勒矩阵椭偏仪可以改变波长、入射角及方位角三个测量条件，在每一个测量条件下都可获得一个包含样品多种光学性质的穆勒矩阵。通过分析测得穆勒矩阵，可了解快速反应过程的反应机理，建立相关材料的动态光学模型，实现对反应过程的准确调控。但传统的穆勒矩阵偏振仪由于机械的调制与解调手段，以及探测器的时间分辨率限制，往往仅具有秒量级的测量时间分辨率。而基于光弹效应的光弹调制器是一种电可调的动态相位调制器件。其凭借着优异的调制性能，如极大的有效通光孔径，宽光谱应用范围，超大接收角，极高的调制效率及调制频率，在偏振测量中具有广泛的应用，同时也成为了高时间分辨率的偏振仪中的理想的调制器件。
众所周知，基于光弹相位调制器的偏振系统的测量精度很大程度上都取决于光弹相位调制器的校准效果，因此能够全工作范围高精度高灵敏度的校准光弹相位调制器具有十分重要的意义。目前对光弹相位调制的校准方法主要有示波器法，零级贝塞尔函数法，多重谐波强度比法。这些方法由于自身的局限性，只能在一定的工作范围内实现高灵敏度高精度校准，且校准精度也难以保证。由于传统的穆勒矩阵椭偏仪时间分辨率较低，因此有很多研究人员致力于提高穆勒矩阵偏振仪测量的时间分辨率。有人利用液晶相位延迟器搭建的穆勒矩阵椭偏仪实现了2s的时间分辨率；有人利用四个光弹相位延迟器搭建的穆勒矩阵椭偏仪实现了0.7s的时间分辨率；有人利用波长偏振编码的方式搭建了快照式穆勒矩阵椭偏仪实现了1ms的时间分辨率。这里我们可以总结出，虽然有很多方法和器件被用于提高穆勒矩阵椭偏仪的时间分辨率，但是依然鲜有所搭建的穆勒矩阵椭偏仪能够突破毫秒量级的测量时间分辨率。
因此，本领域亟待提出一种能够全工作范围高精度高灵敏度的光弹相位调制器的原位校准方法，及能够突破毫秒量级测量时间分辨率的穆勒矩阵椭偏仪。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪及其原位校准与测量方法，由此解决现有技术难以突破毫秒量级测量时间分辨率的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪，包括：高速起偏模块、样品调节模块以及实时检偏模块，所述高速起偏模块和实时检偏模块分别位于样品调节模块的两侧；
所述高速起偏模块包括光弹相位调制器控制器以及依次分布的激光光源、线偏振片、第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器，所述高速起偏模块，用于通过光弹相位调制器控制器调节第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器，使得激光光源发出的光依次经过线偏振片、第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器后，输出偏振态随时间变化的偏振光；
所述样品调节模块包括旋转位移台和线性位移台，待测样品通过样品夹具安装在旋转台上，旋转位移台安装在线性位移台上，所述样品调节模块，用于通过旋转位移台和线性位移台配合，使高速起偏模块输出的偏振光在不同的入射角下从待测样品中心透射或反射进入实时检偏模块；
所述实时检偏模块包括六个光纤准直器和六个光电倍增管每个光纤准直器通过光纤与一个光电倍增管连接，所述实时检偏模块，用于通过六个光纤准直器采集从待测样品中心透射或反射的偏振光，利用六个光电倍增管探测其对应光纤准直器中采集的光强，对六个光强进行处理得到待测样品的穆勒矩阵。
进一步地，线偏振片、第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器的光轴保持在一个相对角度的前提下，通过所述光弹相位调制器控制器为第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器设置不同的驱动电压，使得第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器的相位延迟量随时间变化，进而输出偏振态随时间变化的偏振光。
进一步地，高速起偏模块安装在旋转底板上，高速起偏模块输出的偏振光的入射角通过旋转底板在40°～90°范围内调节。
进一步地，旋转位移台用于在0～360°方位内旋转待测样品，使偏振光进入实时检偏模块。
进一步地，线性位移台用于在0～22mm范围内单方向调节待测样品位置，使偏振光从待测样品中心反射或透射进入实时检偏模块。
进一步地，实时检偏模块还包括：70∶30分光比非偏振分束器、50∶50分光比非偏振分束器、三个偏振分束器、消色差的1/4波片和消色差的1/2波片，
偏振光进入实时检偏模块后，依次经过70∶30分光比非偏振分束器和50∶50分光比非偏振分束器，被分成三束等光强的子光束，三束子光束分别经过消色差的1/4波片和消色差的1/2波片的进行检偏，由三个偏振分束器分解为六束携带待测样品光学信息的偏振光，分别被六个光纤准直器采集。
进一步地，六个光纤准直器中每个光纤准直器的通光孔径为6mm～7mm，所述六个光电倍增管中每个光电倍增管的响应频率大于等于2GHz。
进一步地，实时检偏模块还包括：高速采集卡和计算机，所述高速采集卡的采样频率大于等于2GHz，所述高速采集卡与六个光电倍增管连接，用于采集六个光电倍增管探测到的光强，所述计算机，用于对六个光强进行处理得到待测样品的穆勒矩阵。
按照本发明的另一方面，提供了一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪的原位校准方法，包括如下步骤：
S1、在反射模式下，保持第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器不开启，不断旋转线偏振片，使高速起偏模块产生不同偏振态的偏振光，经过光学信息已知的标准二氧化硅薄膜样品反射进入实时检偏模块，根据六个光电倍增管探测的光强以及高速起偏模块产生的偏振光的斯托克斯向量，得到实时检偏模块的检偏矩阵A；
S2、在透射模式下，高速穆勒矩阵椭偏仪上不放置样品，开启需要校准的任一光弹相位调制器，保持另一个光弹相位调制器关闭，使线偏振片的方位角与需要校准的光弹相位调制器的光轴保持相对45°，通过在光弹相位调制器控制器上设置需要校准的光弹相位调制器的驱动电压，获得在该驱动电压下测得的光强；
S3、利用步骤S2采集到的光强求得测量的起偏矩阵Wm，对起偏矩阵Wm的最后一组行向量做离散傅里叶变换，得到傅里叶系数的幅值矩阵，对高速起偏模块输出的偏振光的斯托克斯向量的最后一个斯托克斯参数做无穷级数贝塞尔函数展开，得到由贝塞尔系数绝对值组成的幅值矩阵；
S4、通过最小二乘拟和步骤S3中得到傅里叶系数的幅值矩阵和由贝塞尔系数绝对值组成的幅值矩阵，根据拟合结果提取在步骤S2的驱动电压下的光弹相位调制器的峰值延迟量δpeak和静态延迟量δstatic，用于对该驱动电压下的光弹相位调制器进行原位校准；
S5、重复步骤S2～S4，以完成不同光弹相位调制器全工作范围原位校准。
按照本发明的另一方面，提供了一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪的原位测量方法，包括如下步骤：
S1、在反射模式或透射模式下，同时开启第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器，使线偏振片，第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器的光轴保持在一个相对角度，通过周期分割法，在两个光弹相位调制器上分别设置驱动电压；
S2、将待测样品放置在样品调制模块上，调整旋转位移台和线性位移台，使偏振光从待测样品中心透射或反射后，进入到实时检偏模块，能够被六个光纤准直器采集到，利用六个光电倍增管探测其对应光纤准直器中采集的光强，得到测量光强矩阵；
S3、利用光弹相位调制器的原位校准结果，计算得到理论光强矩阵，通过最小二乘法拟合测量光强矩阵和理论光强矩阵，得到携带待测样品光学信息的完整穆勒矩阵。
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)本发明提供的高速起偏模块中包括两个光弹相位调制器，可以通过改变光弹调制器的延迟量进而输出随时间快速变化的任意偏振态的光。本发明提供的实时检偏模块，基于空间分光解调测量原理，能够在纳秒量级内完成探测光偏振态检偏。因此，本发明结合以上的优点能够实现微秒量级的待测样品完整穆勒矩阵的实时原位测量。
(2)本发明中的高速起偏模块安装在旋转底板上，可以在40°～90°范围内调节偏振光的入射角。同时，样品调节模块包括旋转位移台和线性位移台，两者配合使用，使高速起偏模块输出的偏振光在不同的入射角下从待测样品中心透射或反射进入实时检偏模块。基于以上配置，该装置不仅仅局限于透射式测量，也适用于反射式测量，还能够适用于多种快速反应过程的实时原位监测和表征。
(3)本发明两个非偏振分束器是为了将探测光分为三束等光强的光，三个非偏振分束器是分别将三束光中的p光和s光分离，达到偏振的效果，通过偏振分束器和玻片配合对进行入射光偏振态检偏。
(4)本发明中六个光纤准直器中每个光纤准直器的通光孔径为6mm～7mm，采用超大通光孔径的光纤准直器能够应对大幅度偏移的入射光的收集，所述六个光电倍增管中每个光电倍增管的响应频率大于等于2GHz，高速采集卡的采样频率大于等于2GHz，使用六个超高响应频率的光电倍增管和高速采集卡，能够实现纳秒量级以上的检偏时间分辨率。
(5)本发明所提出的装置，结构简单，易于调试。同时具有极大的可扩展性，能够结合不同的测量对象进行配置优化。
(6)本发明相应提供了简便的原位校准方法，不仅可以原位求解实时检偏模块的检偏矩阵，还可以实现对光弹相位调制器进行全工作范围高精度高灵敏度的原位校准。所提供的校准方法不仅仅局限于所提供的高速穆勒矩阵椭偏仪装置，还可适用于其他基于光弹调制与解调的偏振系统。
(7)本发明的光弹调制器原位校准方法是基于贝塞尔函数无穷级数展开与离散傅里叶变换而实施的，其同时获取了光弹调制器的峰值与静态延迟量，并确保了光弹调制器在全工作范围内的高精度与高灵敏度性能。
(8)本发明仪器的测量方法是基于双光弹调制与空间分光解调而开展的，能够在微秒级时间分辨率下实现样品穆勒矩阵的原位与高精度测量。得益于穆勒矩阵的高时间分辨率获取，本发明可用于快速反应过程中材料动态光学属性的表征。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪的结构示意图；
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为激光光源，20为线偏振片，30为第一光弹相位调制器，40为第二光弹相位调制器，50为待测样品，60为旋转位移台，70为线性位移台，80为70：30分光比非偏振分束器，90为消色差1/2玻片，100～105为光纤准直器，110～115为光电倍增管，120～122为偏振分束器，130为50：50分光比非偏振分束器，140为消色差1/4玻片，150为高速采集卡，160为计算机，170为光弹相位调制器控制器。
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。
如图1所示，为本发明涉及的一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪，其包括高速起偏模块，样品调节模块以及实时检偏模块。所述高速起偏模块和实时检偏模块分布于样品调节模块两侧，且安装在旋转底板上，能够同时适用于透射式及反射式测量。以此方式，高速起偏模块输出偏振态随时间变化的偏振光，经待测样品50反射或透射后进入实时检偏模块，从而能在微秒时间分辨率下获得携带待测样品光学信息的完整的穆勒矩阵。高速起偏模块包括准直的激光光源10，线偏振片20，第一光弹相位调制器30，第二光弹相位调制器40，光弹相位调制器控制器170；实时检偏单元包括一个70：30分光比非偏振分束器80，一个50：50分光比非偏振分束器130，三个偏振分束器120～122，六个超大通光孔径的光纤准直器100～105，六个超高响应频率的光电倍增管110～115，一个消色差的1/4波片140和一个消色差的1/2波片90，一个高速采集卡150以及一台用于数据处理的计算机160。所述样品调节模块包括待测样品50，旋转位移台60以及线性位移台70。
所述高速起偏模块基于双光弹调制的原理，通过在光弹相位调制器控制器170上设定工作在不同调制频率上的第一光弹相位调制器与第二光弹相位调制器的驱动电压，同时使线偏振片20，第一光弹相位调制器30和第二光弹相位调制器40的快轴保持在一个相对角度，使高速起偏模块能够输出偏振态随时间快速变化的偏振光。激光光源输出光波长随具体测量对象进行优化。所述实时检偏模块基于空间分振幅的实时检偏方法，通过高速采集卡150对六通道数据并行采集，能够实现纳秒量级以上的检偏时间分辨率。同时采用超大通光孔径的光纤准直器100～105能够应对大幅度偏移的入射光的收集。同时实时检偏模块中玻片的方位角可通过不同的测量对象进行配置优化。高速起偏模块安装在旋转底板上，高速起偏模块输出的偏振光的入射角通过旋转底板在40°～90°范围内调节。
在所述样品调节模块中，待测样品50通过样品夹具安装在旋转位移台60上，旋转位移台安装在线性位移台70上，整个样品调节模块固定在旋转底板上。所述旋转位移台能在0～360°方位内旋转待测样品，用于调节测量时的入射角。所述线性位移台能在0～22mm范围内单方向调节待测样品位置，能够使入射光线从样品中心反射或透射。通过旋转位移台60和线性位移台70配合，使入射光线能在不同的入射角下从样品中心透射或反射进入到实时检偏模块，被大口径的光纤准直器100～105收集到。
所述实时检偏模块包括六个光纤准直器100～105和六个光电倍增管110～115，每个光纤准直器通过光纤与一个光电倍增管连接，所述实时检偏模块，用于通过六个光纤准直器100～105采集从待测样品50中心透射或反射的偏振光，利用六个光电倍增管110～115探测其对应光纤准直器中采集的光强，对六个光强进行处理得到待测样品的穆勒矩阵。偏振光进入实时检偏模块后，依次经过70∶30分光比非偏振分束器80和50∶50分光比非偏振分束器130，被分成三束等光强的子光束，三束子光束分别经过消色差的1/4波片140和消色差的1/2波片90的进行检偏，由三个偏振分束器120，121，122分解为六束携带待测样品光学信息的偏振光，分别被六个光纤准直器100～105采集。所述六个光纤准直器中每个光纤准直器的通光孔径为6mm～7mm，所述六个光电倍增管中每个光电倍增管的响应频率大于等于2GHz。高速采集卡150的采样频率大于等于2GHz，所述高速采集卡150与六个光电倍增管连接，用于采集六个光电倍增管探测到的光强，所述计算机160，用于对六个光强进行处理得到待测样品的穆勒矩阵。
一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪的原位校准方法，包括如下步骤：
S1、在反射模式下，保持第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器不开启，不断旋转线偏振片，使高速起偏模块产生不同偏振态的偏振光，经过光学信息已知的标准二氧化硅薄膜样品反射进入实时检偏模块，根据六个光电倍增管探测的光强以及高速起偏模块产生的偏振光的斯托克斯向量，得到实时检偏模块的检偏矩阵A；
S2、在透射模式下，高速穆勒矩阵椭偏仪上不放置样品，开启需要校准的任一光弹相位调制器，保持另一个光弹相位调制器关闭，使线偏振片的方位角与需要校准的光弹相位调制器的光轴保持相对45°，通过在光弹相位调制器控制器上设置需要校准的光弹相位调制器的驱动电压，获得在该驱动电压下测得的光强；
S3、利用步骤S2采集到的光强求得测量的起偏矩阵Wm，对起偏矩阵Wm的最后一组行向量做离散傅里叶变换，得到傅里叶系数的幅值矩阵，对高速起偏模块输出的偏振光的斯托克斯向量的最后一个斯托克斯参数做无穷级数贝塞尔函数展开，得到由贝塞尔系数绝对值组成的幅值矩阵；
S4、通过最小二乘拟和步骤S3中得到傅里叶系数的幅值矩阵和由贝塞尔系数绝对值组成的幅值矩阵，根据拟合结果提取在步骤S2的驱动电压下的光弹相位调制器的峰值延迟量δpeak和静态延迟量δstatic，用于对该驱动电压下的光弹相位调制器进行原位校准；
S5、重复步骤S2～S4，以完成不同光弹相位调制器全工作范围原位校准。
具体地，步骤S1包括：
在反射模式下，保持第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器不开启，不断旋转线偏振片，使高速起偏模块产生不同偏振态的线偏光。当光弹相位调制器处于关闭状态时，其偏振效应可以忽略不计。此时，高速起偏模块输出偏振光的斯托克斯向量可以表示为：
SA(t)＝R(-θP(t))MPR(θP(t))·[1 0 0 0]T
其中，MP是线偏振片的穆勒矩阵，θP(t)为是偏振片的方位角，是关于时间t的函数，R为旋转矩阵，其矩阵为：
Figure BDA0002447087750000101
由高速起偏模块输出偏振光的斯托克斯向量组成的矩阵为高速起偏模块的起偏矩阵WA：
WA＝[SA(t1) SA(t2) ... SA(tN)]，t1，t2......tN分别为第1-N时刻。
高速起偏模块产生的偏振光经过光学信息已知的标准二氧化硅薄膜样品反射进入实时检偏模块，由高频率响应的光电倍增管110～115收集，由测量到的光强以及高速起偏模块产生的偏振光的斯托克斯向量，通过简单的矩阵计算，求得实时检偏模块的检偏矩阵A。若由高响应频率光电倍增管测得光强组成的矩阵为BA，标准二氧化硅样品的穆勒矩阵为MSiO2，则实时检偏模块的检偏矩阵A的原位校准结果可由下式求得：
Figure BDA0002447087750000102
步骤S3包括：
基于光弹相位调制器的调制性质，提出了光弹相位调制器的穆勒矩阵形式的光学表征模型。光弹相位调制器的随时间变化的相位调制可由下式表示，
Figure BDA0002447087750000111
其中，f是光弹相位调制器的响应频率，
Figure BDA0002447087750000112
是相位。
光弹相位调制器的穆勒矩阵形式的光学表征模型为，
Figure BDA0002447087750000113
其中，θPEM是光弹相位调制器的快轴方位角，δPEM为光弹相位调制器的延迟量。
通过理论计算，我们对高速起偏模块输出的偏振光的斯托克斯向量的最后一个斯托克斯参数做无穷级数贝塞尔函数展开，由贝塞尔系数的绝对值组成的幅值矩阵。此时，高速起偏模块输出偏振光的斯托克斯向量可以表示为，
Figure BDA0002447087750000115
对SPsG的最后一行的行向量做无穷级数贝塞尔函数展开，
Figure BDA0002447087750000114
其中，A＝sin2(θp-θPEM)cosδstatic，B＝sin2(θp-θPEM)sinδstatic，θP为是偏振片的方位角
由傅里叶系数的绝对值组成的幅值矩阵Bsj可表示为，
Bsj＝[|BJ0(δpeak)||2AJ1(δpeak)||2BJ2(δpeak)|...|2AJ2k-1(δpeak)||2BJ2k(δpeak)|]
其中，J0、J1...J2k分别表示第0-2k级贝塞尔系数。
对步骤S2中采集到的光强做离散傅里叶变换，根据得到的离散傅里叶系数，我们可以得到一个幅值矩阵。由测得光强组成的光强矩阵B，可以反算实际测量的快速起偏模块的起偏矩阵Wm，
Wm＝[wm0 wm1 wm2 wm3]T＝A-1B
wm0、wm1、wm2、wm3分别表示光强矩阵的第0-3行的行向量，Wm最后一行的行向量可视为一个长度为N和持续时间为t的离散时间序列xt：
Figure BDA0002447087750000121
其中，H表示一共有H个模式，ρh为h模式下的幅值，ωh为h模式的角频率，
Figure BDA0002447087750000122
为h模式下的相位，对该离散时间序列做离散傅里叶变换，可以得到一系列傅里叶系数，
Figure BDA0002447087750000123
由傅里叶系数可到一个幅值谱，幅值谱中各个频率下峰值可组成另外一个幅值矩阵Apeak。
步骤S4包括：
为了减小由于离散傅里叶变换造成的幅值误差，引入加权系数矩阵。
其中加权系数可由下式求得，
Figure BDA0002447087750000124
其中，i表示幅值矩阵Apeak中的对应矩阵元素的顺序，即Apeak(i)是矩阵Apeak中的第i个矩阵元素。
通过最小二乘拟和傅里叶系数的幅值矩阵和贝塞尔系数绝对值组成的幅值矩阵，其拟合公式如下，
Figure BDA0002447087750000125
通过拟合，可以提取在此驱动电压下的光弹相位调制器的峰值延迟量δpeak和静态延迟量δstatic。Δθ表示偏振片快轴方位角与光弹方位角之间的差值，同时为了评价拟合过程的误差，引入以下评价函数对拟合结果进行评估：
Figure BDA0002447087750000131
其中，σ(μiApeak(i))表示Apeak(i)加权后的标准差。
一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪的原位测量方法，包括如下步骤：
S1、在反射模式或透射模式下，同时开启第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器，使线偏振片，第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器的光轴保持在一个相对角度，通过周期分割法，在两个光弹相位调制器上分别设置驱动电压；
S2、将待测样品放置在样品调制模块上，调整旋转位移台和线性位移台，使偏振光从待测样品中心透射或反射后，进入到实时检偏模块，能够被六个光纤准直器采集到，利用六个光电倍增管探测其对应光纤准直器中采集的光强，得到测量光强矩阵；
S3、利用光弹相位调制器的原位校准结果，计算得到理论光强矩阵，通过最小二乘法拟合测量光强矩阵和理论光强矩阵，得到携带待测样品光学信息的完整穆勒矩阵。
具体地，步骤S1包括：
在反射模式或透射模式下，同时开启第一光弹相位调制器30和第二光弹相位调制器40，使线偏振片20，第一光弹相位调制器30和第二光弹相位调制器40的快轴保持在一个相对角度，为了确保每次测量周期中具有相同的精度及稳定性，用于在单次测量中用于求解样品穆勒矩阵Ms的斯托克斯矢量必须足够丰富，即斯托克斯向量要经历整周期变化。为了提高所述高速穆勒矩阵偏振仪的时间分辨率，通过周期分割法，在光弹相位调制器控制器上分别设定第一光弹相位调制器30和第二光弹相位调制器40的驱动电压，即峰值延迟量δpeak1保持最大值和δpeak2为0～2π之间任意值时可提高时间分辨率，可由下式表示，
Figure BDA0002447087750000141
其中，f1是第一光弹相位调制器的响应频率，f2是第二光弹相位调制器的响应频率。
步骤S3包括：
结合光弹相位调制器的校准结果，任意时刻，高速起偏模块输出偏振光的斯托克斯向量可以表示为，
Figure BDA0002447087750000142
其中，
Figure BDA0002447087750000143
为，
Figure BDA0002447087750000144
为，θPEM1为第一光弹相位调制器的快轴方位角，θPEM2为第二光弹相位调制器的快轴方位角，δPEM1(t)为t时刻第一光弹相位调制器的延迟量，δPEM2(t)为t时刻第二光弹相位调制器的延迟量，MPEM为光弹相位调制器的穆勒矩阵形式的光学表征模型，S0(t)-S3(t)为偏振光的斯托克斯向量。
理论的光强矩阵可由以下公式推理得到。此时实时检偏模块测得光强为：
b(t)＝[i0(t) i1(t) i2(t) i3(t) i4(t) i5(t)]T＝AMsSPEM
i0(t)-i5(t)为六个光电倍增管测得的光强
将实时检偏模块的检偏矩阵A写成行向量的形式为，
A＝[a0 a1 a2 a3 a4 a5]T
引入一个过渡矩阵
Figure BDA0002447087750000145
其中矩阵D的矩阵元素为dij＝Sj(t)ai(i＝0～5，j＝0～3)，那么光强可以由下式重新求得，
Figure BDA0002447087750000151
其中，M′s＝[m11 m21 m31 m41 m12 m22 ... m44]T。
则单次测量样品穆勒矩阵所测得的光强矩阵Bc可由下式计算得到，
Figure BDA0002447087750000152
通过下式的最小二乘拟合计算得到的光强矩阵Bc和测量得到光强矩阵Bm，可以得到样品的穆勒矩阵及两个光弹相位调制器的相位，拟合公式如下，
Figure BDA0002447087750000153
总体而言，与现有技术相比，本发明所提出的以上技术方案，基于双光弹调制，空间分光解调测量原理的优点能够实现微秒量级的待测样品完整穆勒矩阵的实时原位测量。该装置不仅仅局限于透射式测量，也适用于反射式测量，能够适用于多种快速反应过程的实时原位监测和表征。同时所提供得穆勒矩阵椭偏仪结构简单，易于调试。同时具有极大的可扩展性，能够结合不同的测量对象进行配置优化。此外，本发明相应提供了简便的系统原位校准方法，不仅可以原位求解实时检偏模块的检偏矩阵，还可以实现对光弹相位调制器进行全工作范围高精度高灵敏度的原位校准。所提供的校准方法不仅仅局限于所提供的高速穆勒矩阵椭偏仪装置，还可适用于其他基于光弹调制与解调的偏振系统。
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)

1.一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，包括：高速起偏模块、样品调节模块以及实时检偏模块，所述高速起偏模块和实时检偏模块分别位于样品调节模块的两侧；
所述高速起偏模块包括光弹相位调制器控制器(170)以及依次分布的激光光源(10)、线偏振片(20)、第一光弹相位调制器(30)和第二光弹相位调制器(40)，所述高速起偏模块，用于通过光弹相位调制器控制器(170)调节第一光弹相位调制器(30)和第二光弹相位调制器(40)，使得激光光源(10)发出的光依次经过线偏振片(20)、第一光弹相位调制器(30)和第二光弹相位调制器(40)后，输出偏振态随时间变化的偏振光；
所述样品调节模块包括旋转位移台(60)和线性位移台(70)，待测样品(50)通过样品夹具安装在旋转台(60)上，旋转位移台安装在线性位移台(70)上，所述样品调节模块，用于通过旋转位移台(60)和线性位移台(70)配合，使高速起偏模块输出的偏振光在不同的入射角下从待测样品(50)中心透射或反射进入实时检偏模块；
所述实时检偏模块包括六个光纤准直器(100～105)和六个光电倍增管(110～115)，每个光纤准直器通过光纤与一个光电倍增管连接，所述实时检偏模块，用于通过六个光纤准直器(100～105)采集从待测样品(50)中心透射或反射的偏振光，利用六个光电倍增管(110～115)探测其对应光纤准直器中采集的光强，对六个光强进行处理得到待测样品的穆勒矩阵。
2.如权利要求1所述的一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，所述线偏振片(20)、第一光弹相位调制器(30)和第二光弹相位调制器(40)的光轴保持在一个相对角度的前提下，通过所述光弹相位调制器控制器(170)为第一光弹相位调制器(30)和第二光弹相位调制器(40)设置不同的驱动电压，使得第一光弹相位调制器(30)和第二光弹相位调制器(40)的相位延迟量随时间变化，进而输出偏振态随时间变化的偏振光。
3.如权利要求1或2所述的一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，所述高速起偏模块安装在旋转底板上，高速起偏模块输出的偏振光的入射角通过旋转底板在40°～90°范围内调节。
4.如权利要求1或2所述的一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，所述旋转位移台(60)用于在0～360°方位内旋转待测样品，使偏振光进入实时检偏模块。
5.如权利要求1或2所述的一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，所述线性位移台(70)用于在0～22mm范围内单方向调节待测样品位置，使偏振光从待测样品中心反射或透射进入实时检偏模块。
6.如权利要求1或2所述的一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，所述实时检偏模块还包括：70：30分光比非偏振分束器(80)、50：50分光比非偏振分束器(130)、三个偏振分束器(120，121，122)、消色差的1/4波片(140)和消色差的1/2波片(90)，
偏振光进入实时检偏模块后，依次经过70：30分光比非偏振分束器(80)和50：50分光比非偏振分束器(130)，被分成三束等光强的子光束，三束子光束分别经过消色差的1/4波片(140)和消色差的1/2波片(90)的进行检偏，由三个偏振分束器(120，121，122)分解为六束携带待测样品光学信息的偏振光，分别被六个光纤准直器(100～105)采集。
7.如权利要求1或2所述的一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，所述六个光纤准直器中每个光纤准直器的通光孔径为6mm～7mm，所述六个光电倍增管中每个光电倍增管的响应频率大于等于2GHz。
8.如权利要求1或2所述的一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，所述实时检偏模块还包括：高速采集卡(150)和计算机(160)，所述高速采集卡(150)的采样频率大于等于2GHz，所述高速采集卡(150)与六个光电倍增管连接，用于采集六个光电倍增管探测到的光强，所述计算机(160)，用于对六个光强进行处理得到待测样品的穆勒矩阵。
9.如权利要求1-8所述的一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪的原位校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在反射模式下，保持第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器不开启，不断旋转线偏振片，使高速起偏模块产生不同偏振态的偏振光，经过光学信息已知的标准二氧化硅薄膜样品反射进入实时检偏模块，根据六个光电倍增管探测的光强以及高速起偏模块产生的偏振光的斯托克斯向量，得到实时检偏模块的检偏矩阵A；
S2、在透射模式下，高速穆勒矩阵椭偏仪上不放置样品，开启需要校准的任一光弹相位调制器，保持另一个光弹相位调制器关闭，使线偏振片的方位角与需要校准的光弹相位调制器的光轴保持相对45°，通过在光弹相位调制器控制器上设置需要校准的光弹相位调制器的驱动电压，获得在该驱动电压下测得的光强；
S3、利用步骤S2采集到的光强求得测量的起偏矩阵Wm，对起偏矩阵Wm的最后一组行向量做离散傅里叶变换，得到傅里叶系数的幅值矩阵，对高速起偏模块输出的偏振光的斯托克斯向量的最后一个斯托克斯参数做无穷级数贝塞尔函数展开，得到由贝塞尔系数绝对值组成的幅值矩阵；
S4、通过最小二乘拟和步骤S3中得到傅里叶系数的幅值矩阵和由贝塞尔系数绝对值组成的幅值矩阵，根据拟合结果提取在步骤S2的驱动电压下的光弹相位调制器的峰值延迟量δpeak和静态延迟量δstatic，用于对该驱动电压下的光弹相位调制器进行原位校准；
S5、重复步骤S2～S4，以完成不同光弹相位调制器全工作范围原位校准。
10.如权利要求1-8所述的一种光弹型高速穆勒矩阵椭偏仪的原位测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在反射模式或透射模式下，同时开启第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器，使线偏振片，第一光弹相位调制器和第二光弹相位调制器的光轴保持在一个相对角度，通过周期分割法，在两个光弹相位调制器上分别设置驱动电压；
S2、将待测样品放置在样品调制模块上，调整旋转位移台和线性位移台，使偏振光从待测样品中心透射或反射后，进入到实时检偏模块，能够被六个光纤准直器采集到，利用六个光电倍增管探测其对应光纤准直器中采集的光强，得到测量光强矩阵；
S3、利用光弹相位调制器的原位校准结果，计算得到理论光强矩阵，通过最小二乘法拟合测量光强矩阵和理论光强矩阵，得到携带待测样品光学信息的完整穆勒矩阵。
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