CN111562003B - 一种高稳定高通量的偏振干涉仪及干涉方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光谱成像领域，涉及一种高稳定高通量的偏振干涉仪及干涉方法。解决上述迈克尔逊干涉仪不稳定以及基于双折射晶体偏振干涉仪的分辨率以及能量利用率的问题，偏振干涉仪，包括沿光路依次设置的一个偏振分束器、三个平面反射镜和一个非偏分束器；还包括设置在偏振分束器光路中的半波片和光程差标准具；半波片将偏振分束器输出两路光的振动方向调节一致；光程差标准具将偏振分束器输出的两路光之间产生固定的光程差；三个平面反射镜将偏振分束器输出的两路光反射至非偏分束器；非偏分束器将两路光均反射和透射，形成干涉条纹。本发明干涉仪具有高灵敏度、高能量利用率及高光谱分辨率。

Description

一种高稳定高通量的偏振干涉仪及干涉方法
技术领域
本发明属于光谱成像领域，涉及一种高稳定性高通量的偏振干涉仪。
背景技术
成像光谱技术能够同时获得目标的图像信息和光谱特征，目前已在科学研究、环境监测、生物医学、食品安全等领域得到了广泛的应用。
成像光谱技术主要分为色散型和干涉型。由于色散型在空间分辨率、光谱分辨率和弱信号监测方面不占优势，因此该类光谱仪在应用方面受到了很大的限制，不过干涉型在原理上能够克服这些问题。干涉仪是干涉成像光谱仪中的核心，干涉仪的种类很多，主要包括迈克尔逊干涉仪，Sagnac干涉仪以及基于双折射晶体的偏振干涉仪。其中迈克尔逊干涉仪属于非共光路干涉仪，光程差是通过调节两臂的长度产生，但两臂在空间上不重合，因此在测量过程中产生的干涉条纹很容易受外界因素的影响，从而影响探测精度；Sagnac干涉仪和基于双折射晶体的偏振干涉仪属于共光路干涉仪，这种干涉仪由于两束光在干涉仪中的光程在空间上基本是重合的，因此相对于非共光路型可大大减小外界因素的影响。对于以双折射晶体为分光元件的干涉仪，具有共光路和无动静扫描的特点，因此具有稳定性强、体积小等优点，但由于双折射晶体加工工艺的限制，无法获得较大的光程差，目前还没有突破性的办法来增加光程差，从而限制了光谱分辨率的提高。此外，对于该类光谱仪来讲，须同时加入起偏器和检偏器才能获得干涉图，因此降低了能量利用率。
发明内容
为解决上述迈克尔逊干涉仪不稳定以及基于双折射晶体偏振干涉仪的分辨率以及能量利用率的问题，本发明基于Sagnac干涉仪提出了一种高稳定高通量的偏振干涉仪。
本发明的技术方案是提供一种高稳定高通量的偏振干涉仪，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的一个偏振分束器、三个平面反射镜和一个非偏分束器；还包括设置在偏振分束器至非偏分束器传播光路中的半波片和光程差标准具；上述半波片位于的偏振分束器的任一出射光路中；上述光程差标准具位于偏振分束器的任一出射光路或两路出射光路中；
上述偏振分束器用于将目标光源分成两路振动方向相互垂直的S光和P光；上述半波片用于调节S光或P光的振动方向，使得S光和P光具有相同的振动方向；上述光程差标准具用于调节S光和/或P光的光程，使得S光和P光之间产生固定的光程差；上述三个平面反射镜用于将S光和P光反射，并最终将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光反射至非偏分束器；上述非偏分束器用于将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成干涉条纹。
进一步地，为了使透射光和反射光的振动方一致，上述半波片的快轴方向与入射光的振动方向之间的夹角为45°。
进一步地，上述光程差标准具的材料为单轴晶体或非晶体材料；光垂直入射至光程差标准具表面。
进一步地，当偏振分束器的两路出射光路中均设置单轴晶体材料的光程差标准具时，两光程差标准具表面均与相应入射光垂直，晶体光轴平行于晶面，且半波片位于光程差标准具之后的光路中。
进一步地，上述三个平面反射镜中至少有一个平面反射镜的倾斜角度可调。
进一步地，当偏振分束器的两路出射光路中均设置单轴晶体材料的光程差标准具时，光程差标准具位于倾斜角度可调的反射镜之前。
本发明还提供一种高稳定性高通量高分辨率的偏振干涉方法，包括以下步骤：
步骤1、目标光源经过准直镜和偏振片之后，入射到偏振分束器；
步骤2、偏振分束器将经准直镜及偏振片的目标光源分成两路振动方向相互垂直、强度一致的S光和P光；
步骤3、三个平面反射镜依次将S光和P光反射，利用半波片调节S光或P 光的振动方向，使得S光和P光具有相同的振动方向；利用光程差标准具调节S 光和/或P光的光程，使得S光和P光之间产生固定的光程差；三个平面反射镜最终将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光反射至非偏分束器；
步骤4、非偏分束器将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成干涉条纹。
进一步地，步骤3中，通过调节三块平面反射镜中任意一个的倾角来改变干涉条纹的周期。
本发明的有益效果是：
(1)在光通量方面，该干涉仪能量利用率得到了提高。
首先是非对称的结构设计使得原本返回光源的一路光束被重新利用；其次，由于干涉仪中使用了偏振分束器和半波片，使得原本振动方向相互垂直的两束光的振动方向一致，省去了检偏器。因此光源的能量利用率得到了提高，从而也提高了该干涉仪在测量中的灵敏度。
(2)具有高的光谱分辨率。
由于该装置可通过直接在干涉仪的某一光路中加入某种透射率很高的材料产生光程差，因此可不受传统偏振干涉光谱技术中双折射晶体尺寸以及光谱仪结构的限制，可以根据所需分辨率的要求合理选取所需的光程差。
(3)具有高稳定性。
由于该装置采用共光路的设计方案，两路光在空间上经过的光程(除加入的固定光程差外)基本上是一致的，因此外界振动和热力学变化对干涉的影响基本上可以忽略不计，干涉条纹相比较非共路的干涉仪会更加稳定。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例中的偏振干涉仪示意图；
图2为在反射或透射任一光路中加入非晶体材料光程差标准具示意图；
图3为在反射(S光)或透射(P光)任一光路中加入晶体材料光程差标准具且晶体光轴与晶面垂直时的示意图；
图4为在反射(S光)或透射(P光)任一光路中加入晶体材料光程差标准具且晶体光轴与晶面平行时的示意图；
图5为同时在反射(S光)和透射(P光)光路中加入晶体材料光程差标准具且晶体光轴与晶面平行的示意图；
图中附图标记为：
1-光源，2-准直镜，3-偏振片，4-偏振分束器，5-平面反射镜，6-非偏分束器，7-半波片，8-光程差标准具，9-平面反射镜EF。
具体实施方式
本发明高稳定高通量的偏振干涉仪，基于传统的Sagnac干涉仪，采用非对称和共光路的设计方案，改善干涉仪的光通量和稳定性；采用偏振分束器进行分光得到两个振动方向相互垂直的偏振光，在其中一路光中加入半波片，使得两路光的振动方向一致，避免了使用检偏器，提高了能量利用率；干涉仪中的光程差可通过在其中一路或者两路光中加入不同的光程差材料产生的，因此可避免传统的共光路偏振干涉仪中由于晶体尺寸限制无法实现大光程差的问题，从而实现更高的光谱分辨率。
以下结合附图及具体实施例，对本发明进行详细说明。
如图1所述，本实施例高稳定高通量的偏振干涉仪主要由三个平面反射镜5、一个偏振分束器4、一个非偏分束器6及位于偏振分束器4出射光路中的半波片 7及光程差标准具8组成。首先目标光源1经过准直镜2和偏振片3之后，入射到干涉仪中，经偏振分束器4分成两路振动方向相互垂直的偏振光，分别为S 光和P光，其中反射光为S光，透射光为P光。需要说明的是，偏振片3的透振方向应与S光的振动方向的夹角为45o，这样就可保证S光和P光经PBS之后的强度一致，也保证干涉条纹的对比度。
经偏振分束器4后，S光依次经过反射镜AB，BC，CD。与S光类似，透射光P依次经过反射镜CD，BC和AB。为了使S光和P光两路之间产生固定的光程差，可在任一光路中加入光程差标准具8，也可在两路中同时加入光程差标准具8。但需要说明的是如果在任一路中加入光程差标准具8，则光程差标准具8的材料可以选择单轴晶体也可以选择非晶体。当选择非晶体材料，如图2 所示，光垂直入射到材料的表面，光程差的大小和材料的长度和折射率相关。如果选择将晶体材料的光程差标准具8插入任一光路中获取固定光程差，当光束垂直入射时，晶体的光轴既可与晶面垂直，也可与晶面平行。第一种情况即光轴与晶面垂直时，如图3所示，由于不会发生双折射，光的传播方向也不会发生变化，计算光程差时，选用的折射率是该类正常光的折射率(no)；对于第二种情况，如图4所示，由于入射光是振动方向平行于入射面或垂直于入射面的线偏振光，因此，当光轴平行于晶面时，光的传播方向也不会发生变化，只不过由于反射光和透射光的振动方向相互垂直，导致折射率(no或ne)不一致，因此将晶体插入反射光和透射光产生的光程差会有差别。如果通过同时在两路光中加入晶体材料的光程差标准具8产生光程差时，需两束光都垂直入射，光轴平行于晶面，这样两束光经过晶体之后的传播方向保持不变，且S光(no) 和P(ne)光在晶体中的折射率不同，可产生固定的光程差(L*(no-ne))，如图 5所示。
图1中给出的是在透射光中插入非晶体材料光程差标准具8的例子。以下按照这一情况叙述，其它情况与该情况类似。当反射光经过平面反射镜AB之后，再经过半波片7，且半波片7的快轴方向与入射光的振动方向之间的夹角为45o，这样可使透射光和反射光的振动方一致。当然也可将半波片7加入到透射光中，和加入透射光中的目的相同。但需要注意的是如果要让两路光同时通过晶体材料的光程差标准具8时，半波片7需在两路光通过光程差标准具8之后加，这样才可以产生光程差。
当两束光分别依次经过三个平面反射镜5后，透射光束和反射光束再次通过非偏分束器6，因此透射光和反射光分别再次被反射和透射，形成4路光，由于满足干涉条件，因此，经过偏振分束器4透射再经非偏分束器6透射的光和经偏振分束器4反射再被非偏分束器6反射的两路光干涉，经偏振分束器4透射再经非偏分束器6反射的光和经偏振分束器4反射再经非偏分束器6透射的两路光干涉。
由于干涉仪采用非对称的设计，返回光源的那路干涉光和光源的出射光在空间上产生了一定的位移，因此，通过平面反射镜EF9反射之后可被有效利用，使得整个光路的能量利用率得到提高。
在这里需要说明的是，可以通过调节三个平面反射镜5中任意一个的倾角调节干涉条纹的周期。图1中，是调节了平面反射镜CD的倾角。虽然这个倾角很小，但是会改变光束的传播反向，而且要经过三次反射，因此这个小量也会被放大4倍。为了方便之后的光程差的测量和计算，需要光束垂直通过光程差标准具的表面，因此，将光程差标准具8加到了反射光中。需要说明的是，如果需要通过同时在两路光中加入晶体材料的光程差标准具8产生光程差，为了准确的计算光程差，需要将光程差标准具8加入到调节倾角的平面反射镜之前。

Claims (8)

1.一种高稳定高通量的偏振干涉仪，其特征在于：包括沿光路依次设置的准直镜(2)、偏振片(3)、偏振分束器(4)、三个平面反射镜(5)和一个非偏分束器(6)；还包括设置在偏振分束器(4)至非偏分束器(6)传播光路中的半波片(7)和光程差标准具(8)；所述半波片(7)位于的偏振分束器(4)的任一出射光路中；所述光程差标准具(8)位于偏振分束器(4)的任一出射光路或两路出射光路中；
目标光源经过准直镜(2)和偏振片(3)之后，入射到偏振分束器；所述偏振分束器(4)用于将目标光源分成两路振动方向相互垂直的S光和P光；所述半波片(7)用于调节S光或P光的振动方向，使得S光和P光具有相同的振动方向；所述光程差标准具(8)用于调节S光和/或P光的光程，使得S光和P光之间产生固定的光程差；所述三个平面反射镜(5)用于将S光和P光反射，并最终将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光反射至非偏分束器(6)；所述非偏分束器(6)用于将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成干涉条纹。
2.根据权利要求1所述的高稳定高通量的偏振干涉仪，其特征在于：所述半波片(7)的快轴方向与入射光的振动方向之间的夹角为45°。
3.根据权利要求2所述的高稳定高通量的偏振干涉仪，其特征在于：所述光程差标准具(8)的材料为单轴晶体或非晶体材料；光垂直入射至光程差标准具(8)的表面。
4.根据权利要求3所述的高稳定高通量的偏振干涉仪，其特征在于：若偏振分束器(4)的两路出射光路中均设置单轴晶体材料的光程差标准具(8)，两光程差标准具(8)表面均与相应入射光垂直，晶体光轴平行于晶面，且半波片(7)位于光程差标准具(8)之后的光路中。
5.根据权利要求4所述的高稳定高通量的偏振干涉仪，其特征在于：所述三个平面反射镜(5)中至少有一个平面反射镜的倾斜角度可调。
6.根据权利要求5所述的高稳定高通量的偏振干涉仪，其特征在于：偏振分束器(4)的两路出射光路中均设置单轴晶体材料的光程差标准具(8)，光程差标准具(8)位于倾斜角度可调的平面反射镜(5)之前。
7.一种高稳定高通量的偏振干涉方法，其特征在于，基于权利要求1所述的高稳定高通量的偏振干涉仪实现，包括以下步骤：
步骤1、目标光源经过准直镜和偏振片之后，入射到偏振分束器；
步骤2、偏振分束器将经准直镜及偏振片的目标光源分成两路振动方向相互垂直、强度一致的S光和P光；
步骤3、三个平面反射镜依次将S光和P光反射，利用半波片调节S光或P光的振动方向，使得S光和P光具有相同的振动方向；利用光程差标准具调节S光和/或P光的光程差，使得S光和P光之间产生固定的光程差；三个平面反射镜最终将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光反射至非偏分束器；
步骤4、非偏分束器将具有相同振动方向、固定光程差的S光和P光均反射和透射，形成干涉条纹。
8.根据权利要求7所述的高稳定高通量的偏振干涉方法，其特征在于：步骤3中，通过调节三块平面反射镜中任意一个的倾角来改变干涉条纹的周期。
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