CN111811655A - 光的偏振状态评测方法、应用、装置、电子设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光的偏振状态评测方法、应用、装置、电子设备及介质，该方法包括：采集得到待评测光在邦加球上偏振态数据点；将所述偏振态数据点按照空间直角坐标系的八个卦限进行分离；对每个卦限内偏振态数据点进行Delaunay三角部分算法拟合；计算拟合得到的八个卦限内三角部分面积之和S_Delaunay；将S_Delaunay除以单位邦加球面总面积S₀，得到偏振分离度。特别对于非偏振光而言，其偏振状态随着时间发生随机变化，因此要在时间序列上进行准确的描述。用该方法在时间上对信号光的偏振态进行定量分析，能够为去偏器的改进、提高光纤传感器的精度提供数值参考。除了光纤传感系统中，其它光学系统(例如，光学相干系统)中都可用该方法来定量分析和评测非偏振光以及偏振光。

Description

光的偏振状态评测方法、应用、装置、电子设备及介质

技术领域

本发明涉及偏振度、光纤去偏以及偏振光领域，尤其涉及一种光的偏振状态评测方法、应用、装置、电子设备及介质。

背景技术

按光的偏振特征，可分为完全偏振光(有线偏振、椭圆偏振、圆偏振三种偏振态)、完全非偏振光(如自然光)与部分偏振光。实际上，偏振光随机无序的集合也属于非偏振光。

目前，光纤传感器越来越受到人们的重视，在军事、航空、医疗等领域具有重要的作用。但是光纤传感器的相位偏置容易受到外界因素的影响。这是由于理想情况下，单模光纤只传输具有一个模式的光。由于光纤纤芯的椭圆度、弯曲、残余的应力以及外界温度变化等因素，光纤中的偏振态会发生变化，从而产生了噪声，使光纤传感器的精度下降。

因此，要保持输入光的偏振态，普遍使用保偏光纤，或者使用保偏光纤构成的偏振控制器。在光学系统中偏振控制的一个典型应用的是Lyot型光纤去偏器，它由两段长度为1:2的保偏光纤组成，且两段保偏光纤双折射主轴的夹角为45°。当光路中不存在去偏器时，如果输入偏振态相同的顺时针信号光(CW)和逆时针信号光(CCW)，则两束光通过光纤后，偏振态发生随机变化，再经过检偏器，则两束光会发生干涉。由于干涉光偏振方向和强度各不相同，干涉光强会出现涨落现象。当光路中存在去偏器时，两束光经过光纤后偏振态也会随机发生变化，但再经过检偏器后，两束光偏振方向和强度相同，形成的干涉光强没有涨落变化。

但是，保偏光纤具有本身不均匀性、长度不完全匹配、制作难度大等缺点，无法达到完全去偏的理想效果，从去偏器出射的光实际上是部分偏振光。对于光纤传感器中的去偏光学系统而言，去偏器消除偏振的能力是决定光纤传感器精度的关键因素。因此，需要判断去偏器输出的光的偏振状态具体是怎样的，并为去偏器的优化提供参考。

传统的方法是仅用偏振度(P)来度量光束的偏振数值。当P＝1时，说明该光束为完全偏振光；当P＝0时，说明该光束为完全非偏振光；当0<P<1时，说明该光束为部分偏振光。但是偏振度只表示光束中偏振光占整束光的光强(功率)比例，并不能定量得到光束中的偏振光具体含有哪些偏振光(如线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光)及其含量多少，更无法有针对性对偏振光的后续处理提供有效指导。

为克服上述不足，本发明提出了偏振分离度的概念，来定量分析与评测一束光的偏振具体状态。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种用偏振分离度评测光的偏振状态的方法，用以解决现有用偏振度衡量光偏振态无法定量得到光束中的偏振光种类和含量问题，更无法有针对性对偏振光的后续处理提供有效指导。

为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种光的偏振状态评测方法，包括：

采集得到待评测光在邦加球上偏振态数据点；

将所述偏振态数据点按照空间直角坐标系的八个卦限进行分离；

对每个卦限内偏振态数据点进行Delaunay三角部分算法拟合；

计算拟合得到的八个卦限内三角部分面积之和S_Delaunay；

将S_Delaunay除以单位邦加球面总面积S₀，得到偏振分离度。

进一步地，使用偏振态分析仪采集得到待评测光在邦加球上偏振态数据点。

进一步地，还包括：

对采集的待评测光在邦加球上偏振态数据点进行数学统计，得到待评测光中存在的偏振光的种类以及比例。

第二方面，本发明实施例还提供一种光的偏振状态评测方法在用于评价去偏器件性能上的应用，所述一种光的偏振状态评测方法为第一方面所述的方法。

第三方面，本发明实施例还提供一种光的偏振状态评测装置，包括：

采集模块，用于采集得到待评测光在邦加球上偏振态数据点；

分离模块，用于将所述偏振态数据点按照空间直角坐标系的八个卦限进行分离；

拟合模块，用于对每个卦限内偏振态数据点进行Delaunay三角部分算法拟合；

第一计算模块，用于计算拟合得到的八个卦限内三角部分面积之和S_Delaunay；

第二计算模块，用于将S_Delaunay除以单位邦加球面总面积S₀，得到偏振分离度。

进一步地，还包括：

统计模块，用于对采集的待评测光在邦加球上偏振态数据点进行数学统计，得到待评测光中存在的偏振光的种类以及比例。

第四方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。

第五方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的方法。

利用偏振分离度的评测方法可以直观得到光的偏振态在邦加球上随时序的变化过程以及各偏振态的种类及比例，同时将偏振态数据点拟合成空间曲面，可对邦加球上光偏振态的空间分布离散程度进行定量分析。本评测方法能够定量分析去偏器出射光的去偏程度，能为去偏器件的优化提供数值参考，提高光纤传感器的精度。该方法可应用于光学偏振传感器、相干光学系统中评价光束的偏振状态，比如光纤陀螺中去偏器输出光束的偏振分析，为改善该系统提供指导。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本实施例提供一种光的偏振状态评测方法的流程图；

图2为邦加球描述偏振光的表述方法；

图3是现有的偏振度的评价方法光路图；

图4是本发明实施例中偏振分离度评测方法光路图；

图5为本实施例提供一种光的偏振状态评测装置的框图；

图6(a)是本发明实施例中在邦加球八个卦限内Delaunay三角部分算法拟合结果图；

图6(b)是本发明实施例中待评测光利用改进Delaunay三角部分算法拟合结果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

实施例1：

参考图1，本实施例提供一种光的偏振状态评测方法，包括以下步骤：

步骤S102，采集得到待评测光在邦加球上偏振态数据点；

具体地，使用偏振态分析仪8采集得到待评测光在邦加球上偏振态数据点。任一的椭圆偏振光可以用两个方位角来表示偏振态，而两个方位角在邦加球上可以用球面上的经度和纬度来表示，因此邦加球球面上的一点可以表示一个偏振态，特别对于非偏振光而言，其偏振状态随着时间发生随机变化，因此要在时间序列上进行准确的描述。

邦加球赤道上的点表示不同振动方向的线偏振光；北极点表示右旋圆偏振，南极点表示左旋圆偏振光；北半球上的点表示右旋椭圆偏振形式，南半球上的点表示左旋椭圆偏振形式。邦加球球面上表示的是完全偏振光；球心表示的是自然光，球内其他点表示的是部分偏振光，如图2所示，即为邦加球描述偏振光的表述方法。

邦加球可以用来描述光在单模光纤中传输时，偏振态的变化。邦加球中偏振光两个正交模式的坐标参量(C点)为：

2ζ＝arg(A₁/A₂)

其中，A₁和A₂表示的是单模光纤中的模场振幅系数，由入射光的偏振态决定。

入射光的偏振态发生变化，A₁和A₂随之变化，在邦加球上对应的C点，也会在邦加球上移动。C点移动的轨迹表示了光在光纤中传输时偏振态的变化。非偏振光是指偏振分量的时间平均值为零的光，也可以认为光的偏振态的变化速度比所用光学探测器的响应速度要快，因此要在时间的纬度上，对该随机状态进行描述。

步骤S104，将所述偏振态数据点按照空间直角坐标系的八个卦限进行分离；

具体地，由于邦加球具有空间对称性，因此可按照对称轴将邦加球上偏振态数据点分离成八个卦限。

步骤S106，对每个卦限内偏振态数据点进行Delaunay三角部分算法拟合；

具体地，每个卦限内偏振态数据点经Delaunay三角部分算法拟合后形成了三角形构成的空间曲面，该曲面即是反映待评测光偏振态在邦加球上离散程度的直观表示。

步骤S108，计算拟合得到的八个卦限内三角部分面积之和S_Delaunay；

具体地，由于八个卦限内Delaunay三角部分算法拟合结果为一组三角形构成的空间曲面，因此利用海伦公式计算出了八个卦限内三角部分面积之和S_Delaunay。

步骤S110，将S_Delaunay除以单位邦加球面总面积S₀，得到偏振分离度。

具体地，偏振分离度的计算公式为：

偏振分离度取值在0～100％之间，且越接近100％，代表待评测光离散程度越大，去偏程度越高。

进一步地，还包括：步骤S112，对采集的待评测光在邦加球上偏振态数据点进行数学统计，得到待评测光中存在的偏振光的种类以及比例。

具体地，统计偏振光的种类包括了邦加球赤道上的线偏振光；北极点上的右旋圆偏振，南极点上的左旋圆偏振光；北半球面上的右旋椭圆偏振光，以及南半球面上的左旋椭圆偏振光。

如图3所示为传统偏振度P衡量偏振态方法的实验测量装置，图4是本发明实施例中偏振分离度评测方法光路图，SLD光源5出射光经过起偏器6后成为线偏振光，随后经过Lyot型光纤去偏器7将偏振光去偏形成非偏振光，偏振态分析仪8对Lyot型光纤去偏器输出光偏振态在邦加球上的点坐标进行采集，最后输入到计算机9进行改进Delaunay三角部分算法(即步骤S104和步骤S106)拟合并计算出偏振分离度及其偏振态组成成分，从而评测实验中所用Lyot型光纤去偏器对光的偏振的消除效果。

实验中采集了2个小时内邦加球上偏振点的演化轨迹，包含了10000个数据点，接着对球面非连续坐标点进行改进Delaunay三角部分算法拟合，即先将邦加球面上的点按照空间直角坐标系的八个卦限分离开，接着对每个卦限内的数据点进行Delaunay三角部分算法拟合，利用公式海伦求出八个卦限拟合三角形面积和，结果如图6(a)为八个卦限内Delaunay三角部分算法拟合输出结果，图6(b)采集总数据在邦加球面上的分布以及利用改进Delaunay三角部分算法的曲面拟合结果，经过曲面差值计算得到拟合曲面总面积为9.963，因此输出光偏振态在邦加球上占据的比重，即偏振分离度为：

最后经过提取赤道、南北极、南北半球的点集，经数学统计可得，输出光束在2个小时的测量时间内，含有线偏光比例为0.19％，右旋椭圆偏振光比例为46.99％，右旋圆偏振光比例为：0.12％，左旋椭圆偏振光比例为52.7％，左旋圆偏振光比例为0％。

本实例是以Lyot型光纤去偏器输出的光束为例，利用偏振分离度在时间上对信号光的偏振态进行定量分析，能够为去偏器的改进、提高光纤传感器的精度提供数值参考。但是在光纤传感器、相干光学等系统中对输出光偏振状态的评测皆可以使用。

实施例2：

本实施例提供一种光的偏振状态评测方法在用于评价去偏器件性能上的应用，所述一种光的偏振状态评测方法为实施例1所述的方法。这里不再进行赘述。

实施例3：

本实施例还提供一种光的偏振状态评测装置，参考图5，该实施例为与实施例1相对应的虚拟装置，该装置包括：

采集模块10，用于采集得到待评测光在邦加球上偏振态数据点；

分离模块20，用于将所述偏振态数据点按照空间直角坐标系的八个卦限进行分离；

拟合模块30，用于对每个卦限内偏振态数据点进行Delaunay三角部分算法拟合；

第一计算模块40，用于计算拟合得到的八个卦限内三角部分面积之和S_Delaunay；

第二计算模块50，用于将S_Delaunay除以单位邦加球面总面积S₀，得到偏振分离度。

进一步地，还包括：统计模块60，用于对采集的待评测光在邦加球上偏振态数据点进行数学统计，得到待评测光中存在的偏振光的种类以及比例。

实施例4：

本实施例提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如实施例1所述的方法，这里不再进行赘述。

实施例5：

本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如实施例1所述的方法，这里不再进行赘述。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (8)

1.一种光的偏振状态评测方法，其特征在于，包括：

采集得到待评测光在邦加球上偏振态数据点；

将所述偏振态数据点按照空间直角坐标系的八个卦限进行分离；

对每个卦限内偏振态数据点进行Delaunay三角部分算法拟合；

计算拟合得到的八个卦限内三角部分面积之和S_Delaunay；

将S_Delaunay除以单位邦加球面总面积S₀，得到偏振分离度。

2.根据权利要求1所述的一种光的偏振状态评测方法，其特征在于，使用偏振态分析仪(8)采集得到待评测光在邦加球上偏振态数据点。

3.根据权利要求1所述的一种光的偏振状态评测方法，其特征在于，还包括：

对采集的待评测光在邦加球上偏振态数据点进行数学统计，得到待评测光中存在的偏振光的种类以及比例。

4.一种光的偏振状态评测方法在用于评价去偏器件性能上的应用，所述一种光的偏振状态评测方法为权利要求1-3任一项所述的方法。

5.一种光的偏振状态评测装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集得到待评测光在邦加球上偏振态数据点；

分离模块，用于将所述偏振态数据点按照空间直角坐标系的八个卦限进行分离；

拟合模块，用于对每个卦限内偏振态数据点进行Delaunay三角部分算法拟合；

第一计算模块，用于计算拟合得到的八个卦限内三角部分面积之和S_Delaunay；

第二计算模块，用于将S_Delaunay除以单位邦加球面总面积S₀，得到偏振分离度。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

统计模块，用于对采集的待评测光在邦加球上偏振态数据点进行数学统计，得到待评测光中存在的偏振光的种类以及比例。

7.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-3任一项所述的方法。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述的方法。

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