CN112433383B - 一种远红外光偏振态的转换装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于远红外激光技术领域，具体地说，是一种远红外光偏振态的转换装置及其实现方法，包括：第一线偏振片、分束片、第二线偏振片、平面反射镜、第三线偏振片、透镜以及探测器。本发明所提出的远红外光偏振态转换装置可以实现线偏振光到近圆偏振光再到线偏振光的周期性调节与转换，具有工作波长范围宽，偏振态转换效果好等优点，与45度入射线偏振片的方式相比，本发明利用正入射光在经过线偏振片进行传播过程中光束重叠度高的特点，突破了偏振状态转换和调节过程受平面反射镜与线偏振片距离的限制，提高了合束激光偏振特性的信噪比，降低了转换和调节的难度，实现了更宽波长范围远红外光偏振态的转换和调节。

Description

一种远红外光偏振态的转换装置及实现方法

技术领域

本发明属于远红外激光技术领域，具体地说，是一种远红外光偏振态的转换装置及其实现方法。

背景技术

偏振特性是除了辐射频率、功率和光束质量之外，描述远红外光电场分量随时间和空间变化的重要参数。比如，在通信领域，电磁波的偏振态可以作为调制的一个独立维度，实现除调频、调幅之外的另外一种调制手段；在成像应用中，电磁辐射的偏振态随目标物体表面的形貌变化，在增加相应的偏振探测手段后，可以实现对成像过程中电磁辐射偏振态和幅度的联合探测，实现所谓的全息成像。因此，偏振态的利用和探测在电磁辐射的应用中具有重要作用，发展远红外光的偏振转换技术，可以提高该电磁波频段的应用优势，获得不同的应用效果。

然而，在远红外光频段，尤其是30微米以上的波段，电磁辐射产生的手段比较缺乏，当前大多数方法产生的有效辐射以线偏振态为主，在实际应用中受到较大限制。因此，开发一种可以实现远红外光偏振状态转换的手段以满足该频段的实际应用需要是很有实际意义的。现有偏振转换的手段主要从转换器的材料和微结构上着手，通过设计对入射激光相位的调节作用，实现出射激光偏振态的改变。不过，上述偏振转换的方法可实现的辐射波长范围较小，一个设计结构和材料确定了的偏振转换器，通常只能实现一定波长范围内的偏振转换功能，在针对多波长电磁辐射应用时，需要配置多个偏振转换器，增加了系统的复杂度。为了简化应用系统，有人提出了一种入射偏振光与线偏振片成45度入射角的超宽谱远红外光偏振转换器，获得了较好的偏振转换效果。不过，由于45度入射角的限制，用于调节偏振态的平面反射镜必须离线偏振片非常近，通常在两个波长距离以内，以保证形成干涉的两束光能很好地重合，当平面反射镜距离线偏振片大于两个波长后，由于45度入射角的存在，合束后两束激光的重叠区域变小，使得合束激光的偏振状态不纯，偏振转换效果变差，这一限制对波长小于50微米的远红外光影响较大。因此，亟需开发一种既能实现宽谱远红外光偏振转换，又能在较大范围内调节平面反射镜实现对入射远红外光偏振状态高效转换的装置和方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种远红外光偏振态的转换装置及其实现方法，该装置及实现方法利用正入射远红外光在线偏振片表面形成的干涉光具有高重合性的特点，提高了合束激光偏振特性的信噪比，从原理上实现了对宽谱远红外偏振光的有效调节与偏振转换，为远红外频段的偏振成像、椭偏技术和信号调制提供了一种颇具潜力的手段。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种远红外光偏振态的转换装置，所述远红外光偏振态的转换装置包括：第一线偏振片、分束片、第二线偏振片、平面反射镜、第三线偏振片、透镜以及探测器；所述分束片、第三线偏振片、透镜和探测器位于同一直线上，所述第一线偏振片、第二线偏振片和平面反射镜位于同一直线上与所述分束片垂直。

所述远红外平行光经所述第一线偏振片后，转换成线偏振光，并透过所述分束片后达到所述第二线偏振片；

所述第二线偏振片将一部分远红外线偏振光反射，另一部分线偏振光透过所述第二线偏振片后达到所述平面反射镜；

所述平面反射镜将透过所述第二线偏振片的远红外光反射后再次透过所述第二线偏振片，并与所述第二线偏振片上发生反射的远红外线偏振光合束发生干涉，合束后的干涉光被所述分束片反射并经过所述第三线偏振片和所述透镜后到达所述探测器上；

所述第三线偏振片适于检测合束后干涉光的偏振特性；

所述透镜用于对合束后的干涉光进行会聚，使得全部干涉光被所述探测器探测到。

作为本发明的一种优选方案，所述装置的工作激光波长覆盖20 μm至200 μm。

作为本发明的一种优选方案，所述第一线偏振片、第二线偏振片和第三线偏振片，均为聚合物基底，基底其表面为金属线形成的衍射光栅。

作为本发明的一种优选方案，所述分束片为双面抛光高阻硅片。

作为本发明的一种优选方案，所述平面反射镜为玻璃基底的镀金表面。

作为本发明的一种优选方案，所述透镜为双面镀膜高阻硅透镜。

作为本发明的一种优选方案，所述探测器为热探测器。

本发明还提供一种采用如上述任一方案中所述的远红外光偏振态的转换装置对入射远红外平行光进行偏振转换的实现方法，所述实现方法包括步骤：

1）第一线偏振片2将入射远红外平行光1转换成水平和垂直方向电场分量相等的远红外线偏振光，转换后的线偏振光经过分束片3后到达所述第二线偏振片4；

2）一部分线偏振激光透过所述第二线偏振片4后到达所述平面反射镜5，并被所述平面反射镜5反射后再次透过所述第二线偏振片4，与所述第二线偏振片4表面反射的线偏振光会合形成干涉光；

3）会合后的干涉光经过所述第三线偏振片6和所述透镜7后到达所述探测器8，所述第三线偏振片6和所述探测器8对会合后的干涉光进行检测后得到干涉光的实际偏振状态；

4）调节所述平面反射镜5与所述第二线偏振片4的距离，使得经所述平面反射镜5反射后到达所述第二线偏振片4表面的偏振光的相位形成周期变化，致使其与第二线偏振片4表面反射的偏振光干涉后形成不同偏振状态的合束激光，从而实现对入射偏振光的偏振转换，再通过所述第三线偏振片6和探测器8可以测量出每个状态下合束激光的偏振状态。

本发明的有益效果为：本发明采用正入射线偏振片的方式来实现远红外光的偏振转换，既可以实现线偏振光到近圆偏振光再到线偏振光的周期性调节与转换，利用正入射光在经过线偏振片进行传播过程中光束重叠度高的特点，提高了合束激光偏振特性的信噪比，突破了偏振状态转换和调节过程受平面反射镜与线偏振片距离的限制，具有比45度入射情况下更宽的工作波长范围，从原理上实现了对更宽远红外偏振光波长范围的有效调节与偏振转换，为远红外频段的偏振成像、椭偏技术和信号调制提供了一种颇具潜力的偏振调控手段。

附图说明

图1为本发明的远红外光偏振态的转换装置的结构及光路示意图。

图2为采用本发明装置实现的合束激光偏振状态随相位的变化，其中相位的改变来源于平面反射镜移动形成的光程差。

图3为本发明的远红外光偏振态转换装置实现方法的流程示意图。

图中，1-入射远红外平行光，2-第一线偏振片，3-分束片，4-第二线偏振片，5-平面反射镜，6-第三线偏振片，7-透镜，8-探测器。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：请参阅图1，一种远红外光偏振态的转换装置，至少包括：第一线偏振片2、分束片3、第二线偏振片4、平面反射镜5、第三线偏振片6、透镜7以及探测器8；所述远红外平行光1经所述第一线偏振片2后，转换成水平和垂直方向电场分量相等的远红外线偏振光，并透过所述分束片3后达到所述第二线偏振片4；所述第二线偏振片4将一部分远红外线偏振光反射，另一部分线偏振光透过所述第二线偏振片4后达到所述平面反射镜5；所述平面反射镜5将透过所述第二线偏振片4的远红外光反射后再次透过所述第二线偏振片4，并与所述第二线偏振片4上发生反射的远红外线偏振光合束发生干涉，合束后的干涉光被所述分束片5反射并经过所述第三线偏振片6和所述透镜7后到达所述探测器8上；所述第三线偏振片6适于检测合束后干涉光的偏振特性；所述透镜7用于对合束后的干涉光进行会聚，使得全部干涉光被所述探测器8探测到，通过旋转第三线偏振片6的线偏振角度，同时记录探测器8上的信号幅度，最终完成对合束偏振光偏振态的测量。

作为示例，所述远红外平行光的波长范围为20-200 μm，优选的，本实施例中，远红外光的波长为72 μm，光束直径10 mm。

作为示例，所述第一线偏振片、第二线偏振片和第三线偏振片为同一种线偏振片，均采用高密度聚乙烯材料作为基底，基底表面蒸镀铝金属线，线偏振片的工作波长范围覆盖5-1000 μm，优选的，本实施例中，线偏振片的通光孔径均为50.8 mm。

作为示例，所述分束片为双面抛光高阻硅片，优选的，本实施例中，高阻硅片的电阻率大于5000 Ω·cm，直径101.6 mm，厚度500 μm。

作为示例，所述平面反射镜为玻璃基底镀金表面，对远红外光的反射率大于98%，优选的，本实施例中，平面反射镜的直径为76.2 mm。

作为示例，所述透镜为双面镀膜高阻硅透镜，优选的，本实施例中，透镜焦距为150mm，直径为50.8 mm，镀膜材料为聚合物，镀膜厚度为18 μm。

作为示例，所述热探测器为热释电探测器，优选的，本实施例中，在远红外光频段的噪声等效功率小于300 pW/Hz0.5。

本发明装置中远红外平行光1以正入射方式入射到第二线偏振片4和平面反射镜5组成的偏振调节部分，使得经平面反射镜5反射和经第二线偏振片4反射的远红外光完全重合，与45度入射方式相比，提高了两束光的重叠率和合束干涉效果，提高了合束激光偏振特性的信噪比。

请参阅图3，本发明还提供一种采用如实施例一中所述的远红外光偏振态的转换装置对远红外光进行偏振转换和调节的实现方法，其特征在于：所述实现方法包括步骤：

1）所述第一线偏振片2将入射远红外平行光1转换成水平和垂直方向电场分量相等的远红外线偏振光，转换后的线偏振光经过分束片3后到达所述第二线偏振片4；

2）一部分线偏振激光透过所述第二线偏振片4后到达所述平面反射镜5，并被所述平面反射镜5反射后再次透过所述第二线偏振片4，与所述第二线偏振片4表面反射的线偏振光会合形成干涉光；

3）会合后的干涉光经过所述第三线偏振片6和所述透镜7后到达所述探测器8，所述第三线偏振片6和所述探测器8对会合后的干涉光进行检测后得到干涉光的实际偏振状态；

4）调节所述平面反射镜5与所述第二线偏振片4的距离，调节步长为入射远红外平行光1波长的1/24，即3 μm，根据光程差等于平面反射镜5与第二线偏振片4距离的2倍关系得出，每移动一步改变的相位为π/6。图2所示为0、π/2、π、3π/2、2π相位差下合束激光的偏振状态测量结果，分别对应于线偏振光、近圆偏振光、线偏振光、近圆偏振光、线偏振光。使得经所述平面反射镜5反射后到达所述第二线偏振片4表面的偏振光的相位形成周期变化，致使其与第二线偏振片4表面反射的偏振光干涉后形成不同偏振状态的合束激光，从而实现对入射偏振光的偏振转换，再通过所述第三线偏振片6和探测器8可以测量出每个状态下合束激光的偏振状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种远红外光偏振态的转换装置，其特征在于：包括第一线偏振片、分束片、第二线偏振片、平面反射镜、第三线偏振片、透镜以及探测器；所述分束片、第三线偏振片、透镜和探测器位于同一直线上，所述第一线偏振片、第二线偏振片和平面反射镜位于同一直线上与所述分束片垂直；其中，第一线偏振片将入射远红外平行光转换成水平和垂直方向电场分量相等的远红外线偏振光，转换后的线偏振光经过分束片后到达所述第二线偏振片，一部分线偏振激光透过所述第二线偏振片后到达所述平面反射镜，并被所述平面反射镜反射后再次透过所述第二线偏振片，与所述第二线偏振片表面反射的线偏振光会合形成干涉光，会合后的干涉光经过所述第三线偏振片和所述透镜后到达所述探测器，所述第三线偏振片和所述探测器对会合后的干涉光进行检测后得到干涉光的实际偏振状态，调节所述平面反射镜与所述第二线偏振片的距离，使得经所述平面反射镜反射后到达所述第二线偏振片表面的偏振光的相位形成周期变化，致使其与第二线偏振片表面反射的偏振光干涉后形成不同偏振状态的合束激光，从而实现对入射偏振光的偏振转换，再通过所述第三线偏振片和探测器可以测量出每个状态下合束激光的偏振状态，通过旋转第三线偏振片的线偏振角度，同时记录探测器上的信号幅度，最终完成对合束偏振光偏振态的测量。

2.根据权利要求1所述的远红外光偏振态的转换装置，其特征在于：所述第一线偏振片、第二线偏振片和第三线偏振片，均为聚合物基底，基底其表面为金属线形成的衍射光栅。

3.根据权利要求1所述的远红外光偏振态的转换装置，其特征在于：所述分束片为双面抛光高阻硅片。

4.根据权利要求1所述的远红外光偏振态的转换装置，其特征在于：所述平面反射镜为玻璃基底的镀金表面。

5.根据权利要求1所述的远红外光偏振态的转换装置，其特征在于：所述透镜为双面镀膜高阻硅透镜。

6.根据权利要求1所述的远红外光偏振态的转换装置，其特征在于：所述探测器为热探测器。