CN114674246B - 一种基于偏振光栅的小角度差分检测模块和检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于偏振光栅的小角度差分检测模块和检测方法，其特征在于，在检测光路上同时设置1/4波片和偏振光栅，利用1/4波片将线偏振光的旋光角转换为椭圆偏振光的椭圆率角，然后利用偏振光栅其+1级和‑1级衍射光光强比值与入射光椭偏度相关的特性进行差分检测，有利于缩小检测装置的体积，为仪器小型化和芯片化应用奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及线偏光旋光角检测技术及微弱信号处理技术领域，特别是一种基于偏振光栅的小角度差分检测模块和检测方法。
背景技术
当线偏振光通过放置在磁场中的磁光介质时，线偏振光的偏振面会随着平行于光线传播方向的磁场发生微小的旋转，从而产生旋光角。如何精确地测量微小的线偏光旋光角是许多量子精密测量系统的关键所在，如核磁共振陀螺仪、SERF陀螺仪(SERF，SpinExchange Relaxation Free，无自旋交换弛豫)、SERF磁强计等。随着芯片化惯性导航和惯性、磁场测量技术需求的日益增长，对旋光角测量模块可集成化提出了更高的要求。
现有的线偏光旋光角检测方法主要有机械调制检测法、法拉第调制检测法、光弹调制检测法以及差分检测法。其中：机械调制法操作简便，但精度较低，且应用有限；法拉第调制检测法的优点是检测灵敏度高，光路调节简单，然而法拉第晶体会引入磁噪声，本身的磁光系数随温度变化导致温度稳定性差，这些都导致其难以用于小体积的集成化装置中。光弹调制技术检测灵敏度高，调制纯度好，但其偏振器件多，光路调节复杂，难以集成化。而差分检测法的光路简单，精度较高，精度极限由光路中器件性能决定，有集成化的潜力，因此被广泛应用。
传统的差分检测光路利用偏振分束器(PBS，polarized beam splitter)实现检测光的分束，从而为差分检测奠定了基础。由于分光原理的限制，PBS分立器件的体积无法做的很小。在传感器芯片化趋势下，其内部常规庞大的光学器件将逐步被新型的紧凑和超薄器件所取代，同时，差分检测的精度由光路中器件的性能决定，因此需要一种高性能、可集成的器件来代替常规PBS进行差分检测。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于偏振光栅的小角度差分检测模块和检测方法，克服上述现有传统技术的不足。该模块光路简单、结构紧凑，并且易于集成，同时具备差分检测方法的优势。通过使用偏振光栅代替传统的PBS，有利于与柔性电路和小型光电探测器一起构建差分检测模块，进一步缩小检测装置的体积，为仪器小型化和芯片化应用奠定基础。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于偏振光栅的小角度差分检测模块，该模块包括1/4波片、偏振光栅、光电探测器以及信号采集与处理单元，另外利用检测激光器、起偏器、碱金属气室来配合检测模块进行角度检测。所述检测激光器连接起偏器，所述起偏器通过气室连接1/4波片，所述1/4波片其快轴与起偏器透光轴方向同轴，所述偏振光栅入光侧通过1/4波片接收检测光路上的线偏振光，所述偏振光栅出光侧设置有分别连接信号采集与处理单元的第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器用于接收所述偏振光栅的+1级衍射光并输出+1级衍射光光强信号，所述第二光电探测器用于接收所述偏振光栅的-1级衍射光并输出-1级衍射光光强信号，所述信号采集与处理单元以+1级衍射光光强和-1级衍射光光强为参数计算出所述线偏振光的旋光角。所述+1级衍射光为左旋圆偏振光，所述-1级衍射光为右旋圆偏振光。
所述1/4波片为单点波长的真零级器件。
所述偏振光栅为液晶聚合物偏振光栅。
所述1/4波片将线偏振光旋光角转换为椭圆偏振光椭圆率角。设所述线偏振光旋光角为θ，线偏振光振幅为A，所述椭圆偏振光椭圆率角为χ，椭圆半长轴为a，椭圆半短轴为b，则：
a＝Acosθ
b＝A·|-isinθ|＝Asinθ
所述信号采集与处理单元包括信号加法器和信号差分器，所述信号加法器通过将+1级衍射光光强信号与-1级衍射光光强信号相加得到第一电信号Vadd，所述信号差分器将+1级衍射光光强信号与-1级衍射光光强信号相减得到第二电信号V2f，设所述+1级衍射光光强为I+，所述-1级衍射光光强为I-，则：
Vadd＝K(I++I-)
V2f＝K(I+-I-)
其中K为光电转换系数。
所述旋光角为θ，则：
一种基于偏振光栅的小角度差分检测方法，其特征在于，采用上述基于偏振光栅的小角度差分检测模块，并包括以下步骤：
将气室放入1/4波片和起偏器之间，且入射光从气室中心垂直通过，线偏振光经过气室后产生一个旋光角，此时偏振方向与1/4波片的快轴方向存在一个夹角，入射到偏振光栅的光为椭圆偏振光，出射的+1级和-1级衍射光光强比值与入射光椭偏度相关，两个方向上的光强分量产生差异，由此计算得到气室引入产生的线偏振光旋光角。
本发明的技术效果如下：在检测光路上同时设置1/4波片和偏振光栅，利用1/4波片将线偏振光的旋光角转换为椭圆偏振光的椭圆率角，然后利用偏振光栅其+1级和-1级衍射光光强比值与入射光椭偏度相关的特性进行差分检测，有利于缩小检测装置的体积，为仪器小型化和芯片化应用奠定基础。
附图说明
图1是实施本发明一种基于偏振光栅的小角度差分检测模块结构示意图。
附图标记列示如下：1-检测激光器；2-起偏器；3-气室；4-1/4波片；5-偏振光栅；6-信号采集与处理单元；PD1-第一光电探测器(探测+1级衍射光或左旋圆偏振光或正一阶衍射光)；PD2-第二光电探测器(探测-1级衍射光或右旋圆偏振光或负一阶衍射光)。
具体实施方式
下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种基于偏振光栅的小角度差分检测模块结构示意图。参考图1所示，一种基于偏振光栅的小角度差分检测模块，包括1/4波片4、偏振光栅5、第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2以及信号采集与处理单元6，所述偏振光栅5入光侧通过1/4波片4接收检测光路上的线偏振光，所述偏振光栅5出光侧设置有分别连接信号采集与处理单元6的第一光电探测器PD1和第二光电探测器PD2，所述第一光电探测器PD1用于接收所述偏振光栅5输出的+1级衍射光并输出+1级衍射光光强信号，所述第二光电探测器PD2用于接收所述偏振光栅5输出的-1级衍射光并输出-1级衍射光光强信号，所述信号采集与处理单元6以+1级衍射光光强和-1级衍射光光强为参数计算出所述线偏振光的旋光角。设所述+1级衍射光光强为I+，所述-1级衍射光光强为I-，所述旋光角为θ，则：
所述1/4波片4将线偏振光旋光角转换为椭圆偏振光椭圆率角，所述+1级衍射光为左旋圆偏振光，所述-1级衍射光为右旋圆偏振光。设所述线偏振光旋光角为θ，线偏振光振幅为A，所述椭圆偏振光椭圆率角为χ，椭圆半长轴为a，椭圆半短轴为b，则：
a＝Acosθ
b＝A·|-isinθ|＝Asinθ
所述偏振光栅5为液晶聚合物偏振光栅。所述1/4波片4为单点波长的真零级器件。所述1/4波片4通过气室3连接起偏器2，所述起偏器2连接检测激光器1。
所述信号采集与处理单元6包括信号加法器和信号差分器，所述信号加法器通过将+1级衍射光光强信号与-1级衍射光光强信号相加得到第一电信号Vadd，所述信号差分器将+1级衍射光光强信号与-1级衍射光光强信号相减得到第二电信号V2f，则：
Vadd＝K(I++I-)
V2f＝K(I+-I-)
其中K为光电转换系数。
一种基于偏振光栅的小角度差分检测方法，采用上述基于偏振光栅的小角度差分检测模块，并包括以下步骤：将气室放入1/4波片和起偏器之间，且入射光从气室中心垂直通过，线偏振光经过气室后产生一个旋光角，此时偏振方向与1/4波片的快轴方向存在一个夹角，入射到偏振光栅的光为椭圆偏振光，出射的+1级和-1级衍射光光强比值与入射光椭偏度相关，两个方向上的光强分量产生差异，由此计算得到气室引入产生的线偏振光旋光角。
一种基于偏振光栅的小角度差分检测模块和检测方法，该模块包括1/4波片、偏振光栅、光电探测器以及信号采集与处理单元，与其相配合的器部件有检测激光器、起偏器、碱金属气室。其特征在于：在检测光路上同时设置1/4波片和偏振光栅，利用1/4波片将线偏振光的旋光角转换为椭圆偏振光的椭圆率角，然后利用偏振光栅其+1级和-1级衍射光光强比值与入射光椭偏度相关的特性进行差分检测。
偏振光栅是一种基于入射光的偏振态实现选择性分光的衍射光学元件。通过控制入射光的偏振态，偏振光栅能够调控正一阶和负一阶之间的能量分布。当线偏振光垂直入射时，偏振光栅同时有+1级和-1级衍射光，+1级衍射光为左旋圆偏振光，-1级衍射光为右旋圆偏振光，两束光强大小相等；当入射光为右旋圆偏振光时，则只有+1级衍射光，衍射光为左旋圆偏振光；当入射光为左旋圆偏振光时，则只有-1级衍射光，衍射光为右旋圆偏振光；当入射光为椭圆偏振光时，则同时存在+1级和-1级衍射光，并且两级衍射光束光强比值与入射光椭偏度相关。其±1级的衍射角度取决于光栅线数，可以根据需求进行设计，因此可以使整个检测模块结构更紧凑，有利于缩小其体积。
一种基于偏振光栅的小角度差分检测模块，该模块包括1/4波片、偏振光栅、光电探测器以及信号采集与处理单元，另外利用检测激光器、起偏器、碱金属气室以来配合检测模块进行角度检测。
其中，起偏器目的是将光束调制为线偏振光，1/4波片优选为单点波长的真零级器件，其快轴与起偏器透光轴方向同轴，两个小型化光电探测器PD1和PD2分别位于偏振光栅的+1级和-1级处，用于探测+1级和-1级衍射光的光强。偏振光栅优选为液晶聚合物偏振光栅。
一种基于偏振光栅的差分检测方法，利用上述的基于偏振光栅的差分检测模块，该方法包括以下步骤：
将气室放入1/4波片和起偏器之间，且入射光从气室中心垂直通过，线偏振光经过气室后产生一个旋光角，此时偏振方向与1/4波片的快轴方向存在一个夹角，入射到偏振光栅的光为椭圆偏振光，出射的+1级和-1级衍射光光强比值与入射光椭偏度相关，两个方向上的光强分量产生差异，由此计算得到气室引入产生的线偏振光旋光角。
具体而言，将偏振光栅+1级衍射光对应的光强记为I+，-1级衍射光对应的光强记为I-，然后分别由PD1和PD2两个光电探测器所检测，输出相应的电信号，再经过信号采集与处理单元，得到
Vadd＝KIadd＝K(I++I-)
V2f＝KI2f＝K(I+-I-)
其中，Vadd和V2f为信号采集与处理单元输出的电压值，分别代表信号加法器和信号差分器的输出值，K为光电转换系数。
然后进行下列计算：
得到待测碱金属气室的旋光角信息。
本发明的工作原理如下：
激光器出射的光经过起偏器2后得到的线偏振光的琼斯矢量E0为：
其中，A为线偏振光的振幅。
假设经过装有样品的气室后线偏光产生的旋光角为θ，则气室的琼斯矩阵Jcell可表示为：
四分之一波片的琼斯矩阵JQW为：
则传播到偏振光栅处的光矢量E1为：
从E1的矢量矩阵可以看出，入射到偏振光栅的光是椭圆偏振光，由于旋光角θ很小，因此椭圆的半长轴a＝Acosθ，椭圆的半短轴b＝A·|-isinθ|＝Asinθ，则椭圆率角χ为:
χ的正负分别对应于右旋椭圆偏振光和左旋椭圆偏振光，因此椭圆率角χ与旋光角θ的大小相等。
光束入射到偏振光栅上后，共存在三个衍射级次：0级、+1级、-1级。
0级光的偏振态和传播方向与入射光相同，衍射效率为：其中η0为0级衍射效率，τ为双折射相位延迟量。
+1级和-1级衍射光的偏振态分别为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，其衍射效率分别为：
其中s′3为表征入射光圆偏振组分的归一化的斯托克斯参数，τ为双折射相位延迟量，η+1为+1级衍射效率，η-1为-1级衍射效率。
两个光电探测器探测的是+1级和-1级衍射光的光强，根据上式可求出s′′3：
由于电流和衍射效率具备如下的关系：
I＝c|E1|2·η＝cA2η⑼
其中，I为光电探测器的输出电流，c为系统参数，η为衍射效率。
故可进一步得s′3：
由归一化斯托克斯参数定义可知：
s′3＝sin(2χ)⑾
故由式(5)、式(10)和式(11)可计算出旋光角为：
本发明一种基于偏振光栅的小角度差分检测模块和检测方法，光路简单、结构紧凑，并且易于集成，同时具备差分检测方法的优势。通过使用偏振光栅代替传统的PBS，与柔性电路和小型光电探测器一起构建了差分检测模块，进一步缩小了检测模块的体积，为仪器小型化和芯片化应用奠定了基础。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于偏振光栅的小角度差分检测模块，其特征在于，包括1/4波片、偏振光栅、光电探测器以及信号采集与处理单元，所述偏振光栅入光侧通过1/4波片接收检测光路上的线偏振光，所述偏振光栅出光侧设置有分别连接信号采集与处理单元的第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器用于接收所述偏振光栅输出的+1级衍射光并输出+1级衍射光光强信号，所述第二光电探测器用于接收所述偏振光栅输出的-1级衍射光并输出-1级衍射光光强信号，所述信号采集与处理单元以+1级衍射光光强和-1级衍射光光强为参数计算出所述线偏振光的旋光角；
所述1/4波片通过气室连接起偏器，所述起偏器连接检测激光器；
将气室放入1/4波片和起偏器之间，且入射光从气室中心垂直通过，线偏振光经过气室后产生一个旋光角，此时偏振方向与1/4波片的快轴方向存在一个夹角，入射到偏振光栅的光为椭圆偏振光，出射的+1级和-1级衍射光光强比值与入射光椭偏度相关，两个方向上的光强分量产生差异，由此计算得到气室引入产生的线偏振光旋光角；
所述1/4波片将线偏振光旋光角转换为椭圆偏振光椭圆率角，所述+1级衍射光为左旋圆偏振光，所述-1级衍射光为右旋圆偏振光；
设线偏振光振幅为A，所述椭圆偏振光椭圆率角为χ，椭圆半长轴为a，椭圆半短轴为b，所述+1级衍射光光强为I+，所述-1级衍射光光强为I-，所述旋光角为θ，则：
a＝Acosθ
b＝A·|-isinθ|＝Asinθ
利用得到旋光角θ。
2.根据权利要求1所述的基于偏振光栅的小角度差分检测模块，其特征在于，所述偏振光栅为液晶聚合物偏振光栅。
3.根据权利要求1所述的基于偏振光栅的小角度差分检测模块，其特征在于，所述1/4波片为单点波长的真零级器件。
4.一种基于偏振光栅的小角度差分检测方法，其特征在于，采用上述权利要求1-3之一所述的基于偏振光栅的小角度差分检测模块。
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