CN115014532A - 一种基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，包括物镜、轴向位移控制器、分束器、横向偏振筒镜、带有亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的横向偏振数字相机、带有亚波长单元结构阵列矢量的偏振转换器、线偏振滤波器、轴向偏振筒镜、不带有亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的轴向偏振数字相机、进行波前恢复与相位重构的信号处理模块、位移调整装置。本发明的有益效果：利用亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器，取代了复杂的偏振测量系统，使系统简化，提高了集成度、稳定性以及抗干扰能力，使得偏振检测更为快速、简捷；增加了圆偏振分量的测量，实现了全斯托克斯量的测量，使测量的横向偏振参数更完备。
Description
技术领域
本发明属于光学探测技术领域，具体为一种基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统。
背景技术
偏振是描述电磁波电场振动方向的物理量，该物理量不会因为光强的衰减发生变化，故基于偏振的光学探测与通信具有很强的抗干扰能力，此外，偏振也是评估激光光束的重要参数。目前，激光通讯、偏振成像、激光系统、激光约束聚变等对激光光场偏振全矢量三维检测设备需求迫切。
目前对于横向偏振检测中主要用斯托克斯量对其进行描述，斯托克斯量S为一个四维向量[S0 S1 S2 S3]T，其中S0为光束的光强，S1为水平方向线偏振光强与垂直方向线偏振光强之差，数值为+1说明是完全水平偏振光，-1则完全垂直偏振光；S2为45°方向线偏振光强与-45°方向线偏振光强之差，数值为+1说明完全+45°偏振光，-1则表示完全-45°偏振光；S3为右旋偏振光强与左旋偏振光强之差，数值为+1说明完全右旋圆偏振光，-1则完全左旋圆偏振光。
目前常用的偏振检测仪器可分为分时型偏振仪、分振幅型偏振仪和微偏振阵列型偏振仪。分时型偏振仪在测量过程中需旋转偏振片，所以速度较慢，且元件多，体积庞大、系统复杂。分振幅型偏振仪检测时对目标光进行多次分束，需光电探测器4个以上，系统更复杂，成本高元件多，体积庞大。而目前的微偏振阵列型偏振检测设备只能获取线偏振信息，即只能进行部分斯托克斯量的检测。以上三种偏振检测设备由于各自的缺陷使其应用场景有较大的限制。同时现有的光场偏振测量仪器都只能测量横向偏振光场，光场的轴向偏振分量及其空间三维分布的测量技术尚未见报道，光场偏振全矢量三维测试装备更是处于研究空白。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供了一种基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，克服现有技术缺陷并填补当前偏振测量参数不完备的技术空白的问题。
本发明测量系统采用了基于亚波长单元阵列的偏振转换与滤波器件，取代传统体式光学元件，极大地减小了系统体积、提高了集成度和抗干扰能力，并能够测量圆偏振，从而实现了全斯托克斯量的测量，同时实现了现有设备无法做到的轴向偏振的检测，为基于偏振的光学通信与探测以及激光偏振测量供了更为简单、便捷、实时、可靠且测量参数更完备的设备。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，包括物镜、轴向位移控制器、分束器、横向偏振筒镜、带有亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的横向偏振数字相机、带有亚波长单元结构阵列矢量的偏振转换器、线偏振滤波器、轴向偏振筒镜、不带有亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的轴向偏振数字相机、进行波前恢复与相位重构的信号处理模块、位移调整装置；轴向位移控制器被配置为实现物镜的轴向位置调节；分束器与物镜相对设置，分束器被配置为将待检测光束波前分为两束孔径相同且面型一致的波前，并将两束波前分别照射至横向偏振测量臂和轴向偏振测量臂；横向偏振筒镜、横向偏振数字相机沿光路方向依次相对设置组成横向偏振测量臂，偏振转换器、线偏振滤波器、轴向偏振筒镜、轴向偏振数字相机沿光路方向依次相对设置组成轴向偏振测量臂；信号处理模块被配置为基于从横向偏振数字相机、轴向偏振数字相机获得的干涉图像完成待测光束的波前信息重建；位移调整装置被配置为将物镜、横向偏振筒镜、轴向偏振筒镜同时移出或移入光路，分别实现对非聚焦、聚焦光束的测量。
进一步的，所述的物镜被配置为将聚焦光束通过物镜准直后照射到分束器上，经过准直的聚焦光束中的轴向偏振被转换为径向偏振。
进一步的，所述的轴向位移控制器实现物镜轴向位置调节，以实现光束轴向偏振三维空间分布的测量。
进一步的，所述的分束器被配置为将光束分为两束面型、强度相同的光束，并分别照射至横向偏振测量臂和轴向偏振测量臂。
进一步的，所述的横向偏振数字相机中偏振滤波器的每个全斯托克斯量滤波单元为正方形，包含四个正方形亚波长结构单元，分别实现光强、水平线偏振光强、45°线偏振光强、右旋偏振光强的测量，能对入射光束进行全斯托克斯量的滤波，进而由数字相机对经过滤波的光束进行成像。
进一步的，所述的四个正方形亚波长结构单元分别为透过率为0.5的透光面、垂直亚波长光栅结构面、-45°亚波长光栅结构面、长宽比均为2:1并呈竖列状的水平亚波长结构和45°倾斜亚波长结构间隔布置的亚波长结构阵列。
进一步的，所述的偏振转换器中亚波长单元结构阵列可划分为n个相邻的宽度为一个亚波长单元结构的同心圆环，每个圆环上从最上面的亚波长单元结构开始，相邻单元结构相差相同的旋转角度，以此实现径向偏振转换为线偏振。
进一步的，所述的轴向位移控制器、横向偏振筒镜、轴向偏振筒镜移入光路时，实现对聚焦光束横向偏振与轴向偏振的测量；轴向位移控制器、横向偏振筒镜、轴向偏振筒镜移出光路时，实现对非聚焦光束横向偏振全斯托克斯量的测量。
进一步的，当被测光束为聚焦光束时，用位移调整装置将物镜、横向偏振筒镜、轴向偏振筒镜移入光路，光束经过物镜准直后，照射至分束器，分束器将光束分为两束面型、强度相同的光束，分别照射至横向偏振测量臂和轴向偏振测量臂，进入横向偏振测量臂的光束经过横向偏振筒镜聚焦照射至横向偏振数字相机进行偏振检测，进入轴向偏振测量臂的光束经过偏振转换器，将轴向偏振对应的径向偏振转换为垂直方向线偏振，其余偏振分量则被转换为水平方向线偏振，再经过线偏振滤波器滤除水平方向偏振分量，最后经过轴向偏振筒镜聚焦至轴向偏振数字相机上进行成像，最后两数字相机采集的图像由信号处理模块进行处理，通过轴向位移控制器扫描物镜，可以获得被检测光场的轴向偏振的三维空间分布；当被测光束为非聚焦光时，光束直接照射至横向偏振数字相机进行成像，并由信号处理模块对图像进行处理。
本发明测量系统的工作原理在于：当待测光束为非聚焦光束时，轴向偏振较少，只需测量横向偏振，测量时直接通过亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器滤出光束的各偏振分量并用横向偏振数字相机进行成像。当待测光束为聚焦光束时，对横向偏振的测量与非聚焦光束的横向偏振测量原理相同，对轴向偏振的检测，先将轴向偏振转换为径向偏振并用线偏振滤波器将其筛选出来，最后用数字相机进行成像，并且通过物镜径向方向的扫描可获得被检测光场的轴向偏振的三维空间分布。本测量采用亚波长单元结构阵列偏振转换与滤波器件，取代传统体式光学元件，极大地减小了仪器体积和系统复杂度、提高了集成度和抗干扰能力，并实现了轴向偏振及其空间三维分布的测量，为基于偏振的通信、成像、探测以及激光光束偏振态测量提供了更为准确可靠的装置。可满足复杂环境下实时、精确的偏振测量。
本发明实现的功能：解决目前分时偏振测量仪、分振幅偏振测量仪系统复杂、体积庞大、速度较慢的缺点，使得偏振测量更为快速、简捷；解决目前微偏振阵列型偏振仪无法实现全斯托克斯量检测的问题，使得偏振测量更为准确；实现轴向偏振的测量，对于当前基于偏振的光学通信与探测以及激光偏振的测量具有重要意义。
本发明的有益效果：
1.本发明利用亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器，相对传统的分时偏振测量仪与分振幅偏振测量仪，取代了复杂的偏振测量系统，使系统简化，提高了集成度、稳定性以及抗干扰能力，使得偏振检测更为快速、简捷；相对于微偏振阵列型偏振仪，增加了圆偏振分量的测量，实现了全斯托克斯量的测量，使测量的横向偏振参数更完备，为基于偏振检测的通信与探测提供了更便捷可靠的设备。
2.本发明利用偏振转换与滤波，通过将轴向偏振通过物镜准直转换为径向偏振，再将径向偏振通过亚波长单元结构阵列矢量的偏振转换器转换为线偏振，最后通过线偏振滤波器将其滤出，从而实现了轴向偏振的检测，填补了当前轴向偏振检测的技术空白，同时通过空间扫描测量能够测量光束轴向偏振的空间分布，能为激光偏振检测提供现有设备无法测量的重要参数。
3.本发明的仪器结构上采用共光路设计，实现了对聚焦光束与非聚焦光束偏振测量的功能集成，减少了多余元件造成的调节不便和干扰，整体具有结构简单、体积小、集成度高、精度高、速度快、不易受环境干扰且能实时检测的优点。
4.本发明可广泛应用于激光通信、激光偏振雷达、高功率激光偏振合束、矢量光场研究等领域。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的横向偏振数字相机中亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的结构示意图。
图3是本发明的横向偏振数字相机中亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的单个亚波长结构单元的结构示意图。
图4是本发明的横向偏振数字相机中亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的圆偏振滤波阵列中一个亚波长结构单元的示意图。
图5是本发明的偏振转换器中亚波长单元结构阵列矢量的结构示意图。
图6是图5中的A处放大图。
图7是本发明的测量方法流程图。
图中：1-物镜，2-轴向位移控制器，3-分束器，4-横向偏振筒镜，5-横向偏振数字相机，6-偏振转换器，7-线偏振滤波器，8-轴向偏振筒镜，9-轴向偏振数字相机，10-信号处理模块，11-位移调整装置。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
实施例1：
参考图1~图7所示，一种基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，包括物镜1、轴向位移控制器2、分束器3、横向偏振筒镜4、带有亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的横向偏振数字相机5、带有亚波长单元结构阵列矢量的偏振转换器6、线偏振滤波器7、轴向偏振筒镜8、不带有亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的轴向偏振数字相机9、进行波前恢复与相位重构的信号处理模块10、位移调整装置11。
当被测光束为聚焦光束时，用位移调整装置11将物镜1、横向偏振筒镜4、轴向偏振筒镜8移入光路，光束经过物镜1准直后，照射至分束器3，分束器3将光束分为两束面型、强度相同的光束，分别照射至横向偏振测量臂和轴向偏振测量臂。进入横向偏振测量臂的光束经过横向偏振筒镜4聚焦照射至横向偏振数字相机5进行偏振检测。进入轴向偏振测量臂的光束经过偏振转换器6，将轴向偏振对应的径向偏振转换为垂直方向线偏振，其余偏振分量则被转换为水平方向线偏振，再经过线偏振滤波器7滤除水平方向偏振分量，最后经过轴向偏振筒镜8聚焦至轴向偏振数字相机9上进行成像。最后两数字相机采集的图像由信号处理模块10进行处理，通过轴向位移控制器2扫描物镜1，可以获得被检测光场的轴向偏振的三维空间分布。当被测光束为非聚焦光时，光束直接照射至横向偏振数字相机5进行成像，并由信号处理模块10对图像进行处理。
实施例2：
参考图1~图7所示，一种基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，物镜1被配置为将聚焦光束通过物镜1准直后照射到分束器3上，经过准直的聚焦光束中的轴向偏振被转换为径向偏振。
轴向位移控制器2被配置为实现物镜1的轴向位置调节，轴向位移控制器2实现物镜1轴向位置调节，以实现光束轴向偏振三维空间分布的测量。
分束器3与物镜1相对设置，分束器3被配置为将待检测光束波前分为两束孔径相同且面型一致的波前，并将两束波前分别照射至横向偏振测量臂和轴向偏振测量臂。或者说，分束器3被配置为将光束分为两束面型、强度相同的光束，并分别照射至横向偏振测量臂和轴向偏振测量臂。
横向偏振筒镜4、横向偏振数字相机5沿光路方向依次相对设置组成横向偏振测量臂。
横向偏振数字相机5中偏振滤波器的每个全斯托克斯量滤波单元为正方形，包含四个正方形的亚波长结构单元，分别实现光强、水平线偏振光强、45°线偏振光强、右旋偏振光强的测量，每个亚波长结构的最优设计由电磁学有限时域差分法结合优化算法给出，能对入射光束进行全斯托克斯量的滤波，进而由数字相机对经过滤波的光束进行成像。
四个正方形的亚波长结构单元分别为透过率为0.5的透光面、垂直亚波长光栅结构面、-45°亚波长光栅结构面、亚波长结构阵列，其中亚波长结构阵列包括间隔布置的水平亚波长结构竖列和45°倾斜亚波长结构竖列，其中亚波长结构的长宽比为2:1。
偏振转换器6、线偏振滤波器7、轴向偏振筒镜8、轴向偏振数字相机9沿光路方向依次相对设置组成轴向偏振测量臂。
偏振转换器6的亚波长结构根据几何相位的原理进行相位调控，偏振转换器6中亚波长单元结构阵列可划分为n个相邻的宽度为一个亚波长单元结构的同心圆环，每个圆环上从最上面的亚波长单元结构开始，相邻单元结构相差相同的旋转角度，从而旋转一周之后单元结构恢复初始状态，以此实现径向偏振转换为线偏振。
信号处理模块10被配置为基于从横向偏振数字相机5、轴向偏振数字相机9获得的干涉图像完成待测光束的波前信息重建。位移调整装置11被配置为将物镜1、横向偏振筒镜4、轴向偏振筒镜8同时移出或移入光路，分别实现对非聚焦、聚焦光束的测量。
轴向位移控制器2、横向偏振筒镜4、轴向偏振筒镜8移入光路时，实现对聚焦光束横向偏振与轴向偏振的测量。轴向位移控制器2、横向偏振筒镜4、轴向偏振筒镜8移出光路时，实现对非聚焦光束横向偏振全斯托克斯量的测量。
当待测光束为聚焦光束时，位移调整装置11将横向偏振筒镜4、轴向偏振筒镜8、轴向位移控制器2移入光路，其中物镜1被置于轴向位移控制器2上，轴向位移控制器2被被配置为调节物镜1的轴向空间位置。聚焦光束通过物镜的准直后照射到分束器3上，此过程中聚焦光束的轴向偏振分量被转换成径向偏振分量。分束器3将入射光束分为两束面型、强度相同的光束，分别照射至横向偏振筒镜4、偏振转换器6，横向偏振筒镜4将入射光束聚焦后照射至带有亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的横向偏振数字相机5上，进行成像测量横向偏振。带有亚波长单元结构阵列矢量的偏振转换器6将入射光束的径向偏振转换为垂直方向的线偏振态，其余偏振分量转换成水平方向的线偏振态并照射至线偏振滤波器7上。线偏振滤波器7滤除入射光中的水平偏振分量并照射至轴向偏振筒镜8，轴向偏振筒镜8将入射光束聚焦后照射至轴向偏振数字相机9上，进行成像测量轴向偏振。信号处理模块10将量数字相机拍摄的图像进行处理，此外通过轴向位移控制器2使物镜1在轴向移动进行扫描，可测得轴向偏振分量的三维空间分布。
当入射光为非聚焦光时，轴向偏振很小可以忽略，位移调整装置11将横向偏振筒镜4、轴向偏振筒镜8、轴向位移控制器2移出光路，待测光束经过分束器3后直接照射到带有亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的横向偏振数字相机5上，进行成像测量横向偏振，信号处理模块10对该图像进行处理。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。
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 (9)
1.一种基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，其特征在于：包括物镜（1）、轴向位移控制器（2）、分束器（3）、横向偏振筒镜（4）、带有亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的横向偏振数字相机（5）、带有亚波长单元结构阵列矢量的偏振转换器（6）、线偏振滤波器（7）、轴向偏振筒镜（8）、不带有亚波长单元结构阵列斯托克斯偏振滤波器的轴向偏振数字相机（9）、进行波前恢复与相位重构的信号处理模块（10）、位移调整装置（11）；
轴向位移控制器（2）被配置为实现物镜（1）的轴向位置调节；
分束器（3）与物镜（1）相对设置，分束器（3）被配置为将待检测光束波前分为两束孔径相同且面型一致的波前，并将两束波前分别照射至横向偏振测量臂和轴向偏振测量臂；
横向偏振筒镜（4）、横向偏振数字相机（5）沿光路方向依次相对设置组成横向偏振测量臂，偏振转换器（6）、线偏振滤波器（7）、轴向偏振筒镜（8）、轴向偏振数字相机（9）沿光路方向依次相对设置组成轴向偏振测量臂；
信号处理模块（10）被配置为基于从横向偏振数字相机（5）、轴向偏振数字相机（9）获得的干涉图像完成待测光束的波前信息重建；
位移调整装置（11）被配置为将物镜（1）、横向偏振筒镜（4）、轴向偏振筒镜（8）同时移出或移入光路，分别实现对非聚焦、聚焦光束的测量。
2.根据权利要求1所述的基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，其特征在于：所述的物镜（1）被配置为将聚焦光束通过物镜（1）准直后照射到分束器（3）上，经过准直的聚焦光束中的轴向偏振被转换为径向偏振。
3.根据权利要求1所述的基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，其特征在于：所述的轴向位移控制器（2）实现物镜（1）轴向位置调节，以实现光束轴向偏振三维空间分布的测量。
4.根据权利要求1所述的基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，其特征在于：所述的分束器（3）被配置为将光束分为两束面型、强度相同的光束，并分别照射至横向偏振测量臂和轴向偏振测量臂。
5.根据权利要求1所述的基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，其特征在于：所述的横向偏振数字相机（5）中偏振滤波器的每个全斯托克斯量滤波单元为正方形，包含四个正方形亚波长结构单元，分别实现光强、水平线偏振光强、45°线偏振光强、右旋偏振光强的测量，能对入射光束进行全斯托克斯量的滤波，进而由数字相机对经过滤波的光束进行成像。
6.根据权利要求5所述的基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，其特征在于：所述的四个正方形亚波长结构单元分别为透过率为0.5的透光面、垂直亚波长光栅结构面、-45°亚波长光栅结构面、长宽比均为2:1并呈竖列状的水平亚波长结构和45°倾斜亚波长结构间隔布置的亚波长结构阵列。
7.根据权利要求1、5或6所述的基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，其特征在于：所述的偏振转换器（6）中亚波长单元结构阵列划分为n个相邻的宽度为一个亚波长单元结构的同心圆环，每个圆环上从最上面的亚波长单元结构开始，相邻单元结构相差相同的旋转角度，以此实现径向偏振转换为线偏振。
8.根据权利要求1所述的基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，其特征在于：所述的轴向位移控制器（2）、横向偏振筒镜（4）、轴向偏振筒镜（8）移入光路时，实现对聚焦光束横向偏振与轴向偏振的测量；轴向位移控制器（2）、横向偏振筒镜（4）、轴向偏振筒镜（8）移出光路时，实现对非聚焦光束横向偏振全斯托克斯量的测量。
9.根据权利要求1所述的基于亚波长单元结构的三维偏振测量系统，其特征在于：当被测光束为聚焦光束时，用位移调整装置（11）将物镜（1）、横向偏振筒镜（4）、轴向偏振筒镜（8）移入光路，光束经过物镜（1）准直后，照射至分束器（3），分束器（3）将光束分为两束面型、强度相同的光束，分别照射至横向偏振测量臂和轴向偏振测量臂，进入横向偏振测量臂的光束经过横向偏振筒镜（4）聚焦照射至横向偏振数字相机（5）进行偏振检测，进入轴向偏振测量臂的光束经过偏振转换器（6），将轴向偏振对应的径向偏振转换为垂直方向线偏振，其余偏振分量则被转换为水平方向线偏振，再经过线偏振滤波器（7）滤除水平方向偏振分量，最后经过轴向偏振筒镜（8）聚焦至轴向偏振数字相机（9）上进行成像，最后两数字相机采集的图像由信号处理模块（10）进行处理，通过轴向位移控制器（2）扫描物镜（1），获得被检测光场的轴向偏振的三维空间分布；当被测光束为非聚焦光时，光束直接照射至横向偏振数字相机（5）进行成像，并由信号处理模块（10）对图像进行处理。
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2022
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