CN116953949A - 一种包含二向色镜的保偏系统、光学设备 - Google Patents

Abstract

一种包含二向色镜的保偏系统包括：一光源，其被配置为发出一第一波长的偏振光；一第一二向色镜；一第二二向色镜，第一二向色镜的反射面与第二二向色镜的反射面彼此正交；一第三二向色镜，第二二向色镜的透射面与第三二向色镜的透射面彼此正交；一载物台；第一波长的偏振光依次经过第一二向色镜和第二二向色镜的分束面反射形成一反射光，反射光进入待测物品，待测物品受到反射光激发产生一第二波长的信号光，信号光沿反射光的逆方向依次经过第二二向色镜和第三二向色镜的分束面透射形成一透射光，第一波长不等于第二波长。本发明灵活应用二向色镜将反射保偏和透射保偏紧密结合，有利于促进激光通信等技术的发展。

Description

一种包含二向色镜的保偏系统、光学设备

技术领域

本发明涉及激光通信和光学测量技术领域，具体涉及一种包含二向色镜的保偏系统和包含该保偏系统的光学设备。

背景技术

偏振光可以应用于激光通信和光学测量等技术领域。在激光通信领域，偏振光的偏振态作为自由空间量子通信中量子信息的载体，根据偏振光的偏振态对信号编码，有利于量子通信的保密性；在基础物理学科，待测物品的材料特性可以通过对待测物品受到激发产生的信号光进行分析得到，所述信号光所携带的偏振信息可以反映出待测物品的材料特性；同时偏振光的探测在气象学、基础医学、金属学及金属工艺等领域都较为重要，因此偏振光在光学系统中传播时，其偏振信息的保持(即保偏)至关重要。目前技术大多采用反射镜或者光纤保持偏振光的偏振状态，这些系统只是实现了反射保偏或透射保偏其中之一，无法同时实现反射保偏和透射保偏，无法满足偏振光偏振状态的灵活应用。

发明内容

本发明提供了一种二向色镜组成的保偏系统，采用彼此正交的二向色镜，有效解决偏振光在光学系统中传播时，光学元件会改变偏振光的偏振状态的问题，同时灵活应用二向色镜的反射波段和透射波段的相应特点，将反射保偏和透射保偏紧密结合，并达到对透射光和反射光均实现高的传输效率。所谓正交包括入射面正交和透射面正交，入射面为入射光线与法线所成平面，也就是反射光线与法线所成平面；透射面为透射光线与法线所成平面，透射光线也称之为折射光线，透射面也称之为折射面，其中二向色镜的法线为二向色镜的分束面的法线，分束器的法线为分束器的分束面的法线，平面反射镜的法线为平面反射镜的镜面的法线。

本发明提供了一种包含分束器的保偏系统，包括一光源，其被配置为发出一第一波长的偏振光；一第一二向色镜；一第二二向色镜，该第一二向色镜的入射面与该第二二向色镜的入射面彼此正交；一第三二向色镜，该第二二向色镜的透射面与该第三二向色镜的透射面彼此正交；一载物台，其被配置为承载一待测物品；其中，该第一波长的偏振光依次经过该第一二向色镜和该第二二向色镜的分束面反射形成一反射光，该反射光进入该待测物品，该待测物品受到该反射光激发产生一第二波长的信号光，该信号光沿该反射光的逆方向依次经过该第二二向色镜和该第三二向色镜的分束面透射形成一透射光，该透射光从该第三二向色镜的分束面透射而出，该第一波长不等于该第二波长。

可选的，该第一二向色镜、该第二二向色镜和该第三二向色镜的分束面的光学性能相同，该第一波长小于该第二波长。

可选的，该第一二向色镜、该第二二向色镜、该第三二向色镜均具有如下参数：反射波段是380-533纳米，透射波段是565-800纳米；或者反射波段是400-633纳米，透射波段是685-1600纳米；或者反射波段是400-785纳米，透射波段是825-1300纳米；或者反射波段是520-985纳米，透射波段是1020-1550纳米。

可选的，该第一波长偏振光位于该第一二向色镜、该第二二向色镜的反射波段内；该第二波长信号光位于该第二二向色镜、该第三二向色镜的透射波段内。

可选的，该光源包括一激光器、一第一偏振片、一二分之一波片、一第一四分之一波片，该激光器、该第一偏振片、该二分之一波片依次固定于第一光路中，该第一四分之一波片被设置为能够被移入或移出该第一光路。

可选的，本发明提供的一种包含分束器的保偏系统，还包括设置于该载物台下方且镜面朝向该载物台的一底面反射镜；或者还包括设置于该第二分束器与该载物台之间的一第一显微物镜或第一凸透镜；或者还包括设置于该第二分束器与该载物台之间的一第一显微物镜或第一凸透镜，设置于该载物台下方且镜面朝向该载物台的一底面反射镜；或者还包括设置于该第二分束器与该载物台之间的一第一显微物镜或第一凸透镜，设置于该载物台下方且镜面朝向该载物台的一底面反射镜，设置于该载物台与该底面反射镜之间的一第二显微物镜或第二凸透镜。

可选的，本发明提供的一种包含分束器的保偏系统，还包括一第一反射元件、一第二反射元件，该第一反射元件的入射面与该第二反射元件的入射面彼此正交，该第一反射元件和该第二反射元件在光的传输方向上依次位于该信号光经该第二二向色镜透射后的第二光路中并对该第二光路中的光进行反射；该第一反射元件为第一平面反射镜，且该第二反射元件为第二平面反射镜，该第一平面反射镜与该第二平面反射镜的镜面的光学性能相同；或者该第一反射元件为第一分束器，且该第二反射元件为第二分束器，该第一分束器与该第二分束器的分束面的光学性能相同；或者该第一反射元件为第四二向色镜，且该第二反射元件为第五二向色镜，该第四二向色镜与该第五二向色镜的分束面的光学性能相同。

可选的，在该第二光路中光的传播方向上依次设置有：该第三二向色镜、该第一反射元件、该第二反射元件；或者在该第二光路中光的传播方向上依次设置有：该第一反射元件、该第三二向色镜、该第二反射元件；或者在该第二光路中光的传播方向上依次设置有：该第一反射元件、该第二反射元件、该第三二向色镜。

可选的，本发明提供的一种包含分束器的保偏系统，还包括一检偏系统，其被配置为检测该保偏系统的出射光的偏振状态；该检偏系统包括一第二四分之一波片、一第二偏振片、一光电探测器，该保偏系统的出射光依次经过该第二四分之一波片和该第二偏振片后进入该光电探测器进行偏振信息的采集与分析。

本发明还提供了一种包括上述保偏系统的光学设备。本发明提供了一种二向色镜组成的保偏系统利用彼此正交的第一二向色镜和第二二向色镜实现了反射保偏和利用彼此正交的第二二向色镜和第三二向色镜实现了透射保偏，并实现了反射高效率和透射高效率。

附图说明

图1为本发明提供的保偏系统实施例1的光路图。

图2为本发明提供的保偏系统实施例1的结构设计图。

图3为本发明提供的保偏系统实施例2的光路图。

图4为本发明提供的保偏系统实施例2的结构设计图。

图5为本发明提供的保偏系统实施例3的结构设计图。

图6为本发明提供的保偏系统中光源的构成示意图。

图7为本发明提供的保偏系统中检偏系统的构成示意图。

图8为本发明提供的另一种保偏系统光路图。

图9为本发明提供的另一种保偏系统光路图。

图10为本发明提供的另一种保偏系统光路图。

附图标记说明：

1：第一二向色镜

2：第二二向色镜

3：第三二向色镜

4：激光器

5：第一显微物镜

6：载物台

7：光源

8：信号光

9：第一平面反射镜

10：第二平面反射镜

13：第一偏振片

14：二分之一波片

15：第一四分之一波片

16：检偏系统

17：反射光

18：第二四分之一波片

19：第二偏振片

20：光电探测器

21：底面反射镜

22：第二凸透镜

具体实施方式

实施例1：

结合图1和图2，实施例1提供一种包含二向色镜的保偏系统，包括：

一光源7，其被配置为发出一第一波长的偏振光；

一第一二向色镜1；

一第二二向色镜2，第一二向色镜1的入射面与第二二向色镜2的入射面彼此正交；

一第三二向色镜3，第二二向色镜2的透射面与第三二向色镜3的透射面彼此正交；

一载物台6，其被配置为承载一待测物品(图中未画出)；

其中，该第一波长的偏振光依次经过第一二向色镜1和第二二向色镜2的分束面反射形成一反射光17，反射光17进入待测物品，该待测物品受到反射光17激发产生一第二波长的信号光8，信号光8沿该反射光的逆方向依次经过第二二向色镜2和第三二向色镜3的分束面透射形成一透射光，该透射光从第三二向色镜3的分束面透射而出，第一波长不等于第二波长。

需要说明的是，本发明中光学元件A的入射面/透射面与光学元件B的入射面/透射面彼此正交的含义包括：当光学元件A与光学元件B之间有其他光学元件时，光学元件A的入射面/透射面经过该其他光学元件后与光学元件B的入射面/透射面正交。

例如：第一二向色镜1的入射面与第二二向色镜2的入射面彼此正交，其含义包括：当第一二向色镜1与第二二向色镜2之间没有其他光学元件时，第一二向色镜1的入射面与第二二向色镜2的入射面直接正交；当第一二向色镜1与第二二向色镜2之间有其他光学元件时，第一二向色镜1的入射面经过该其他光学元件后与第二二向色镜2的入射面正交。进一步举例，第一二向色镜1与第二二向色镜2之间有一反射元件，那么第一二向色镜1的入射面经过该反射元件反射后形成的平面与第二二向色镜2的入射面正交。同理，第二二向色镜2的透射面与第三二向色镜3的透射面彼此正交，其含义包括：当第二二向色镜2与第三二向色镜3之间没有其他光学元件时，第二二向色镜2的透射面与第三二向色镜3的透射面直接正交；当第二二向色镜2与第三二向色镜3之间有其他光学元件时，第二二向色镜2的透射面经过该其他光学元件后与第三二向色镜3的透射面正交。进一步举例，第二二向色镜2与第三二向色镜3之间有一反射元件，那么第二二向色镜2的透射面经过该反射元件反射后形成的平面与第三二向色镜3的透射面正交。

第一二向色镜1的分束面平行于y方向并且与x方向成45°夹角，第二二向色镜2的分束面平行于z方向并且与x方向成45°夹角。本申请文件中，一平面与一坐标轴方向成a夹角，指的是以该坐标轴的坐标原点为圆心，该坐标轴方向绕该圆心逆时针旋转a角度，该旋转角度a的范围是0°-180°，例如，第一二向色镜1的分束面与x方向成45°夹角，指的是第一二向色镜1的分束面以x轴的坐标原点为圆心，该x方向绕该圆心逆时针旋转45角度到达第一二向色镜1的分束面。这样，第一二向色镜1的入射面与第二二向色镜2的入射面彼此正交，即第一二向色镜1的入射面为平面x-z，第二二向色镜2的入射面为平面x-y；第二二向色镜2的分束面平行于z方向并且与x方向成45°夹角，第三二向色镜3的分束面平行于x方向并且与y方向成45°夹角。这样，第二二向色镜2的透射面与第三二向色镜3的透射面彼此正交，即第二二向色镜2的透射面为平面x-y，第三二向色镜3的透射面为平面y-z。

二向色镜(Dichroic Mirrors)，又称为双色镜，其具有透射波段和反射波段。对于波长处于透射波段内的光，二向色镜具有高的透射率，即透射传输效率高。例如可以达到90％的透射率。对于波长处于反射波段内的光，二向色镜具有高的反射率，即反射传输效率高。例如可以达到99％的反射率。

光源7发出的第一波长的偏振光依次经过第一二向色镜1和第二二向色镜2的分束面反射。第一波长位于第一二向色镜1的反射波段内，且位于第二二向色镜2的反射波段内。这样光源7发出的第一波长的偏振光在第一二向色镜1和第二二向色镜2中任一个的反射率都很高(例如都高于95％)，光源7发出的第一波长的偏振光依次经过第一二向色镜1和第二二向色镜2的分束面反射后的整体效率都很高，即对反射光实现了高的传输效率。

反射光17进入载物台6上的待测物品，载物台6上的待测物品受到反射光17激发产生一第二波长的信号光8，第二波长的信号光8沿反射光17逆方向依次经过第二二向色镜2和第三二向色镜3的分束面透射，透射光从第三二向色镜3的分束面透射而出。第二波长位于第二二向色镜2的透射波段内，且位于第三二向色镜3的透射波段内。这样第二波长的信号光8在第二二向色镜2和第三二向色镜3中任一个的透射率都很高，信号光8依次经过第二二向色镜2和第三二向色镜3的分束面透射后的整体效率都很高，即对透射光实现了高的传输效率。

具体地，光源7发出的第一波长的偏振光沿z方向以45°的入射角进入第一二向色镜1的分束面，经第一二向色镜1的分束面以45°的反射角沿负x方向反射，反射光以45°的入射角进入第二二向色镜2的分束面，经第二二向色镜2的分束面以45°的反射角沿负y方向反射，产生反射光17，由于第一二向色镜1和第二二向色镜2的入射面彼此正交，从而实现反射光的保偏；反射光17作为激发光进入载物台6，载物台6上的待测物品受到反射光17激发产生一第二波长的信号光8，例如荧光。第二波长的信号光8沿y方向以45°的入射角进入第二二向色镜2的分束面，经第二二向色镜2的分束面沿y方向透射，透射光以45°的入射角进入第三二向色镜3的分束面，经第三二向色镜3的分束面沿y方向透射而出。由于第二二向色镜2和第三二向色镜3的透射面彼此正交，从而实现透射光的保偏。

需要说明的是，待测物品受到反射光17激发产生信号光8，这里的“激发”产生的信号光8可以是待测物品被激发后自主发出的光，也可以是反射光17照射到待测物品后被进一步调制或处理得到的光。但反射光17的波长不等于信号光8的波长。示例性的，待测物品可以为以下任意一种或其组合：液体溶剂等可穿透物体，具有微纳结构的物体，细胞、微生物等。不同的待测物品和应用场景下，反射光17进入待测物品后激发产生信号光8可以采用不同的激发收集光路。图1所示的保偏系统还包括设置于第二分束器2与载物台6之间的一第一显微物镜5。反射光17作为激发光经第一显微物镜5聚焦进入载物台。可选的，第一显微物镜5替换为第一凸透镜。在一个示例性的实施方式中，第一显微物镜5被省去，反射光17直接照射到待测物品上。在一个示例性的实施方式中，如图8所示，保偏系统还包括设置于载物台6下方且镜面朝向载物台6的一底面反射镜21。底面反射镜21对来自其上方的待测物品的光反射回待测物品。图8中底面反射镜21示例为平面反射镜。在一个示例性的实施方式中，如图9所示，保偏系统还包括设置于第二分束器2与待测物品之间的一第一显微物镜5或第一凸透镜，设置于待测物品下方且镜面朝向待测物品的一底面反射镜21。图9中底面反射镜21示例为平面反射镜。可选的，第二分束器2与待测物品之间有第一凸透镜时，底面反射镜21为凹面反射镜。待测物品放置于底面反射镜21上方，底面反射镜21设置于载物台6下方，且镜面朝向载物台。在一个示例性的实施方式中，如图10所示，保偏系统还包括设置于第二分束器2与载物台6之间的一第一显微物镜5或第一凸透镜，设置于载物台6下方且镜面朝向载物台6的一底面反射镜21，设置于载物台6与底面反射镜21之间的一第二显微物镜或第二凸透镜22。图10中底面反射镜21示例为平面反射镜。第一显微物镜5或第一凸透镜用于将反射光17聚焦到待测物品，并收集待测物品向上发出的信号光(尤其是大角度的信号光)调整成平行光射向第二分束器2。第二显微物镜或第二凸透镜22用于将待测物品向下的发出的信号光调整成平行光垂直射向底面反射镜21，并将底面反射镜21反射回的信号光聚焦至待测物品。底面反射镜21能够将来自待测物品的信号光反射回去，从而提高光通量，大大提升信号的收集效率。

光源7发出的第一波长的偏振光依次经过第一二向色镜1和第二二向色镜2的分束面反射，实现反射保偏的原理如下。

光源7发出的第一波长的偏振光用含有两正交偏振分量的琼斯矢量表示，其表达为：

式中：E_s0表示垂直于第一二向色镜1的入射面x-z的振幅，E_p0表示平行于第一二向色镜1的入射面x-z的振幅。

光源7发出的第一波长的偏振光，以45°的入射角进入第一二向色镜1的分束面，由菲涅尔公式可知：

其中E_s、E_p分别为垂直、平行于第一二向色镜1的入射面x-z的出射振幅，E_s0、E_p0分别为垂直、平行于第一二向色镜1的入射面x-z的入射振幅，δ_s、δ_p分别为垂直、平行于第一二向色镜1的入射面x-z的两偏振分量的相位改变量，r_s1、r_p1分别为垂直、平行于第一二向色镜1的入射面x-z的反射系数，其大小与入射角45°和第一二向色镜的分束面的光学性能有关。

第一二向色镜1的反射传输矩阵可表达为：

若第一二向色镜1与第二二向色镜2的分束面的光学性能相同，则

r_s1＝r_s2

r_p1＝r_p2。

r_s2、r_p2分别为垂直、平行于第二二向色镜2的入射面x-y的反射系数，其大小与入射角和二向色镜的分束面的光学性能有关，令

r_s＝r_s1＝r_s2

r_p＝r_p1＝r_p2。

若第一二向色镜1的入射面与第二二向色镜2的入射面彼此正交且这两个二向色镜的分束面的光学性能相同，振幅沿y方向振动的偏振分量，相对于第一二向色镜1为垂直于入射面的S光，其反射光相对于第二二向色镜2为平行于入射面的P光；同理振幅沿x方向振动的偏振分量，相对于第一二向色镜1为平行于入射面的P光，其反射光相对于第二二向色镜2为垂直于入射面的S光。由此可得偏振光经上述两二向色镜的分束面反射的传输矩阵R为：

则光源7发出的第一波长的偏振光经上述两个二向色镜的分束面反射，得到的反射光17可表达为：

故光源7发出的第一波长的偏振光依次经过第一二向色镜1和第二二向色镜2的分束面反射，两正交偏振分量的改变量相同，因此偏振信息不会改变。由此可知偏振光经过满足上述条件，即两二向色镜的入射面彼此正交且两二向色镜的分束面的光学性能相同时，两二向色镜可保持其反射光17的偏振状态与光源7发出的第一波长的偏振光的偏振状态相同，即实现了反射保偏。

在一个可选的实施方式中，第一二向色镜1与第二二向色镜2对相同偏振光的偏振状态的改变能力相同。通常，第一二向色镜1的分束面与第二二向色镜2的分束面的光学性能相同。第一二向色镜1与第二二向色镜2的材料相同、反射透射比相同。通常选择型号相同的二向色镜作为第一二向色镜1和第二二向色镜2。

通常第一二向色镜1、第二二向色镜2反射波段为：380-533纳米或者400-633纳米或者400-785纳米或者520-985纳米。本申请文件中，反射波段指的是当偏振光的波长位于该波段时，其反射率很高，例如大于百分之九十五。例如，某一二向色镜的反射波段为380-533纳米，波长为450纳米的偏振光将以大于百分之九十五的反射率在该二向色镜的分束面反射。光源7发出的第一波长的偏振光位于第一二向色镜1、第二二向色镜2的反射波段内，则光源7发出的第一波长的偏振光分别经过第一二向色镜1、第二二向色镜2反射时的反射效率都大于百分之九十五，经过第一二向色镜1和第二二向色镜2的分束面反射时总的反射效率大于百分之九十。由此，对反射光实现了高的传输效率。

综上所述，光源7发出的第一波长的偏振光依次被第一二向色镜1和第二二向色镜2反射后得到反射光17，同时实现了反射保偏和反射高效率。

第二波长的信号光8依次经过第二二向色镜2和第三二向色镜3的分束面透射，实现透射保偏的原理如下。

第二波长的信号光8用含有两正交偏振分量的琼斯矢量表示，其表达为：

式中：E_s0′表示垂直于第二二向色镜2的透射面x-y的入射振幅，E_p0′表示平行于第二二向色镜2的透射面x-y的入射振幅。

第二波长的信号光8以45°的入射角进入第二二向色镜2的分束面，由菲涅尔公式可知，

其中E_s′、E_p′分别为垂直、平行于第二二向色镜2的透射面x-y的出射振幅，E_s0′、E_p0′分别为垂直、平行于第二二向色镜2的透射面x-y的入射振幅，δ_s、δ_p分别为垂直、平行于第二二向色镜2的透射面x-y的两偏振分量的相位改变量，t_s1、t_p1分别为垂直、平行于第二二向色镜2的透射面x-y的透射系数，其大小与入射角和第二二向色镜的分束面的光学性能有关。

第二二向色镜2的透射传输矩阵可表达为：

若第二二向色镜2与第三二向色镜3的分束面的光学性能相同，则

t_s1＝t_s2

t_p1＝t_p2。

t_s2、t_p2分别为垂直、平行于第三二向色镜3的透射面y-z的透射系数，其大小与入射角和第三二向色镜的分束面的光学性能有关，令

t_s＝t_s1＝t_s2

t_p＝t_p1＝t_p2。

若第二二向色镜2的透射面与第三二向色镜3的透射面彼此正交且这两个二向色镜的分束面的光学性能相同，振幅沿z方向振动的偏振分量，相对于第二二向色镜2为垂直于透射面的S光，其透射光相对于第三二向色镜3为平行于透射面的P光；同理振幅沿x方向振动的偏振分量，相对于第二二向色镜2为平行于入射面的P光，其透射光相对于第三二向色镜3为垂直于透射面的S光。由此可得偏振光经上述两二向色镜的分束面透射的传输矩阵T为

则第二波长的信号光8经上述两个二向色镜的分束面透射，得到的透射光可表达为：

故第二波长的信号光8经第二二向色镜2和第三二向色镜3的分束面透射，两正交偏振分量的改变量相同，因此偏振状态不会改变。由此可知偏振光经过满足上述条件，即两二向色镜的透射面彼此正交且两二向色镜的分束面的光学性能相同时，两二向色镜可保持其透射光的偏振状态与第二波长的信号光8的偏振状态相同，即实现了透射保偏。

在一个可选的实施方式中，第二二向色镜2与第三二向色镜3对相同偏振光的偏振状态的改变能力相同。通常，第二二向色镜2的分束面与第三二向色镜3的分束面的光学性能相同。第二二向色镜2与第三二向色镜3的材料相同、反射透射比相同。通常选择型号相同的二向色镜作为第二二向色镜2与第三二向色镜3。可选的，第一二向色镜1、第二二向色镜2和第三二向色镜3的分束面的光学性能相同，这样能够更好地确保反射和透射的保偏效果。通常，第一波长小于第二波长，这样反射光17的能量足够以激发待测物品产生信号光8。

通常第二二向色镜2、第三二向色镜3透射波段为：565-800纳米或者685-1600纳米或者1020-1550纳米。本申请文件中，透射波段指的是当偏振光的波长位于该波段时，其透射率很高，例如大于百分之九十。例如，某一二向色镜的透射波段为565-800纳米，波长为650纳米的偏振光将以大于百分之九十的透射率在该二向色镜的分束面透射。第二波长的信号光8位于第二二向色镜2、第三二向色镜3的透射波段内，则第二波长的信号光8分别经过第二二向色镜2、第三二向色镜3透射时的透射效率都大于百分之九十，经过第二二向色镜2和第三二向色镜3的分束面透射时总的透射效率大于百分之八十。由此，对透射光实现了高的传输效率。

综上所述，信号光8依次被第二二向色镜2和第三二向色镜3透射后得到透射光，同时实现了透射保偏和透射高效率。

光源7被配置为发出频率和偏振方向固定的偏振光；或者被配置为发出频率可调、偏振方向可调的偏振光。

结合图6所示的一种光源7，光源7包括一激光器4、一偏振片13、一二分之一波片14、一可拆卸四分之一波片15，其中激光器4、偏振片13、二分之一波片14依次固定于第一光路中，四分之一波片15可以按照需求移动，以移入或移出该第一光路。激光器4发出激光沿z方向进入偏振片13，使激光变为具有一定偏振角度的线偏光，该线偏光沿z方向进入二分之一波片14后，可转动二分之一波片14得到任意偏振角度线偏光；调节二分之一波片14与四分之一波片15的偏振夹角(例如45°或135°)可得到左旋或右旋圆偏光。四分之一波片15移入光路时，激光器4发出的光依次通过偏振片13、二分之一波片14和四分之一波片15。四分之一波片15移出光路时，激光器4发出的光依次通过偏振片13、二分之一波片14。通过图5所示光源7，可以发出频率固定/可调的偏振方向可调的偏振光，适应不同场景下对不同偏振光的需求。

通常，激光器4为单色激光器，其波长为532纳米或633纳米或785纳米等。

在一个示例性的实施方式中，包括二向色镜的保偏系统还包括一第一反射元件、一第二反射元件，该第一反射元件的入射面与该第二反射元件的入射面彼此正交，该第一反射元件和该第二反射元件在光的传输方向上依次位于该信号光经该第二二向色镜透射后的第二光路中并对该第二光路中的光进行反射。这里，反射元件指的是具有至少有一个反射面的光学元件。例如，平面反射镜、二向色镜、分束器等。该信号光经该第二二向色镜透射后，依次被入射面彼此正交的该第一反射元件和该第二反射元件反射后能够保持偏振状态，其原理如上文第一波长的偏振光依次被入射面彼此正交的第一二向色镜1和第二二向色镜2反射后保持偏振状态相同，在此不再赘述。

可选的，该第一反射元件为第一平面反射镜，且该第二反射元件为第二平面反射镜，该第一平面反射镜与该第二平面反射镜的镜面的光学性能相同。可选的，该第一反射元件为第一分束器，且该第二反射元件为第二分束器，该第一分束器与该第二分束器的分束面的光学性能相同。可选的，该第一反射元件为第四二向色镜，且该第二反射元件为第五二向色镜，该第四二向色镜与该第五二向色镜的分束面的光学性能相同。

在信号光8的传播路径上，第二二向色镜2、第三二向色镜3、第一反射元件和第二反射元件的相对位置可以根据实际应用场景进行调整。

可选的，在该第二光路中光的传播方向上依次设置有：该第三二向色镜、该第一反射元件、该第二反射元件。也就是说，信号光8依次经过该第二二向色镜透射、该第三二向色镜透射、该第一反射元件反射、该第二反射元件反射。此时，第二二向色镜与第三二向色镜之间没有其他光学元件，第二二向色镜的透射面与第三二向色镜透射面直接正交。第一反射元件与第二反射元件之间没有其他光学元件，第一反射元件的入射面与第二反射元件的入射面直接正交。

可选的，在该第二光路中光的传播方向上依次设置有：该第一反射元件、该第三二向色镜、该第二反射元件。也就是说，信号光8依次经过该第二二向色镜透射、该第一反射元件反射、该第三二向色镜透射、该第二反射元件反射。此时，第二二向色镜与第三二向色镜之间有第一反射元件，第二二向色镜的透射面经过该第一反射元件反射后形成的平面与第三二向色镜透射面正交。第一反射元件与第二反射元件之间有第三二向色镜，第一反射元件的入射面经过该第三二向色镜透射后与第二反射元件的入射面正交。

可选的，在该第二光路中光的传播方向上依次设置有：该第一反射元件、该第二反射元件、该第三二向色镜。也就是说，信号光8依次经过该第二二向色镜透射、该第一反射元件反射、该第二反射元件反射、该第三二向色镜透射。此时，第二二向色镜与第三二向色镜之间有第一反射元件和第二反射元件，第二二向色镜的透射面依次经过该第一反射元件反射和第二反射元件反射后形成的平面与第三二向色镜透射面正交。第一反射元件与第二反射元件之间没有其他光学元件，第一反射元件的入射面与第二反射元件的入射面直接正交。

下面以该第一反射元件为第一平面反射镜，且该第二反射元件为第二平面反射镜为例阐述保偏系统的结构和工作原理。第一反射元件和第二反射元件采用其他类型光学元件时，保偏系统的结构和工作原理可毫无疑义地知道，不再重复阐述。

实施例2：

结合图3和图4，实施例2提供另一种包括二向色镜的保偏系统，包括一光源7、一第一二向色镜1、一第二二向色镜2、一第三二向色镜3、一第一平面反射镜9、一第二平面反射镜10、一显微物镜5、一载物台6、一检偏系统16。图2所示保偏系统中与图1相同的部分参照图1及其描述，图2中增加了第一平面反射镜9与第二平面反射镜10。第一平面反射镜9与第二平面反射镜10的入射面彼此正交，即第一平面反射镜9的入射面为平面y-z，第二平面反射镜10的入射面为平面x-z。光源7发出的第一波长的偏振光沿z方向以45°的入射角进入第一二向色镜1的分束面，经第一二向色镜1的分束面以45°的反射角沿负x方向反射，反射光以45°的入射角进入第二二向色镜2的分束面，经第二二向色镜2的分束面以45°的反射角沿负y方向反射，反射光17作为激发光经显微物镜5聚焦进入载物台6；载物台6上的待测物品(图中未画出)受到激发产生第二波长的信号光8，例如荧光。第二波长的信号光8沿y方向以45°的入射角进入第二二向色镜2的分束面，经第二二向色镜2的分束面沿y方向透射，透射光以45°的入射角进入第三二向色镜3的分束面，经第三二向色镜3的分束面沿y方向透射，透射光再以45°的入射角进入第一平面反射镜9的分束面，经第一平面反射镜9的分束面以45°的反射角沿z方向反射，反射光以45°的入射角进入第二平面反射镜10的分束面，经第二平面反射镜10的分束面以45°的反射角沿负x方向反射，反射光沿负x方向进入检偏系统16。经第三二向色镜3透射而出的透射光经第一平面反射镜9反射后的反射光进入第二平面反射镜10被反射而出。第一平面反射镜9的入射面和第二平面反射镜10的入射面彼此正交，使得从第三二向色镜3出射的透射光经过第一平面反射镜9和第二平面反射镜10反射后依然实现保偏。第一平面反射镜9和第二平面反射镜10对相同的偏振光的偏振状态的改变能力相同。通常，第一平面反射镜9和第二平面反射镜10的反射面的光学性能相同。第一平面反射镜9和第二平面反射镜10的材料相同、反射比相同。可以选择型号相同的第一平面反射镜9和第二平面反射镜10。这样，入射光经过第一二向色镜1、第二二向色镜2，实现了反射光保偏；待测物品发出的信号光8依次经过第二二向色镜2、第三二向色镜3、第一平面反射镜9、第二平面反射镜10，实现透射光的保偏。并且第二平面反射镜10的出射光沿着x-z平面(即水平平面)，较为方便收集偏振信息。

实施例3

结合图5，图5所示的第三二向色镜3位于透射光路中的第一平面反射镜9和第二平面反射镜10之间。即可以如图4所示将第三二向色镜3放置于透射光路中的第二二向色镜2和第一平面反射镜9之间，也可以如图5所示将第三二向色镜3放置于透射光路中的第一平面反射镜9和第二平面反射镜10之间。这两种放置方法均满足反射保偏和透射保偏的要求。这样，光源7发出的第一波长的偏振光经过第一二向色镜1、第二二向色镜2，实现了反射光保偏；待测物品发出的第二波长的信号光8依次经过第二二向色镜2、第一平面反射镜9、第三二向色镜3、第二平面反射镜10，实现透射光的保偏。

结合图7所示的一种检偏系统16，检偏系统16包括一第二四分之一波片18、一第二偏振片19、一光电探测器20。上述保偏系统的出射光依次经过第二四分之一波片18和第二偏振片19，进入光电探测器20进行偏振信息的采集与分析。其中第二四分之一波片18、第二偏振片19、光电探测器20依次固定于光路中，其中第二四分之一波片18可以按照需求以光轴为圆心转动，第二偏振片19的透射轴固定，其中光轴为光束中心线，透射轴为第二偏振片19所能透射的偏振光的偏振方向。从第二平面反射镜10反射出的偏振光，沿负x方向进入第二四分之一波片18，使偏振光变为具有一定偏振信息的椭圆偏振光，该椭圆偏振光沿负x方向进入第二偏振片19，其沿第二偏振片19透射轴方向偏振的偏振信息被光电探测器采集并记录，以第二四分之一波片18的光轴为圆心转动某一角度θ，从第二平面反射镜10反射出的偏振光依次经过该转动角度θ的第二四分之一波片18、第二偏振片19、光电探测器20，其沿第二偏振片19透射轴方向偏振的偏振信息再一次被光电探测器采集并记录，以第二四分之一波片18的光轴为圆心转动另一角度β，采集并记录此时偏振光沿第二偏振片19透射轴方向偏振的偏振信息，重复此过程多次(例如7次)，可得从第二平面反射镜10反射出的偏振光依次经过第二四分之一波片18(分别转动不同角度)、第二偏振片19、光电探测器20的偏振信息(例如共八个结果)，其中第一次没有转动第二四分之一波片18，视为其转动角度为0°，分析这些偏振信息可以得到从第二平面反射镜10反射出的偏振光的偏振态，从而验证本发明是否达到保偏效果。

本发明还提供了一种包括上述保偏系统的光学设备，例如光谱仪。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种包含二向色镜的保偏系统，其特征在于，包括：

一光源，其被配置为发出一第一波长的偏振光；

一第一二向色镜；

一第二二向色镜，所述第一二向色镜的入射面与所述第二二向色镜的入射面彼此正交；

一第三二向色镜，所述第二二向色镜的透射面与所述第三二向色镜的透射面彼此正交；

一载物台，其被配置为承载一待测物品；

其中，所述第一波长的偏振光依次经过所述第一二向色镜和所述第二二向色镜的分束面反射形成一反射光，所述反射光进入所述待测物品，所述待测物品受到所述反射光激发产生一第二波长的信号光，所述信号光沿所述反射光的逆方向依次经过所述第二二向色镜和所述第三二向色镜的分束面透射形成一透射光，所述透射光从所述第三二向色镜的分束面透射而出，所述第一波长不等于所述第二波长。

2.根据权利要求1所述的保偏系统，其特征在于，所述第一二向色镜、所述第二二向色镜和所述第三二向色镜的分束面的光学性能相同，所述第一波长小于所述第二波长。

3.根据权利要求2所述的保偏系统，其特征在于，所述第一二向色镜、所述第二二向色镜、所述第三二向色镜均具有如下参数：反射波段是380-533纳米，透射波段是565-800纳米；或者反射波段是400-633纳米，透射波段是685-1600纳米；或者反射波段是400-785纳米，透射波段是825-1300纳米；或者反射波段是520-985纳米，透射波段是1020-1550纳米。

4.根据权利要求1所述的保偏系统，其特征在于，所述第一波长偏振光位于所述第一二向色镜、所述第二二向色镜的反射波段内；所述第二波长信号光位于所述第二二向色镜、所述第三二向色镜的透射波段内。

5.根据权利要求1所述的保偏系统，其特征在于，所述光源包括一激光器、一第一偏振片、一二分之一波片、一第一四分之一波片，所述激光器、所述第一偏振片、所述二分之一波片依次固定于第一光路中，所述第一四分之一波片被设置为能够被移入或移出所述第一光路。

6.根据权利要求1所述的保偏系统，其特征在于，还包括设置于所述载物台下方且镜面朝向所述载物台的一底面反射镜；或者

还包括设置于所述第二分束器与所述载物台之间的一第一显微物镜或第一凸透镜；或者

还包括设置于所述第二分束器与所述载物台之间的一第一显微物镜或第一凸透镜，设置于所述载物台下方且镜面朝向所述载物台的一底面反射镜；或者

还包括设置于所述第二分束器与所述载物台之间的一第一显微物镜或第一凸透镜，设置于所述载物台下方且镜面朝向所述载物台的一底面反射镜，设置于所述载物台与所述底面反射镜之间的一第二显微物镜或第二凸透镜。

7.根据权利要求1所述的保偏系统，其特征在于，还包括一第一反射元件、一第二反射元件，所述第一反射元件的入射面与所述第二反射元件的入射面彼此正交，所述第一反射元件和所述第二反射元件在光的传输方向上依次位于所述信号光经所述第二二向色镜透射后的第二光路中并对所述第二光路中的光进行反射；

所述第一反射元件为第一平面反射镜，且所述第二反射元件为第二平面反射镜，所述第一平面反射镜与所述第二平面反射镜的镜面的光学性能相同；或者所述第一反射元件为第一分束器，且所述第二反射元件为第二分束器，所述第一分束器与所述第二分束器的分束面的光学性能相同；或者所述第一反射元件为第四二向色镜，且所述第二反射元件为第五二向色镜，所述第四二向色镜与所述第五二向色镜的分束面的光学性能相同。

8.根据权利要求7所述的保偏系统，其特征在于，在所述第二光路中光的传播方向上依次设置有：所述第三二向色镜、所述第一反射元件、所述第二反射元件；或者

在所述第二光路中光的传播方向上依次设置有：所述第一反射元件、所述第三二向色镜、所述第二反射元件；或者

在所述第二光路中光的传播方向上依次设置有：所述第一反射元件、所述第二反射元件、所述第三二向色镜。

9.根据权利要求1所述的保偏系统，其特征在于，还包括一检偏系统，其被配置为检测所述保偏系统的出射光的偏振状态；所述检偏系统包括一第二四分之一波片、一第二偏振片、一光电探测器，所述保偏系统的出射光依次经过所述第二四分之一波片和所述第二偏振片后进入所述光电探测器进行偏振信息的采集与分析。

10.一种光学设备，其特征在于，所述光学设备包括权利要求1-9任一项所述的保偏系统。