CN117367577A - 基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学探测技术领域，具体提供一种基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器，入射光经过空间光调制模块调制后以特定的空间光场形式照射在非局域色散器件上，由于空间光场中光的偏振态和光谱不同，空间光场照射到非局域色散器件上会产生相应的透射强度分布，光接收模块对透射强度分布进行成像，再通过信息分析模块对透射强度分布进行分析，输出入射光的高维强度、偏振及光谱信息。本发明能够对偏振态随波长变化光的高维度信息进行高精度探测，只需要单个探测器的单次测量即可获取准确的强度、偏振和光谱信息，极大降低了现有偏振光谱成像系统的复杂度以及测量的时间成本，对偏振光谱成像系统的小型化和轻量化具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及光学探测技术领域，具体提供一种基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器。
背景技术
偏振光谱复用探测技术可以对目标的偏振态信息及光谱信息进行同时探测，具有信息密度高和信息维度多等优点，其能够直接反映出目标的材料组成、表面纹理以及化学组成，实现对目标的多维度信息提取，从而有效识别目标。偏振光谱复用探测技术在天体探测、生物学识别、遥感、医疗诊断等领域有着广泛的应用。
但传统的偏振光谱复用探测技术，一般通过组合多个偏振探测器和光谱仪的方式来实现。其中偏振探测器和光谱仪，一般采用以下两种方式进行信息提取分析：一是分时法，将不同的偏振或者光谱信息对应的响应按照时间上的序列进行排布，再分别进行提取分析；二是分振幅法，利用金属线栅等偏振选择元件或者棱镜等色散元件将不同的偏振或者光谱信息分散到不同的空间位置处，再分别进行提取分析。但无法实现宽光谱的偏振光谱复用探测的同时实现成像功能。此外，现有方法还存在两个问题：一是偏振光谱信息是分开进行提取的，所以当对全斯托克斯偏振态和超宽光谱进行复用探测时，其所需要的探测单元数目或探测总时间会几何级数倍增长，使得其无法满足在小型化或快速探测领域的应用需求；二是这种组合的探测方式只能得到在固定波长处的强度和偏振态或某一固定偏振态下的光谱和强度信息。对于在宽光谱上偏振和强度随波长发生变化的实际应用(例如耀变体发出的光或倾斜入射下薄膜体系的反射光等)，无法给出真正准确的结果。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器，能够在宽光谱范围内在单次测量下实现对偏振光谱高维信息的探测及成像，该探测器为超紧凑、高维度光电成像探测器的研究开辟了新的道路。
本发明提供的基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器，包括：空间光调制模块、非局域色散器件、光接收模块和信息分析模块；
入射光经过空间光调制模块调制形成空间光场，由于空间光场中光的偏振态和光谱不同，空间光场照射到非局域色散器件上会产生相应的透射强度分布，光接收模块接收透射强度分布并进行成像，信息分析模块对透射强度分布进行分析，输出入射光的高维强度、偏振及光谱信息。
优选的，空间光调制模块包括光束准直组件、偏振分束组件和光束汇聚组件，光束准直组件用于对入射光进行准直；偏振分束组件用于改变入射光的偏振态；光束汇聚组件用于对入射光进行汇聚。
优选的，非局域色散器件可采用界面、单层薄膜结构、多层薄膜结构、超构表面、光子晶体、二维材料异质结器件或多孔散射介质。
优选的，非局域色散器件产生的透射强度分布中任意点强度满足以下公式：
其中，A表示空间光场的振幅，Tp(θ，λ)表示在入射角为θ时，所述非局域色散器件对于p偏振态光的透射率谱；
Ts(θ，λ)表示在入射角为θ时，所述非局域色散器件对于s偏振态光的透射率谱；
P(ψ，δ)表示电场为Ei＝A[cosψ sinψeiδ]T的光偏振态，ψ表示偏振光的振幅角，其中，δ表示x与y方向电场间的相位差异，表示透射强度分布中任意点的方位角，η表示非局域色散器件中p和s分量间的相位延迟；
和/>均为常系数。
优选的，非局域色散器件由8层透明薄膜组成，依次为：二氧化钛膜、二氧化硅膜、二氧化钛膜、单晶石英膜、氟化镁晶体膜、二氧化钛膜、二氧化硅膜和二氧化钛膜。
优选的，光接收模块采用光学相机，用于接收透射强度分布。
优选的，信息分析模块通过残差神经网络对透射强度分布进行分析。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明能够对偏振态随波长变化光的高维度信息进行高精度探测，只需要单个探测器的单次测量即可获取准确的强度、偏振和光谱信息，极大降低了现有偏振光谱成像系统的复杂度以及测量的时间成本，对偏振光谱成像系统的小型化和轻量化具有重要意义。
本发明的应用波段不受材料限制，通过选择合适的材料来设计非局域色散器件，能够实现对任何所需波段的偏振光谱高维信息的探测和成像，并且无需与光谱仪进行组合。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器的组成示意图；
图2是根据本发明实施例提供的在400-900nm宽波段工作的非局域色散器件的结构示意图；
图3是根据本发明实施例提供的采用400-900nm宽波段非局域色散器件在动量空间获得的透射强度分布的结果图。
其中的附图标记包括：
入射光1、光束准直组件2、偏振分束组件3、光束汇聚组件4、非局域色散器件5、二氧化钛膜5-1、二氧化硅膜5-2、单晶石英膜5-3、氟化镁晶体膜5-4、光接收模块6、信息分析模块7。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明实施例提供的基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器，主要由空间光调制模块、非局域色散器件5、光接收模块6和信息分析模块7组成，通过单次测量即可实现入射光1的高维偏振光谱信息的探测和成像，入射光1即可是射入的信号光，也可是自发的光源，通常包括连续波激光器、卤素灯等在内的功率密度较低的所有种类光源或待测信号光等。
空间光调制模块主要用于对入射光1进行整形和调整偏振态，最终获得需要的空间光场，入射光1进入空间光调制模块后，依次经过光束准直组件2、偏振分束组件3和光束汇聚组件4。光束准直组件2用于对入射光1进行准直，经过光束准直组件2后，入射光1以近似平行的状态在空间中传输，光束准直组件2可选用现有的透镜组。准直后的入射光1进入偏振分束组件3，偏振分束组件3对入射光1的偏振特性进行调节，使入射光1中的各部分光分别产生所需要的偏振态，偏振分束组件3由偏振片等偏振选择元件组成。偏振特性调节后的入射光1进入光束汇聚组件4，光束汇聚组件4将入射光1进行汇聚，以特定的空间光分布射入非局域色散器件5，光束汇聚组件4包含显微物镜、透镜、微透镜、微透镜阵列或超透镜等对光束汇聚能力较强的光学元件。
非局域色散器件5用于调制入射的空间光场，其作用在于对不同偏振态和不同入射光谱产生特定的透射强度分布，非局域色散器件5产生的透射强度分布中任意点的强度满足以下公式：
其中，A表示空间光场的振幅，Tp(θ，λ)表示在入射角为θ时，所述非局域色散器件对于p偏振态光的透射率谱；
Ts(θ，λ)表示在入射角为θ时，所述非局域色散器件对于s偏振态光的透射率谱；
P(ψ，δ)表示电场为Ei＝A[cosψ sinψeiδ]T的光偏振态，ψ表示偏振光的振幅角，且(tanψ＝Eyo/Exo)，其中，δ表示x与y方向电场间的相位差异，且(δ＝δy-δx)，表示透射强度分布中任意点的方位角，η表示非局域色散器件中p和s分量间的相位延迟；
和/>均为与P、/>和η相关的常系数，其中
此外，为了得到更高的高维信息探测精度，需要先利用仿真计算、粒子群优化等方法对非局域色散器件5进行设计，使得非局域色散器件5的透射率谱中的多个谐振峰在所需波段均匀分布，再将设计的非局域色散器件5的特性参数代入以上公式，最终即可得到动量空间中透射强度分布。
根据非局域色散器件5的工作波段，利用电介质、金属、半导体材料、铁磁材料、二维材料等材料进行设计。非局域色散器件5的结构形式主要可采用界面、单层薄膜结构、多层薄膜结构、超构表面、光子晶体、二维材料异质结器件或多孔散射介质。
如图2所示，在本发明实施例采用的400-900nm宽波段的非局域色散器件5，其采用多层薄膜结构，具体由8层不同厚度的透明薄膜组成，依次为：二氧化钛膜5-1、二氧化硅膜5-2、二氧化钛膜5-1、单晶石英膜5-3、氟化镁晶体膜5-4、二氧化钛膜5-1、二氧化硅膜5-2和二氧化钛膜5-1。此外，通过改变非局域色散器件5的设计可用于实现任何工作波段内的宽光谱偏振光谱高维信息探测及成像。
入射光1经过非局域色散器件5后形成特定的透射强度分布，光接收模块6用于接收透射强度分布，并以图像形式进行接收，光接收模块6采用光学相机，其可在工作波段进行成像，获得透射强度分布图像。信息分析模块7接收透射强度分布图像，并对透射强度分布进行分析，进而输出入射光1的高维强度、偏振及光谱信息。信息分析模块7由预置训练后的卷积神经网络、残差网络、循环神经网络等神经网络图像分析算法的计算机组成，通过接收到的透射强度分布信息即可自动输出入射光1的高维强度、偏振及光谱等信息。
如图3所示，本发明实施例采用400-900nm宽波段的非局域色散器件5获得了在动量空间的透射强度分布图像，在图3中上排展示的是固定入射光1的偏振态为左旋圆偏振不变，入射光1的波长分别为400nm、500nm、600nm、700nm、80nm、900nm时，得到的透射强度分布图像；在图3中下排展示的是固定入射光1的波长为532nm，入射光1的偏振态分别为0度线偏振、45度线偏振、90度线偏振、135度线偏振、左旋圆偏振、右旋圆偏振时，得到的透射强度分布图像。
相较于传统的组合多个偏振探测器和光谱仪的偏振光谱复用探测系统，本发明结构更加紧凑，无需调用光谱仪即可成像，同时也不需要多个偏振探测器进行组合，极大的提升了系统的集成化和小型化。并且本发明工作时仅需要单个探测器的单次测量，极大降低了系统复杂度和测量时间成本，同时本发明还可以实现对偏振态随波长发生变化的高维度复杂入射光场的成像和信息提取，这是现有系统难以实现的，本发明在保证对高维偏振光谱的信息提取能力的前提下，为偏振光谱探测器的进一步小型化打开了新的大门。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器，其特征在于，包括：空间光调制模块、非局域色散器件、光接收模块和信息分析模块；
入射光经过所述空间光调制模块调制形成空间光场，由于空间光场中光的偏振态和光谱不同，空间光场照射到所述非局域色散器件上会产生相应的透射强度分布，所述光接收模块接收透射强度分布并进行成像，所述信息分析模块对透射强度分布进行分析，输出入射光的高维强度、偏振及光谱信息。
2.如权利要求1所述的基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器，其特征在于，空间光调制模块包括光束准直组件、偏振分束组件和光束汇聚组件，光束准直组件用于对入射光进行准直；偏振分束组件用于改变入射光的偏振态；光束汇聚组件用于对入射光进行汇聚。
3.如权利要求1所述的基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器，其特征在于，所述非局域色散器件可采用界面、单层薄膜结构、多层薄膜结构、超构表面、光子晶体、二维材料异质结器件或多孔散射介质。
4.如权利要求1所述的基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器，其特征在于，所述非局域色散器件产生的透射强度分布中任意点强度满足以下公式：
其中，A表示空间光场的振幅，Tp(θ,λ)表示在入射角为θ时，所述非局域色散器件对于p偏振态光的透射率谱；
Ts(θ,λ)表示在入射角为θ时，所述非局域色散器件对于s偏振态光的透射率谱；
P(ψ,δ)表示电场为Ei＝A[cosψ sinψeiδ]T的光偏振态，ψ表示偏振光的振幅角，其中，δ表示x与y方向电场间的相位差异，表示透射强度分布中任意点的方位角，η表示非局域色散器件中p和s分量间的相位延迟；
和/>均为常系数。
5.如权利要求3所述的基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器，其特征在于，所述非局域色散器件由8层透明薄膜组成，依次为：二氧化钛膜、二氧化硅膜、二氧化钛膜、单晶石英膜、氟化镁晶体膜、二氧化钛膜、二氧化硅膜和二氧化钛膜。
6.如权利要求1所述的基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器，其特征在于，所述光接收模块采用光学相机，用于接收透射强度分布。
7.如权利要求1所述的基于色散的非局域偏振光谱高维光电探测器，其特征在于，所述信息分析模块通过残差神经网络对透射强度分布进行分析。
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