CN1340152A - 极化探测所需装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种探测极化状态(SOP)的方法和装置。本发明中介绍的装置包括一个相位延迟器和一个极化器,他们都以不同的速度旋转。用本发明中介绍的方法,可探测到穿过旋转的相位延迟器和旋转的极化器的光信号,同时对与相位延迟器和极化器的旋转频率相关的谐波分量进行分析,通过频率分量分析可获得相位延迟器上的相位延迟量以及极化状态,减少了测量误差。目前的发明的优势在于可对更大波长范围内的SOP进行测量,增加了测量的准确性。

Description

极化探测所需装置与方法

技术领域

本发明所涉及的是探测光的极化状态(SOP)所需的装置和方法。

背景技术

有许多方法可以描述光的极化，其中有代表性的一种为STOKES参数法。STOKES参数包含四个要素，即S₀，S₁，S₂和S₃。S₀是光的总照度；S₁为零度线性极化减去90度线性极化；S₂为45度线性极化减去负45度线性极化；S₃为右侧环形极化照度减去左侧环形极化照度。当入射光E(t)用下面的方程式1来表示时，则STOKES参数即可用下面的方程式2求得：

E(t)＝_χE_x(t)e^iφx(t)＋yE_y(t)e^iφy(t)      (式1)

当E_x和E_y都是实数时，则

S0＝<E_x ²>＋<E_y ²>

S₁＝<E_x ²>－<E_y ²>

S₂＝<2E_xE_ycosη>

S₃＝<2E_xE_ysinη>                          (式2)

式中，η＝φx-φy及<>为时间的平均值。

测量STOKES参数的方法又分为两种类型，即空间分割法和时间分割法。

图1所示即为空间分割测量法。

按照图1，第一台光探测器30a测量来自一个无极化器的四路光束分离器(10)的光束的总照度I₀。同时，一个线性极化器20a在零度方向上被安置在第二个光探测器30b的前面，一个线性极化器20b在45度方向上被安置在第三个光探测器30c的前面。这样一来，第二和第三个光探测器30b和30c即可测得每个方向上的相应线性极化部分(极化分量)I₁和I₂的照度。第四个光探测器30d测量通过1/4波长相位延迟器(15)扩散的光束的照度I₃，延迟器被安置在45度方向上，线性极化器(20c)被安置于零度角方向上。照度I₃相当于右侧环形极化的照度。所测得的照度I₀，I₁，I₂和I₃与STOKES参数之间的关系为：

S₀＝I₀

S₁＝2I₁－I₀

S₂＝2I₂－I₀

S₃＝2I₃－I₀               (式3)

按照图1所示的方法，测量工作很快便可以完成，因为光束已被分成四个部分并且用四个光探测器同时测量。但是这种装置仍然是非常复杂的，因为使用的是四个光探测器，各探测器的感光性会有所不同。

图2所示为时间分割测量法。应用此法时，一个相位延迟器200和一个极化器210(此极化器可以扭转到一定的角度)被依次安置在一个光探测器220的前面。只要调节一下角度即可测量与第三个方程式所示的STOKES参数有关系的光照度I₀，I₁，I₂和I₃。但此法也有其不足之处，即相位延迟器200和极化器210之间的相应角度必须精确控制。

上述空间和时间分割测量法都还可以有所改进，但两法都有缺陷，因为它们都采用了四分之一波长延迟器作为相位延迟器，这种相位延迟器很容易产生误差，因为这种延迟器的延迟量是波长的一个函数。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构更为简单的极化测定装置。

本发明的另一目的为提供一种更为快速的极化探测的方法。

本发明还有第三个目的是提供一种能在更大的波长范围内(用减少测量极化状态时的误差的办法)探测光的极化状态的方法。要特别强调的是，本发明的最终目的在于减少由于改变了与相位延迟片中的波长相关的延迟量而产生的误差。

本发明是这样实现的，其特征是此装置包括一个以第一恒速旋转的用于造成相应于延迟器快轴、慢轴的入射光极化分量间的相位延迟的相位延迟器，一个以第二恒速旋转的用于改变通过相位延迟器扩散的光束的极化状态的极化器，一个测量通过极化器扩散的光照度的测量器，一个用以导出探测器探测到的光的电信号的频率分量的用以分析入射光的极化状态的信号处理单元。

所用延迟器最好是一个1/4波长的片。

本发明所提供的入射光极化状态的探测方法包含以下几个步骤：定期改变入射光极化部分(极化分量)的极化状态(将入射光穿过一个有快慢轴、用第一恒速旋转的相位延迟器)；通过将极化状态已发生改变的入射光穿过一个以第二恒速旋转的极化器来改变入射光的光照度；探测已发生变化的入射光的光照度；从已被测得的入射光的照度得出频率分量进而求得STOKES参数。

极化器的第一和第二恒速不同。或者，第一和第二恒速可以有相同的量值但方向相反。

再或者第一和第二恒速可以方向相同，但二者之间的量值比应为1/3至3/1。

本发明的优点在于相位延迟器中的相位延迟量2φ可以用上面描述的方法计算出来，即使我们事先并不知道这个值。由于相位延迟器中的相位延迟量是光的波长的一个函数，因而必然随波长的变化而变化，这就意味着光源的波长即可用上面描述的方法求得而不必事先知道相位延迟量。

在初始时间t＝0时，极化器和相位延迟器的角度都被置于0(方程式13时)。一般来说，将极化器和相位延迟器的角度都置于0是很不方便的。因此，如果初始时间t＝0，同时极化器的角度为0而相位延迟器的初始角度被设于任意一个已知角度θwo，则这个角度θwo的信息即可从与cos4π(fw－fp)t和sin4π(fw－fp)t成正比的各分量中导出。由于这个θwo角存在而须对方程式13进行改进，这对于一个行家来说是很容易办到的。

由于本发明所提供的装置仅用一个相位延迟器、一个极化器和一个光探测器，因此该极化状态探测器尺寸小、成本低。又由于不必事先知道相位延迟器中相位延迟量，因此探测工作可以在很大的波长范围内进行。

本发明还有另外一个优点，即可在极化器角度为零时通过对测量进行初始化来获得相位延迟器的角度，这样就不必非得事先知道相位延迟器的初始角度了。而采用时间分割法测量时，极化器和相位延迟器的角度都必须事先精确算定。

附图说明

图1所示为用空间分割法时所用的装置。

图2所示为用时间分割法时所用的装置。

图3为用本发明所提供的方法探测极化状态所用装置的示意图。

图4所示为输出极化状态是如何随着与1/4波长延迟器有关的线性极化的入射光与其快轴之间的角度的变化而变化的。

具体实施方式代表一个在二维平面中旋转的角θ的旋转矩阵可以用方程式4表示：

其快慢轴之间的相位差为2φ，慢轴朝着X极化的相位延迟器的矩阵W(0)可用下式表示：

其快慢轴之间的相位差为2φ，慢轴用θ旋转的相位延迟器的矩阵W(θ)可以用下式表示：传输极化为x-极化的极化器的矩阵P(0)可用下式表示：传输极化以θ旋转的极化器的矩阵P(θ)可用下式表示：

代表任一已知输入极化的琼斯向量E可用下式表示：

式中，Ex和Ey都是实数。

当两个相位延迟器分别在θw和θp方向上时，通过这些延迟器而得以扩散的光I的照度可用方程式10表示：

2I＝2E⁺W⁺(θw)P⁺(θp)W(θw)E

＝E_x ²＋E_y ²                                         式10

＋2E_xE_ysinηsin2sin(2θw－2θp)＋2E_xE_ycosηcos²sin2θp＋(E_x ²－E_y ²)cos²cos2θp

＋2E_xE_ycosηsin²sin(4θw－2θp)＋(E_x ²－E_y ²)sin²cos(4θw－2θp)

本发明的主要内容将在下文中借助于附图加以说明。

图3所示为用本发明提供的方法探测极化时所需装置的示意图。按照图3，入射光依次通过相位延迟器300(在一个方向上用第一恒速旋转)和一个在相反方向上用第二恒速旋转的极化器310以及一个探测器320和一个信号处理单元330而扩散。相位延迟器300在入射在快轴和慢轴方向上的极化分量之间产生相位差。此相位差引起通过相位延迟器300扩散的光的极化状态的改变。因此，如果相位延迟器300以恒速旋转，光的极化状态也将随之定时地不断变化。

图4所示为输出极化是如何随着与1/4波长相位延迟器有关的线性极化的入射光与其快轴之间的角度的变化而变化的。

当一个己知极化分量通过极化器扩散时，只有相应于极化器传输轴的那部分才能够通过。图3中所示的入射到极化器310上的极化分量由于相位延迟器的旋转，其极化状态已经有了变化。因此，通过极化器310的光的照度也将相应地变化。相对于相位延迟器和极化器的任何已知角度θw和θp，传送的光的照度则可用方程式10表示：

当相位延迟器300以频率f，旋转，极化器310以频率f_p旋转，即Q_w＝2f_wt和Q_p＝2πf_pt时，则正向分量的照I₀，I_fw－fp，I_fp，s，I_fp，c，I_2fw－fp，s，I_2fw－fp，c，sin4π(f_w－f_p)t分量，sin4πf_pt分量，cos4πf_pt分量，sin4π(2f_w－f_p)t分量以及cos4π(2f_w－f_p)t分量这几个分量就可以用方程式11分别求得：2I₀＝E_x ²＋E_y ²

2I_fw－fp＝2E_xE_ysinηsin2

2I_fps＝2E_xE_ycosηcos²

2I_fpc＝(E_x ²－E_y ²)cos²

2I_2fw－fps＝2E_xE_ycosηsin²    式112I_2fw-fpc＝(E_x ²－E_y ²)sin²

如果入射光各分量中未极化分量的照度为I_up，则其正向分量的照度I₀将如方程式12所表示的，在其它分量的照度都不变化的条件下变化。方程式12如下：

2I₀＝E_x ²＋E_y ²＋I_up             式12

假如方程式11和12中的各分量都与STOKES参数有关系，那么这些关系就如同方程式13所示：

S₀＝2I₀

S₁＝2I_fp’c－2I_2fw－fp’c

S₂＝2I_fp’s-2I_2fw－fp’s        式13

S₃＝2I_fw－fp/sin2φ

本发明所提供的极化探测方法是用来：测量相位延迟器和极化器分别以频率fw和fp旋转时的光照度；用傅里叶换算法求得测量到的光照度的各自频率分量；借助于方程式13用这些频率分量来求得STOKES参数。

注意：方程式13中的sin2φ可以用tan²φ求得，这个tan²φ就是方程式14中的I_2fw－fpc与I_fpc之比，或者I_2fw-fps与I_fps之比。方程式14如下：

所以，本发明的优点在于相位延迟器中的相位延迟量2φ可以用上面描述的方法计算出来，即使我们事先并不知道这个值。由于相位延迟器中的相位延迟量是光的波长的一个函数，因而必然随波长的变化而变化，这就意味着光源的波长即可用上面描述的方法求得而不必事先知道相位延迟量。

在初始时间t＝0时，极化器和相位延迟器的角度都被置于0(方程式13时)。一般来说，将极化器和相位延迟器的角度都置于0是很不方便的。因此，如果初始时间t＝0，同时极化器的角度为0而相位延迟器的初始角度被设于任意一个已知角度θwo，则这个角度θwo的信息即可从与cos4π(fw－fp)t和sin4π(fw－fp)t成正比的各分量中导出。由于这个θwo角存在而须对方程式13进行改进，这对于一个行家来说是很容易办到的。

Claims (6)

1，一种极化探测所需装置，其特征是它包括：一个以第一恒速旋转的用于造成相应于延迟器快轴、慢轴的入射光极化分量间的相位延迟的相位延迟器。一个以第二恒速旋转的用于改变通过相位延迟器扩散的光束的极化状态的极化器。一个用来测量通过极化器扩散的光照度的测量器。一个用以导出探测器探测到的光的电信号的频率分量的以便分析入射光的极化状态的信号处理单元。

2，根椐权利要求1所述的极化探测所需装置，其特征是所用相位延迟器是一个1/4波长的片。

3，一种极化探测所需装置方法，其特征是该方法包含下列几个步骤：

定期改变入射光极化部分(极化分量)的极化状态(将入射光穿过一个有快慢轴、用第一恒速旋转的相位延迟器)；通过将极化状态已发生改变的入射光穿过一个以第二恒速旋转的极化器来改变入射光的光照度；探测已发生变化的入射光的光照度；从已被测得的入射光的照度得出频率分量进而求得STOKES参数。

4，根椐权利要求3所述的极化探测所需装置方法，其特征是方法中所用的第一和第二恒速不同。

5，根椐权利要求4所述的极化探测所需装置方法，其特征是所用的第一和第二恒速有相同的量值但方向正好相反。

6，根椐权利要求3所述的极化探测所需装置方法，其特征是所用的第一和第二恒速方向相同，第一和第二恒速之间的量值比范围是1/3至3/1。

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