CN202533175U

CN202533175U - 一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置

Info

Publication number: CN202533175U
Application number: CN 201220210909
Authority: CN
Inventors: 白云峰; 包诠真; 李林军; 贺泽龙
Original assignee: Heilongjiang Institute of Technology
Current assignee: Heilongjiang Institute of Technology
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2022-05-11

Abstract

一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置，涉及一种测量偏振态的装置，它为了解决现有测量装置应用成本高，且只能测量单一波长偏振光的问题，它包括一号偏振片、二号偏振片、二元光栅、凸透镜、CCD探测器和数据处理单元，一号偏振片与二号偏振片位于同一平面内且固定连接形成一体结构，一号偏振片位于二号偏振片的正上方，二元光栅与一号偏振片所在平面相平行、凸透镜的光轴垂直于一号偏振片平面，二元光栅位于一号偏振片与凸透镜之间，CCD探测器位于凸透镜的另一侧，且所述CCD探测器的光敏面位于所述凸透镜的焦平面上，CCD探测器的信号输出端连接在数据处理单元的数据输入端。适用于测量偏振态。

Description

一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置

技术领域

本实用新型涉及一种测量偏振态的装置。

背景技术

偏振光在科学技术及工业生产中有着广泛的应用。比如利用偏振光的干涉可以用来分析材料内部的应力分布情况。在化学分析中，旋光仪是利用偏振光测量溶液的浓度。偏光干涉仪、偏光显微镜等在生物学、医学方面有着重要的应用。偏光天文罗盘在航海和航空方面有着极其重要的地位。偏振遥感技术对大气科学及天文学的发展有重要的意义，另外偏振光还可以用做3D成像等方面。

光波偏振态的测量，主要是基于斯托克斯参量法。其中主流方法为测量一束光分别经过几组不同光轴及快轴方向组合的偏振片与1/4波片，测量透射光强即可计算出入射光的斯托克斯矢量。此方法需要多次改变偏振片透光轴与1/4波片快轴的方向，光轴的调整精确会引入系统误差；另外由于使用了1/4波片，在不更换1/4波片的情况下只能针对特定波长进行测量，这极大影响了偏振光检测的效率与精度。另一种方法为利用振幅分割原理，把入射光分成四份后分别经过对应的四个探测器，在已知每个探测器对入射光的响应系数和整个系统的仪器矩阵下，可以计算出入射光的斯托克斯矢量。现有方法分光器件及探测器位置摆放极为严格，并且在应用前需要分别测量探测器的特性参数和整个系统的仪器矩阵，因此其应用成本高；且只能测量可见光波段及部分红外波段波长范围的单一波长偏振光。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有测量装置应用成本高，且只能测量单一波长偏振光的问题，提供一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置。

一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置，它包括一号偏振片、二号偏振片、二元光栅、凸透镜、CCD探测器和数据处理单元，一号偏振片的透光轴方向与X轴之间的夹角为γ，-90°＜γ＜90°、γ≠0°和γ≠±45°；二号偏振片的透光轴方向与Y轴方向平行，一号偏振片和二号偏振片大小相同，一号偏振片与二号偏振片位于同一平面内且固定连接形成一体结构，一号偏振片位于二号偏振片的正上方，X轴和Y轴为直角坐标系，二元光栅与一号偏振片所在平面相平行、凸透镜的光轴垂直于所述一号偏振片所在平面，二元光栅位于一号偏振片所在平面与凸透镜之间，CCD探测器位于凸透镜的另一侧，且所述CCD探测器的光敏面位于所述凸透镜的焦平面上，CCD探测器的信号输出端连接在数据处理单元的数据输入端。

本实用新型相对传统斯托克斯参量法装置只用到偏振片，因此在实验上装置简单，且具有高的实验精度；整个实验装置中除偏振片外无其它波长选择装置，即适合此偏振片的任何单色光入射均可测量其偏振态；此装置不需校正即可使用。本实用新型应用到光学仪器上，可以测量光的偏振态；将本实用新型加入到光栅光谱仪上，可以测量经光谱仪分光后各波长光的偏振态。

附图说明

图1为本实用新型的组成结构示意图，图2为本实用新型的一号偏振片1和二号偏振片2光轴方向示意图，图3为本实用新型的CCD探测到的光强随θ的变化示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置，它包括一号偏振片1、二号偏振片2、二元光栅3、凸透镜4、CCD探测器5和数据处理单元6，一号偏振片1的透光轴方向与X轴之间的夹角为γ，-90°＜γ＜90°、γ≠0°和γ≠±45°；二号偏振片2的透光轴方向与Y轴方向平行，一号偏振片1和二号偏振片2大小相同，一号偏振片1与二号偏振片2位于同一平面内且固定连接形成一体结构，一号偏振片1位于二号偏振片2的正上方，X轴和Y轴为直角坐标系，二元光栅3与一号偏振片1所在平面相平行、凸透镜4的光轴垂直于所述一号偏振片1所在平面，二元光栅3位于一号偏振片1所在平面与凸透镜4之间，CCD探测器5位于凸透镜4的另一侧，且所述CCD探测器5的光敏面位于所述凸透镜4的焦平面上，CCD探测器5的信号输出端连接在数据处理单元6的数据输入端。

平行入射光透过拼接后的一号偏振片1和二号偏振片2照射在二元光栅3上，平行入射光透过二元光栅3在CCD探测器5成像，形成衍射条纹。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置的进一步限定，二元光栅3的缝宽度都相等。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一所述一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置的区别在于，它还包括挡光板，在一号偏振片1和二号偏振片2所形成的一体结构的四周均设置有挡光板。

拼接后的一号偏振片1和二号偏振片2的尺寸可以与光栅尺寸相同，也可以小于光栅尺寸；当拼接后的一号偏振片1和二号偏振片2的尺寸小于光栅尺寸时，通过沿拼接后的一号偏振片1和二号偏振片2的四外边设置的挡光板，使本发明装置的装配非常简单，不需要进行高精度的对准调节。

具体实施方式四：本实施方式是对实施方式一所述一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置的进一步限定，所述数据处理单元6确定偏振态的具体过程为：

设平行入射光为部分偏振光，平行入射光垂直入射于拼接后的一号偏振片1和二号偏振片2，部分偏振光等效成自然光和一个完全偏振光的迭加；完全偏振光表示为：

其中，E_x为x方向电场矢量强度，E_y为y方向电场矢量强度，α为E_y相对E_x的位相差；如图1所示，那么在CCD探测器5上P点光强为经二元光栅3后，衍射方向相同的光经凸透镜4聚焦在P点的相干迭加；

根据衍射理论，二元光栅3上的狭缝出射光的电场振动方向沿x、y和z方向分解，同一坐标轴方向光相干迭加，不同方向光只按光强标量相加；

则P点光强表达式为：

I (p) = \frac{2 - 2 \cos (ka \sin θ)}{k^{2} \sin^{2} θ} \frac{1 - \cos Nβ}{1 - \cos 2 β} \cdot [{c_{1}}^{2} {E_{x}}^{2} \sin^{2} γ \cos^{2} γ + {c_{1}}^{2} {E_{y}}^{2} \sin^{4} γ + {(c_{2} E_{y})}^{2}

+ 2 c_{1}^{2} E_{x} E_{y} \sin^{3} γ \cos γ \cos α + 2 c_{1} c_{2} E_{x} E_{y} \sin γ \cos γ \cos (k (L_{1} - L_{2}) - α) - - - (2)

+ 2 c_{1} c_{2} E_{y}^{2} \cos (k (L_{1} - L_{2})) \sin^{2} γ + c_{1}^{2} \frac{I_{0}}{2} \sin^{2} γ + c_{2}^{2} \frac{I_{0}}{2} + c_{1} c_{2} I_{0} \sin γ \cos (k (L_{1} - L_{2}))]

其中：

β = \frac{π d \sin (θ)}{λ},

θ为光栅衍射光与z轴夹角，光栅缝宽为a，缝间距为d，光栅距透镜距离为D，I₀为入射光中等效成自然光强度，总狭缝数为N，k是波数，λ是入射光波长，L₁和L₂是光程(见图1中粗虚线)，c₁和c₂为常数；

由于α只存在于cos(k(L₁-L₂)-α)项，在得到的衍射条纹中任取一段，代入式(2)中，确定α值；

c₁和c₂为系数，且旁轴近似时：c₁＝c₂；令c₁＝c₂＝1来简化公式(2)，通过拟合得到E_x，E_y和I₀值；

由E_x、E_y、α和I₀确定平行入射光的偏振态。

本实用新型能够测量偏振片限定的任何波长入射光的偏振态。

本实用新型应用到光学仪器上，可以测量光的偏振态；如将本实用新型加入到光栅光谱仪上，可以测量经光谱仪分光后各波长光的偏振态。

本实用新型所述的一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置的结构不局限于上述各个具体实施方式所述的具体结构，还可以是各个实施方式所记载的技术特征的合理组合。

Claims

1.一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置，其特征是，它包括一号偏振片(1)、二号偏振片(2)、二元光栅(3)、凸透镜(4)、CCD探测器(5)和数据处理单元(6)，一号偏振片(1)的透光轴方向与X轴之间的夹角为γ，-90°＜γ＜90°、γ≠0°和γ≠±45°；二号偏振片(2)的透光轴方向与Y轴方向平行，一号偏振片(1)和二号偏振片(2)大小相同，一号偏振片(1)与二号偏振片(2)位于同一平面内且固定连接形成一体结构，一号偏振片(1)位于二号偏振片(2)的正上方，X轴和Y轴为直角坐标系，二元光栅(3)与一号偏振片(1)所在平面相平行、凸透镜(4)的光轴垂直于所述一号偏振片(1)所在平面，二元光栅(3)位于一号偏振片(1)所在平面与凸透镜(4)之间，CCD探测器(5)位于凸透镜(4)的另一侧，且所述CCD探测器(5)的光敏面位于所述凸透镜(4)的焦平面上，CCD探测器(5)的信号输出端连接在数据处理单元(6)的数据输入端。

2.根据权利要求1所述一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置，其特征在于，二元光栅(3)的缝宽度都相等。

3.根据权利要求1所述一种利用组合偏振片和多缝衍射法测量偏振态的装置，其特征在于，它还包括挡光板，在一号偏振片(1)和二号偏振片(2)所形成的一体结构的四周均设置有挡光板。