CN219178731U - 一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，主要包括准直系统、液晶偏振片、双折射元件、CCD相机和控制单元，入射光束经过准直系统入射到液晶偏振片上，再传播到旋转的双折射元件上，双折射元件的旋转轴与其中心有一位移量，位移量等于入射光束的直径，经过双折射元件分束的P光和S光随双折射元件旋转，并入射到CCD相机上，控制单元根据CCD相机的图像进行分析并通过预测学习算法计算出入射光束的偏振方向后对液晶偏振片进行调节，使液晶偏振片的偏振取向尽可能的接近入射光束的偏振空间分布，提高了偏振态空间分布测量灵敏度，提供了具有时间分辨的高精度偏振态分布的测量技术。

Description

一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统

技术领域

本实用新型关于一种激光束偏振态测量技术，特别是有关于一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统。

背景技术

现有技术中，激光束的偏振态的测量通常由起偏器、检偏器和功率计组成，这种技术方案已经存在了很多年。从初始的利用双折射晶体做起偏器和检偏器开始，人们在起偏器和检偏器的器件结构上做了很多改进和提升，如仪器数字化和多参数测量方案，但基本方案都离不开起偏器、检偏器和功率计这种基本组合。近年来，随着复杂偏振的激光束如径向偏振光、涡旋光、高阶拉盖尔高斯光束、光子自旋态等先进激光束等的出现，激发了市场对偏振态空间分布和实时测量的需求。对于偏振态空间分布的测量，一般用CCD相机取代功率计来对P偏振和S偏振态的光束功率空间分布进行记录，得到偏振态的空间分布。但是由于CCD的相机的采集速度很难提高，科研级的CCD相机目前也就是做到约100帧/秒，且这种CCD相机的售价十分昂贵，不能被工业界所接受。

在激光雷达的应用中采用一块不断旋转的偏振片，检测出接收激光束的偏振态，可以有效地提高激光雷达的检测灵敏度，但是这种方法只适用于简单的线性偏振光和圆偏振光，对于复杂空间偏振光束无法测量出其空间分布细节。由中国发射的直接偏振探测卫星中，在一个大转盘上安装了9片不同指向的偏振片，当这9片偏振片扫过探测光束时，就可以分时探测出来自同一区域的反射光的偏振态，从而实现了多角度偏振探测，但是此种方案不仅体积较大，而且价格和维护难度都超出了一般用户承受程度。

综上所述，工业界和科研界都需要实时测量偏振态的空间分布，但是目前并没有十分可靠、好用、性价比高的技术解决方案。

发明内容

针对上述问题，本实用新型提出一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，主要包括准直系统、液晶偏振片、双折射元件、CCD相机和控制单元，入射光束经过准直系统入射到液晶偏振片上，经过液晶偏振片的光束传播到双折射元件上，双折射元件绕其旋转轴旋转，其旋转轴与双折射元件的中心有一位移量，位移量等于入射光束的直径，经过双折射元件分束的光为P光和S光，且P光和S光随双折射元件旋转，并入射到CCD相机上，控制单元根据CCD相机的图像进行分析并计算出入射光束的偏振方向，再对液晶偏振片进行调节，以使液晶偏振片的各个偏振单元的偏振取向尽可能的接近入射光束的偏振空间分布；

其中，液晶偏振片和双折射元件的中心在同一条轴线，CCD相机的中心与双折射元件的旋转轴所在的光轴在同一条直线，CCD相机为使用电荷耦合元件作为感光元件的相机，P光表示平行偏振光，S光表示垂直偏振光。

进一步地，一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统还包括可调中性衰减片，可调中性衰减片设置于液晶偏振片前。

进一步地，一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统还包括聚焦透镜，聚焦透镜设置于该CCD相机前。

进一步地，一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统中双折射元件为沃斯拉顿棱镜。

进一步地，一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统中双折射元件为薄膜偏振器。

进一步地，一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统中双折射元件为环形达曼光栅。

进一步地，一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统中聚焦透镜为角度矫正器。

进一步地，控制单元通过预测学习算法预测液晶偏振片的各偏振单元的偏振取向。

进一步地，预测学习算法预测液晶偏振片的各偏振单元的偏振取向包含以下步骤：

S1：处理入射到CCD相机上的图像；

S2：偏振解析，求出入射光束的空间偏振态分布；

S3：预测入射光束的空间偏振分布；

S4：设置液晶偏振片的各偏振单元的取向。

通过本实用新型提供的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，主要包括准直系统、液晶偏振片、双折射元件、CCD相机和控制单元，入射光束经过准直系统入射到液晶偏振片上，经过液晶偏振片的光束传播到旋转的双折射元件上，双折射元件的旋转轴与其中心有一位移量，位移量等于入射光束的直径，经过双折射元件分束的P光和S光随双折射元件旋转，并入射到CCD相机上，控制单元根据CCD相机的图像进行分析并通过预测学习算法计算出入射光束的偏振方向，再对液晶偏振片进行调节，以使液晶偏振片的各个偏振单元的偏振取向尽可能的接近入射光束的偏振空间分布；本实用新型可以检测毫秒量级时间分辨率和微米量级空间分辨率的偏振态分布，提供了具有时间分辨的高精度偏振态分布的测量技术。

附图说明

图1为本实用新型一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统示意图；

图2为本实用新型一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统的第一实施例示意图；

图3为本实用新型一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统的第二实施例示意图；

图4为本实用新型一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统的第三实施例示意图。

附图标记说明

101入射光束 102准直系统 103可调中性衰减片

104液晶偏振片 105双折射元件的旋转轴 106双折射元件

107聚焦透镜 108CCD相机 109控制单元

400分束器 401第一反射镜 402分光棱镜

403ITO膜 404第二反射镜 405合成棱镜

406第一沃斯拉顿棱镜 407角度矫正器 408第三反射镜

501发射光源 502待测物体 503格兰棱镜 504广场强度分析仪

505第二沃斯拉顿棱镜 506圆环图案 507光强与时间关系

601光纤激光器的有源光纤 602偏振元件 603输出腔镜

604环形达曼光栅 605环形图像。

具体实施方式

为使对本实用新型的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

针对上述问题，本实用新型提出一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，见图1，图1为本实用新型一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统示意图，主要包括准直系统102、液晶偏振片104、双折射元件106、CCD相机108和控制单元109，入射光束101经过准直系统102入射到液晶偏振片104上，经过液晶偏振片104的光束传播到双折射元件106上，双折射元件106绕其旋转轴旋转，其旋转轴与双折射元件106的中心有一位移量，位移量等于入射光束101的直径，经过双折射元件106的光束被分束为P光和S光，P光表示平行偏振光，S光表示垂直偏振光，被分束形成的P光和S光随双折射元件106旋转，并入射到CCD相机108上，由于双折射元件106的中心与其旋转轴有一入射光束101直径大小的位移量，这样被分束形成的P光和S光在CCD相机的成像正好不重叠，经过双折射元件106分束的P光和S光旋转一周的时间等于CCD相机108更新一帧的时间，此时，CCD相机108就记录了P光和S光旋转一周的积分光强分布，控制单元109根据CCD相机108的所成的积分光强分布图像进行分析并计算出入射光束101的偏振方向，也就是偏振空间分布，再对液晶偏振片104进行调节，以使液晶偏振片104的各个偏振单元的偏振取向尽可能的接近入射光束101的偏振空间分布；其中，液晶偏振片104和双折射元件106的中心在同一条轴线，CCD相机108的中心与双折射元件106的的旋转轴所在的光轴在同一条直线，CCD相机106为使用电荷耦合元件作为感光元件的相机。

当液晶偏振片104的各个偏振单元的偏振取向与入射光束101的对应的局部偏振方向完全垂直时，入射光束101将完全无法透过液晶偏振片104，此时，CCD相机108记录的图像为纯黑色；当液晶偏振片104中的任一个偏振单元的偏振取向与入射光束101对应的局部偏振方向不垂直时，入射光束101将有部分光透过液晶偏振片104，然后传输到双折射元件106上被分束成P光和S光，并照射到CCD相机108感光元件的不同部位上，通过解析P光和S光的亮度，可以确定液晶偏振片104中的具体的偏振单元的偏振角度与入射光束101的对应局部偏振方向的夹角，从而确定入射光束101的偏振方向，也就是空间偏振态分布。具体地，以液晶偏振片104中第01x02偏振单元为例，此偏振单元表示X轴向单元编号为01且Y轴向单元编号为02的偏振单元，假定某时刻测得的CCD相机108对应位置的P光的相对光强度为0.7，S光的相对光强度为0.2，则入射光束101与液晶偏振片104中第01x02偏振单元的偏振取向的夹角为θ1＝argtan(0.2/0.7)；若第01x02偏振单元偏振取向与X轴向的夹角为θ2，那么入射光束101的偏振角度即为θ1+θ2。

优选地，一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统还包括可调中性衰减片103，可调中性衰减片103设置于液晶偏振片104前，一般对强光探测需要加入可调中性衰减片103。

优选地，本实用新型提供的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统还包括聚焦透镜107，聚焦透镜107设置于CCD相机108前，当需要全口径采集光束时要加聚焦透镜107，如果只是部分口径采集光束可以不加聚焦透镜107。

优选地，双折射元件106为沃斯拉顿棱镜，也可以为薄膜偏振器或者其他功能相似的元器件，本实用新型不作限制。

优选地，聚焦透镜107为角度矫正器或者其他功能相似的元器件，本实用新型不作限制。

为了进一步提高CCD相机108图像的时间分辨率，需要尽量减少CCD相机108图像的亮点数量和亮点强度，亮点是入射光束101直接照到CCD相机108上形成的，控制单元109通过预测学习算法预测液晶偏振片104的各偏振单元的偏振取向，使得液晶偏振片104的各个偏振单元的偏振取向尽可能接近入射光束101的偏振空间分布，以此减少CCD相机108图像上亮点的数量和亮点强度。

优选地，预测学习算法预测液晶偏振片104的各偏振单元的偏振取向主要是通过入射光束101的偏振态的空间相干性计算入射光束101的时间相干性，然后再根据时间相干性来预测入射光束101空间偏振态在下一时间点的变化，以此作为调整液晶偏振片104各个偏振单元的偏振取向的依据，具体包含以下步骤：

S1：处理入射到CCD相机108上的图像；

主要包括图像去噪、图像分割和时间轨道读取等处理操作。

S2：偏振解析，求出入射光束101的空间偏振态分布；

当液晶偏振片104中的任一个偏振单元的偏振取向与入射光束101对应的局部偏振方向不垂直时，入射光束101将有部分光透过液晶偏振片104，然后传输到双折射元件106上被分束成P光和S光，并照射到CCD相机108感光元件的不同部位上，通过解析P光和S光的亮度，可以确定液晶偏振片104中的具体的偏振单元的偏振角度与入射光束101的对应局部偏振方向的夹角，从而确定入射光束101的偏振方向，也就是入射光束101的空间偏振态分布。

S3：预测入射光束101的空间偏振分布；

根据时间相干性和空间相干性的关系，即L_s＝c*L_t，其中L_s为空间相干长度，c为空气中的光速，L_t为时间相干长度；由P光和S光的空间图像分布求出入射光束的光场空间相干性，并且进一步得出入射光束101的光场的时间相干性。光场传播函数为Γ(t)＝∫∫S(t)T(x,y)exp{-i(ωt+βz)}dxdy，其中S(t)为时间相干系数，时间相干系数与入射光束101的光场的相干性成线性关系，与光场的相位分布、谱宽、偏振态分布和强度起伏有关，T(x,y)为入射光束的光场分布，ω为是入射光束101的光场的角频率，βz为z方向的波矢为β。空间相干长度L_s是指传播函数光场传播函数的二阶矩阵<Γ(t)Γ(t)^*>＝0时(x,y,z)的差值，时间相干长度L_t是指传播函数光场传播函数的二阶矩阵<Γ(t)Γ(t)^*>＝0时t的差值，光场传播函数利用快速傅里叶变换可以迅速解出入射光束101在某一时刻的光场分布相对于上一时刻光场分布的关系，且由于空间相干性与时间相干性的关系，我们容易推测出下一时刻t的入射光束可能的空间偏振分布。

S4：设置液晶偏振片104的各偏振单元的取向；

根据推测出的下一刻t的入射光束101可能的空间偏振分布，提前将液晶偏振片104的偏振方向调整为与入射光束101的空间偏振分布相垂直的方向，可以有效减少CCD相机108图像的亮点数量和强度，提高了偏振态空间分布测量灵敏度。

本实用新型提供的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，可用于空间激光相干通信中进行偏振测量，参见图2，图2为本实用新型一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统的第一实施例示意图；入射光束先由分束器400按照50:50的的强度将光束分束为光束A和光束B，其中光束A经过第一反射镜401和第二反射镜404反射，经过准直系统102和可调中心衰减片103后，照射到液晶偏振片104上。液晶偏振片104首先选取任意线偏振方向，如S偏振方向。由于在激光传输的过程中会受到各种介质的扰动，偏振态不再是线性偏振光，无论液晶偏振片104的偏振单元选取什么偏振方向，都会有激光束透过液晶偏振片104。透过液晶偏振片104后的激光束，入射到旋转的第一沃拉斯顿棱镜406上，第一沃斯拉顿棱镜406的旋转轴与第一沃斯拉顿棱镜406的中心有一偏移量，偏移量等于入射到第一沃斯拉顿棱镜406上的光束的直径。激光束被第一沃斯拉顿棱镜406分为相互偏振正交的两束光。此两束光分别经由角度矫正器407，最终到达CCD相机108上，假设有一束光的光轴与第一沃斯拉顿棱镜406的旋转轴重合，该旋转轴的方向经由角度矫正器407后也与该束光的光轴重合，CCD相机108的中心与该束光的光轴在一条线上，也就是与第一沃斯拉顿棱镜406的旋转轴在光传播方向在一条直线上，本实施例中角度矫正器407相当于聚焦透镜。CCD相机108上形成的图像由控制单元109根据预测学习算法计算出光束A的偏振态分布。再将计算结果用于调整液晶偏振片104的偏振单元的偏振取向，以便CCD相机108的图像尽量接近零。此时，液晶偏振片104的偏振单元的偏振取向就是光束A的偏振态分布。

分光后的光束B入射到由分光棱镜402、ITO膜403、第三反射镜408和合成棱镜405构成的偏振态矫正系统。ITO膜403为氧化铟锡透明导电膜，光束B经由分光棱镜402被分成P光和S光，由于ITO膜403的折射率可以通过加在其表面的电压而改变，从而改变矫正系统中的P光相对于S光的延迟。利用测得的偏振态分布信息由控制单元109调整ITO膜403表面的电压，由于ITO膜的折射率与其表面电压成线性关系。调整ITO膜403表面电压，就等于调整了光束通过ITO膜403的光程，因此也就是调整了P光和S光的时间延迟，当P光与S光的时间延迟相等或相差半个振荡周期时，最终合成的光即为线偏振光，使得入射激光的偏振态被矫正成线偏振，提高了激光相干通信的检测信噪比。

本实用新型提供的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，可用于偏振光探测的偏振测量系统中，参见图3，图3为本实用新型一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统的第二实施例示意图。

偏振光探测的偏振测量系统的目的就是通过测量激光束偏振光通过待测物体之后的偏振态变化，来研究待测物体的性质的，当发射光源501发射的偏振光被待测物体502反射后，进入到本实用新型提供的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，经被待测物体502反射的光束首先经过准直系统102，和一个格兰棱镜503，格兰棱镜503的旋转轴与其中心有一位移量的偏移，偏移的位移量等于入射进入格兰棱镜503的光束直径，需要说明的是，本实施例中，准直系统102后还设置了一个凸透镜，是因为偏振光探测的偏振测量系统的观察距离较远，多一个凸透镜可以调整焦距，以便更精确的对准待测物体502，格兰棱镜503将光束分束成P光和S光，其中P光与发射光源501偏振方向一致的光没有因待测物体502而改变，P光入射到光场强度分析仪504上测量P光的光场强度值，由于格兰棱镜503射出的光由多个局域性的S偏振光组成。当这些局域性的S偏振光经过可调中性衰减片103照射到液晶偏振片104上时，如果液晶偏振片104的局部偏振单元的偏振取向为S，且通过该局部区域的S偏振光不为零，则S光会通过液晶偏振片104。如果液晶偏振片104的局部偏振单元的偏振取向为P，则不论该区域的S偏振光是否为零，都不会有光通过液晶偏振片104。液晶偏振片104的局部偏振单元的偏振取向以1000HZ的频率在偏振取向为P取向和偏振取向为S之间切换，通过液晶偏振片104的光在通过旋转的沃拉斯顿棱镜505后在CCD相机108上形成明暗相间变化的圆环图案506，CCD相机108的中心与沃斯拉顿棱镜505的旋转轴在同一轴线上，圆环图案506的明暗时间间隔与液晶偏振片104上的偏振单元的偏振取向的旋转频率相等。

光场强度分析仪504测量的P光的光场强度数值与CCD相机108上图案的S光的光场强度积分之和为经过待测物体502反射的光束总光场强度分布。CCD相机108上形成的明暗相间变化的圆环图案506，沿圆环图案506的一周方向做时间分析，不同的角度位置对应不同的时刻，如光强与时间关系507所示。通过对明暗相间图案506的强度和时间分析，在光强与时间关系507中，波峰与波谷的比值为某一时间段内的入射光的S光的强度，同时读取这一段时间内光场强度分析仪504对应位置的P光相对积分光场强度(相对积分光场强度是指以光束中心为中心，与圆环图案506相等半径的圆环上的光场强度积分)，也就是P光的强度。由P光的强度和S光的强度比值可以得出该局部偏振单元的偏振取向，也就是偏振角度。由于S光的强度与时间有关，因此局域偏振单元的偏振角度的值也可看做时间变化的函数，可作为入射光偏振态的时间分辨率的数值，可以得出经待测物体502反射的光束的偏振态时间和空间分布，由于经待测物体502反射的光束的偏振分布与待测物体的特性相关，因此通过液晶偏振片104对经过待测物体502后的光束的偏振态分布测量，即可得到待测物体的性质。

本实用新型提供的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统应用于输出涡旋光的光纤激光器的偏振光监测系统。参见图4，图4为本实用新型一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统的第三实施例示意图，光纤激光器的有源光纤601输出为涡旋光，涡旋光的输出特性由光纤激光器内的偏振元件602实现并由输出腔镜603对外输出。输出的偏振光进入本实用新型提供的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，即依次进入准直系统102、可调中性衰减片103，液晶偏振片104、双折射元件(此处为环形达曼光栅604)、CCD相机108和对环形图像605进行分析的控制单元109构成的，因为要测量的直接从激光器中发射出来，在CCD相机108前未设置聚焦透镜。控制单元109根据CCD相机108上形成的环形图像605进行分析并控制光纤激光器中的偏振元件602，来改善光纤激光器的输出特性，提高光纤激光器的输出稳定性。由于光纤激光器的有源光纤601输出激光束为涡旋光，因此旋转的双折射元件采用与涡旋光尺度相同的环形达曼光栅604。当光纤激光器的有源光纤601输出激光束为纯的涡旋光，不含线性偏振分量时，液晶偏振片104只需选取线性偏振方向，此时CCD相机108上的图像即为规律的环形图像605，简化了预测学习算法的复杂度和计算时间。由于环形达曼光栅604的旋转轴与环形达曼光栅604的中心有一个小的偏移量，偏移量为入射到环形达曼光栅604的光束直径，当环形达曼光栅604不旋转时，在CCD相机108上形成的图像为一个明暗相间的椭圆，环形达曼光栅604的中心和环形达曼光栅604的旋转轴所在的点构成了椭圆的2个焦点。当环形达曼光栅604旋转时，CCD相机108上形成的明暗相间的椭圆也围绕环形达曼光栅604的旋转轴随之旋转，并最终形成明暗相间的环形图像605。如果光纤激光器的有源光纤601发射的涡旋光的偏振态是理想的，则环形图像605为标准的圆环。当光纤激光器的有源光纤601发射的涡旋光的偏振态不纯时，环形图像605会产生畸变。畸变产生的位置即为该时刻光纤激光器的有源光纤601发射的涡旋光的偏振态分布。由此分布，控制单元109通过预测学习算法调整液晶偏振片104对应位置的偏振单元的偏振取向，使环形图像605的畸变消失。

通过本实用新型提供的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，主要包括准直系统、液晶偏振片、双折射元件、CCD相机和控制单元，入射光束经过准直系统入射到液晶偏振片上，经过液晶偏振片的光束传播到旋转的双折射元件上，双折射元件的旋转轴与其中心有一位移量，位移量等于入射到双折射元件的光束的直径，经过双折射元件分束的P光和S光随双折射元件旋转，并入射到CCD相机上，控制单元根据CCD相机的图像进行分析并通过预测学习算法计算出入射光束的偏振方向，再对液晶偏振片进行调节，以使液晶偏振片的各个偏振单元的偏振取向尽可能的接近入射光束的偏振空间分布；本实用新型可以检测毫秒量级时间分辨率和微米量级空间分辨率的偏振态分布，提供了具有时间分辨的高精度偏振态分布的测量技术，提高了偏振态空间分布测量灵敏度。

本实用新型已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本实用新型的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本实用新型的范围。相反地，在不脱离本实用新型的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本实用新型的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，其特征在于，该系统包括准直系统、液晶偏振片、双折射元件、CCD相机和控制单元，入射光束经过该准直系统入射到该液晶偏振片上，经过该液晶偏振片的光束传播到该双折射元件上，该双折射元件绕其旋转轴旋转，其旋转轴与该双折射元件的中心有一位移量，该位移量等于入射光束的直径，经过该双折射元件分束的光为P光和S光，且该P光和该S光随该双折射元件旋转，并入射到CCD相机上，该控制单元根据该CCD相机的图像进行分析并计算出该入射光束的偏振方向，再对液晶偏振片进行调节，以使该液晶偏振片的各个偏振单元的偏振取向尽可能的接近入射光束的偏振空间分布；

其中，该液晶偏振片和该双折射元件的中心在同一条轴线，该CCD相机的中心与该双折射元件的旋转轴所在的光轴在同一条直线，该CCD相机为使用电荷耦合元件作为感光元件的相机，该P光表示平行偏振光，该S光表示垂直偏振光。

2.根据权利要求1所述的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，其特征在于，该系统还包括可调中性衰减片，该可调中性衰减片设置于液晶偏振片前。

3.根据权利要求1所述的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，其特征在于，该系统还包括聚焦透镜，该聚焦透镜设置于该CCD相机前。

4.根据权利要求1所述的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，其特征在于，该双折射元件为沃斯拉顿棱镜。

5.根据权利要求1所述的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，其特征在于，该双折射元件为薄膜偏振器。

6.根据权利要求1所述的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，其特征在于，该双折射元件为环形达曼光栅。

7.根据权利要求3所述的一种实时测量激光束偏振态空间分布的系统，其特征在于，该聚焦透镜为角度矫正器。

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