一種任意柱矢量偏振光偏振態(tài)的測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法
【專利摘要】一種任意柱矢量偏振光偏振態(tài)的測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，由可旋扇形光闌、λ/4波片、液晶空間光調(diào)制器（LC-SLM）、反射鏡、豎直偏振片、CCD相機(jī)以及計(jì)算機(jī)組成；被測(cè)柱矢量偏振光經(jīng)可旋扇形光闌后變?yōu)橐簧刃喂馐ㄟ^(guò)λ/4波片1，進(jìn)入SLM，經(jīng)SLM反射后再通過(guò)λ/4波片2。兩λ/4波片和LC-SLM組合可實(shí)現(xiàn)光束的偏振態(tài)控制，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制加載到LC-SLM的灰度圖進(jìn)行相位調(diào)制，可將入射扇形光束轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)水平線偏振光，再經(jīng)反射鏡反射后通過(guò)豎直偏振片，然后由CCD相機(jī)接收光束。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作控制，適用范圍廣，且通過(guò)控制可旋扇形光闌夾角和計(jì)算機(jī)程序化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速的在線測(cè)量。
【專利說(shuō)明】一種任意柱矢量偏振光偏振態(tài)的測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空間偏振光束檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及對(duì)任意柱矢量偏振光的偏振態(tài)測(cè)量，如:徑向偏振光、角向偏振光以及高階徑向偏振光束等的測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002]偏振是電磁波的基本特征之一，偏振光是光波所具有的重要特性。偏振光分為均勻偏振光和非均勻偏振光，而通常所說(shuō)的線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光屬于均勻偏振光。
[0003]柱矢量偏振光是一種特殊的矢量偏振光,其空間偏振態(tài)分布不均勻，但相對(duì)光軸具有一定的對(duì)稱或相似性，是一種非均勻偏振光。軸對(duì)稱光束屬于柱矢量偏振光的一種，包括徑向偏振光、角向偏振光等，由于其偏振和相位在光束橫截面上呈軸對(duì)稱分布而具有獨(dú)特的光學(xué)特性和應(yīng)用。此外，具有柱對(duì)稱或相似的高階徑向偏振光，因其特殊的空間偏振和相位分布，也有許多特殊的光學(xué)特性和應(yīng)用。如徑向偏振光具有完美的軸對(duì)稱分布，與線偏振光和圓偏振光相比有著顯著不同的特性。徑向偏振光具有沿光軸對(duì)稱的電場(chǎng)分布以及中空的圓環(huán)型光束結(jié)構(gòu)；徑向偏振光和角向偏振光都是偏振本征態(tài)，在C切向晶體中傳播時(shí)，不會(huì)發(fā)生串?dāng)_；高數(shù)值孔徑透鏡聚焦時(shí)徑向偏振光可以產(chǎn)生超越衍射極限的極小焦點(diǎn)，比線偏振光和圓偏振光的聚焦點(diǎn)小得多，且焦點(diǎn)區(qū)域的縱向電場(chǎng)變得非常強(qiáng)。這些特性使得其在牽引、捕獲和加速金屬粒子，切割金屬，提高光學(xué)存儲(chǔ)密度和提高縱向分辨率等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
[0004]偏振光的偏振特性通常用斯托克斯參量來(lái)描述。1852年斯托克斯(G.G.Stokes)引入了四個(gè)參量SrSpS2和S3，不但可以用來(lái)描述偏振光，還可以用來(lái)描述自然光和部分偏振光。這四個(gè)參量是光波可觀測(cè)量函數(shù)，也就是說(shuō)可以通過(guò)光學(xué)測(cè)量來(lái)確定它們的大小，這四個(gè)量的量綱均與光強(qiáng)相同。偏振度通常用字母P表示，對(duì)于線偏振光、橢圓偏振光，P=L對(duì)于線偏振光，S3=O,圓偏振光，S1=S2=O ;對(duì)于部分偏振光，0〈P〈1，自然光，P=O ;對(duì)于柱矢量偏振光，如徑向偏振光和角向偏振光，P=Oo
[0005]均勻偏振光的偏振態(tài)，完全可以通過(guò)斯托克斯參量來(lái)表不，但對(duì)于柱矢量偏振光這樣的非均勻偏振光，偏振度P=o，其有別于自然光，而且它確實(shí)是有規(guī)律的偏振光，必須尋找合適的方法對(duì)其偏振態(tài)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)各種柱矢量偏振光進(jìn)行區(qū)分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決的問(wèn)題:克服了只能對(duì)均勻偏振光偏振態(tài)進(jìn)行測(cè)量的不足，提供了一種對(duì)任意柱矢量偏振光偏振態(tài)的測(cè)量方法，該方法利用液晶空間光調(diào)制器對(duì)光束進(jìn)行調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意柱矢量偏振光偏振態(tài)的測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作控制、適用范圍廣、實(shí)用性好等特點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明技術(shù)方案:一種任意柱矢量偏振光偏振態(tài)的測(cè)量方法，包括以下步驟:
[0008]S1:設(shè)置入射光束。入射光束為柱矢量偏振光，偏振方向任意，光束強(qiáng)度不可超過(guò)CCD的曝光值強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中選擇He-Ne徑向偏振光、角向偏振光和二階徑向偏振光；
[0009]S2:調(diào)節(jié)可旋扇形光闌。光闌可繞中心法線軸旋轉(zhuǎn)，光束垂直通過(guò)光闌，且光束中心與光闌中心重合，扇形頂點(diǎn)在光闌中心點(diǎn)，扇形角度可調(diào)。實(shí)驗(yàn)選取30°角扇形光闌，若入射光為高階柱矢量偏振光，則扇形光闌角度要適當(dāng)減小；
[0010]S3:設(shè)置X/4波片I。光束的光軸過(guò)波片中心且與法線平行，波片可更換，且波片的快軸與X軸(順著光路垂直于光軸水平向右方向)成-45° (即135°角)。實(shí)驗(yàn)中選取入=633nm的1/4波片，可根據(jù)光源的波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整；
[0011]S4:設(shè)置液晶空間光調(diào)制器(LC-SLM)。測(cè)量系統(tǒng)采用反射式，由計(jì)算機(jī)通過(guò)灰度圖進(jìn)行控制，可編程按要求自動(dòng)調(diào)節(jié)，快軸在水平方向，法線與光軸夾角小于6° ；
[0012]S5:設(shè)置入/4波片2。光束的光軸過(guò)波片中心且與法線平行，波片可更換，且波片的快軸與X軸成45°角；
[0013]S6:調(diào)節(jié)反射鏡。選用加強(qiáng)鋁反射鏡，用于光束反射，改變光路，反射鏡中心與光束中心重合，入射光波長(zhǎng)具有很高的反射率；
[0014]S7:設(shè)置偏振片。對(duì)入射光束具有很高的偏振敏感性，光束光軸過(guò)偏振片中心且與法線平行，其透射方向與水平方向垂直，即豎直方向；
[0015]S8:調(diào)節(jié)(XD，記錄光束強(qiáng)度。光束垂直入射到(XD，CXD中心與扇形光束頂點(diǎn)重合，且光束最大強(qiáng)度不可超過(guò)CCD曝光值，也可采用光功率計(jì)，探頭尺寸不小于光斑大?。?br> [0016]所述步驟SI中，入射光束為任意柱矢量偏振光，可通過(guò)一些特殊光學(xué)器件產(chǎn)生，入射光譜寬小于±5nm，波段從可見(jiàn)光到近紅外，由LC-SLM的調(diào)制范圍決定。
[0017]所述步驟S2中，可旋扇形光闌的扇形角度可調(diào)，通過(guò)縮小透射光的扇形角度，可以提高測(cè)量精度，但相應(yīng)的測(cè)量次數(shù)會(huì)增加，本測(cè)量系統(tǒng)選取30°角。
[0018]所述步驟S4中，LC-SLM是由計(jì)算機(jī)通過(guò)控制灰度圖實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，可固定時(shí)間后自動(dòng)切換灰度圖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的自動(dòng)調(diào)制。本測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)編程，每秒更換一次灰度圖，灰度圖的灰度值以5灰度為量級(jí)依次從0開(kāi)始遞增，直到255后停止；也可更換灰度量級(jí)，若減少量級(jí)，精度會(huì)提高，但測(cè)量次數(shù)會(huì)增加，若增大量級(jí)則相反。
[0019]所述步驟S8中，C⑶用于記錄光束強(qiáng)度，通過(guò)編程由計(jì)算機(jī)控制與LC-SLM的各灰度值同步記錄，篩選出最弱光強(qiáng)，找到對(duì)應(yīng)的灰度值，計(jì)算出扇形光束的偏振態(tài)。
[0020]本發(fā)明的原理是將一個(gè)相位型液晶空間光調(diào)制器置于兩片正交的四分之一波片之間，可實(shí)現(xiàn)線偏振光偏振方向的任意旋轉(zhuǎn)。第一塊四分之一波片快軸方向與X軸成135° (-45° )，空間光調(diào)制器的快軸與X軸平行，第二塊四分之一波片快軸方向與X軸成45°。第一和第二塊四分之一波片的瓊斯矩陣是J1和J3,當(dāng)空間光調(diào)制器產(chǎn)生一
個(gè)相位延遲S (X，y)時(shí)，其瓊斯矩陣為J2,分別表述為:
【權(quán)利要求】
1.一種任意柱矢量偏振光偏振態(tài)的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:由可旋扇形光闌、兩片入/4波片、液晶空間光調(diào)制器(LC-SLM)、反射鏡、豎直偏振片、CXD相機(jī)以及計(jì)算機(jī)組成；任意柱偏振光入射首先通過(guò)可旋扇形光闌后變?yōu)樯刃喂馐?，轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)線偏振光；所述可旋扇形光闌繞中心法線軸旋轉(zhuǎn)，光束垂直通過(guò)可旋扇形光闌，且光束中心與可旋扇形光闌中心重合，扇形頂點(diǎn)在可旋扇形光闌中心點(diǎn)，扇形角度為銳角可調(diào)；然后準(zhǔn)線偏振光通過(guò)第一入/4波片后入射到LC-SLM，經(jīng)調(diào)制反射后通過(guò)第二 \ /4波片，實(shí)現(xiàn)偏振方向的旋轉(zhuǎn)，使其轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)水平線偏振光，通過(guò)豎直偏振片，經(jīng)CCD接收光強(qiáng)來(lái)確定是否轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)水平線偏振光；最后計(jì)算機(jī)通過(guò)程序設(shè)計(jì)快速按5灰度量級(jí)依次更換灰度圖的灰度值(0-255)控制LC-SLM的相位，當(dāng)CCD接收的光強(qiáng)最弱時(shí)，說(shuō)明光束已轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)水平線偏振光，此時(shí)的灰度值可推導(dǎo)出原扇形光束的偏振態(tài)；然后旋轉(zhuǎn)扇形光闌，對(duì)光束的其他扇形區(qū)域進(jìn)行同樣操作，當(dāng)各個(gè)方向的扇形光束的偏振方向都確定后，便可測(cè)得柱矢量偏振光各個(gè)方向的偏振態(tài)，從而得到整個(gè)柱矢量偏振光的偏振態(tài)；計(jì)算機(jī)還能夠通過(guò)縮小扇形角度以及灰度量級(jí)來(lái)提高測(cè)量精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種任意柱矢量偏振光偏振態(tài)的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述可旋扇形光闌的扇形角度為30°角。
3.一種任意柱矢量偏振光偏振態(tài)的測(cè)量方法，其特征在于包含以下步驟: S1:設(shè)置入射光束:要求入射光束為柱矢量偏振光，偏振方向任意，光束強(qiáng)度不超過(guò)CCD的曝光值強(qiáng)度； S2:調(diào)節(jié)可旋扇形光闌:要求可旋扇形光闌可繞中心法線軸旋轉(zhuǎn)，光束垂直通過(guò)可旋扇形光闌，且光束中心與可旋扇形光闌中心重合，扇形頂點(diǎn)在可旋扇形光闌中心點(diǎn)，扇形角度為銳角可調(diào)，不易過(guò)大； S3:設(shè)置第一入/4波片:要求光束的光軸過(guò)第一入/4波片中心且與法線平行，第一入/4波片能夠更換 ，且第一 \ /4波片的快軸與X軸即順著光路垂直于光軸水平向右方向成-45°，即 135° 角； S4:設(shè)置液晶空間光調(diào)制器(LC-SLM):采用反射式，快軸在水平方向，法線與光軸夾角小于6° ;LC-SLM是由計(jì)算機(jī)通過(guò)控制灰度圖實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，可固定時(shí)間后自動(dòng)切換灰度圖，實(shí)現(xiàn)相位的自動(dòng)調(diào)制；通過(guò)編程，每秒更換一次灰度圖，灰度圖的灰度值以5灰度為量級(jí)依次從0開(kāi)始遞增，直到255后停止；也可更換灰度量級(jí)，若減少量級(jí)，精度會(huì)提高，但測(cè)量次數(shù)會(huì)增加，若增大量級(jí)則相反； S5:設(shè)置第二入/4波片:要求光束的光軸過(guò)第二 X/4波片中心且與法線平行，第二入/4波片能夠更換，且第二 \ /4波片的快軸與X軸成45°角； S6:調(diào)節(jié)反射鏡，用于光束反射，改變光路:要求反射鏡中心與光束中心重合，入射光波長(zhǎng)具有很聞的反射率； S7:設(shè)置偏振片:要求入射光束具有很高的偏振敏感性，光束光軸過(guò)偏振片中心且與法線平行，其透射方向與水平方向垂直，即豎直方向； S8:調(diào)節(jié)CCD，記錄光束強(qiáng)度:要求光束垂直入射到(XD，CXD中心與扇形光束頂點(diǎn)重合，且光束最大強(qiáng)度不可超過(guò)CCD曝光值；CCD用于記錄光束強(qiáng)度，通過(guò)編程由計(jì)算機(jī)控制與LC-SLM的各灰度值同步記錄，篩選出最弱光強(qiáng)，找到對(duì)應(yīng)的灰度值，計(jì)算出扇形光束的偏振態(tài)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種任意柱矢量偏振光偏振態(tài)的測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟SI中的任意柱矢量偏振光通過(guò)光學(xué)器件產(chǎn)生，入射光譜寬小于±5nm，波段從可見(jiàn)光到近紅外，由LC-SLM的調(diào)制范圍決定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種任意柱矢量偏振光偏振態(tài)的測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟S2中可旋扇形光闌的扇形角度為30°角。
【文檔編號(hào)】G01J4/00GK103616077SQ201310646185
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】汪衛(wèi)華, 祁俊力, 楊錦宏, 王平, 鄧海飛, 麻曉敏, 史博, 王榮飛 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍陸軍軍官學(xué)院