本發(fā)明屬于高速動態(tài)實驗光學(xué)測量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀及相應(yīng)斯托克斯參數(shù)測量方法。

背景技術(shù)：

隨著激光技術(shù)與偏振物理的發(fā)展，斯托克斯偏振儀因同步且高速測量待測光斯托克斯參數(shù)得到廣泛應(yīng)用。在材料熱物性參數(shù)(如法向發(fā)射率、樣品真溫、比熱容、比焓、熱擴散率和導(dǎo)熱系數(shù)等，最關(guān)鍵參數(shù)為法向發(fā)射率)測量領(lǐng)域，斯托克斯偏振儀既能測量固體的脈沖加熱瞬態(tài)熱物性參數(shù)，又能測量液態(tài)金屬或合金的脈沖加熱瞬態(tài)熱物性參數(shù)；在糖溶液糖度測量領(lǐng)域，斯托克斯偏振儀開展旋光分析，能實現(xiàn)糖度和旋光度離線和在線的高速測量；類似的，斯托克斯偏振儀也能快速表征地表環(huán)境的濁度；在沖擊壓縮加載試驗中，斯托克斯偏振儀能夠高速且動態(tài)地測量沖擊過程中的斯托克斯向量變化歷程，進(jìn)而獲取受沖擊金屬樣件的光學(xué)常數(shù)和法向發(fā)射率變化歷程；在光纖通信領(lǐng)域，斯托克斯偏振儀能夠測量高速率、長鏈路光纖通信系統(tǒng)中光器件的偏振相關(guān)損耗。

而上述諸多測量應(yīng)用對斯托克斯向量的測量速度和測量頻率要求逐步提高，目前常見快速斯托克斯偏振儀多采用四通道分振幅斯托克斯偏振儀實現(xiàn)。其原理是：采用一束偏振光入射待測樣件，將反射光進(jìn)行分通道調(diào)制，再利用四個光電探測器探測各通道光強信號，借助校準(zhǔn)所得的儀器矩陣求取該偏振光的斯托克斯向量。

然而該方法存在以下問題：(1)該儀器在實現(xiàn)測量前必須已知儀器矩陣，且該矩陣測定過程比較繁瑣；(2)儀器矩陣未考慮各器件的參數(shù)偏差(如1/2波片、1/4波片方位角和相位延遲量等)和安裝誤差，導(dǎo)致實際測量時的測量結(jié)果存在不可降低的誤差；(3)儀器矩陣可能會是奇異矩陣，此時在實際測量時會得不到測量結(jié)果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀，其目的在于提高測量準(zhǔn)確度和精度。

本發(fā)明提供了一種六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀，包括：光收集模塊、第一分束器，第二分束器，1/4波片，第一偏振分束器，第二偏振分束器，第三偏振分束器，第一光纖準(zhǔn)直器，第二光纖準(zhǔn)直器，第三光纖準(zhǔn)直器，第四光纖準(zhǔn)直器，第五光纖準(zhǔn)直器，第六光纖準(zhǔn)直器，1/2波片，第一光電倍增管，第二光電倍增管，第三光電倍增管，第四光電倍增管，第五光電倍增管，第六光電倍增管，第一放大器，第二放大器，第三放大器，第四放大器，第五放大器，第六放大器，示波器和數(shù)據(jù)處理模塊；所述光收集模塊用于將待測樣品表面散射或反射的信號光準(zhǔn)直為平行光；所述第一分束器設(shè)置在所述光收集模塊的輸出光路上，用于將所述平行光分為第一反射光和第一透射光；所述第二分束器設(shè)置在所述第一分束器的透射光路上，用于將所述第一透射光分為第二反射光和第二透射光；所述第一偏振分束器設(shè)置在所述第一分束器的反射光路上，用于將所述第一反射光分為第三反射光和第三透射光；所述第一光纖準(zhǔn)直器的輸入端接收所述第三反射光，所述第一光纖準(zhǔn)直器的輸出端依次通過所述第一光電倍增管和第一放大器連接至所述示波器的第一輸入端；所述第二光纖準(zhǔn)直器的輸入端接收所述第三透射光，所述第二光纖準(zhǔn)直器的輸出端依次通過所述第二光電倍增管和第二放大器連接至所述示波器的第二輸入端；所述1/2波片和所述第二偏振分束器依次設(shè)置在所述第二分束器的反射光路上，所述第二偏振分束器用于將所述第二反射光分為第四反射光和第四透射光；所述第三光纖準(zhǔn)直器的輸入端接收所述第四反射光，所述第三光纖準(zhǔn)直器的輸出端依次通過所述第三光電倍增管和第三放大器連接至所述示波器的第三輸入端；所述第四光纖準(zhǔn)直器的輸入端接收所述第四透射光，所述第四光纖準(zhǔn)直器的輸出端依次通過所述第四光電倍增管和第四放大器連接至所述示波器的第四輸入端；所述1/4波片和第三偏振分束器依次設(shè)置在所述第二分束器的透射光路上，所述第三偏振分束器用于將所述第二透射光分為第五反射光和第五透射光；所述第五光纖準(zhǔn)直器的輸入端接收所述第五反射光，所述第五光纖準(zhǔn)直器的輸出端依次通過所述第五光電倍增管和第五放大器連接至所述示波器的第五輸入端；所述第六光纖準(zhǔn)直器的輸入端接收所述第五透射光，所述第六光纖準(zhǔn)直器的輸出端依次通過所述第六光電倍增管和第六放大器連接至所述示波器的第六輸入端；所述數(shù)據(jù)處理模塊與所述示波器的輸出端連接，用于對所述示波器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后獲得待測光的斯托克斯向量。

更進(jìn)一步地，光收集模塊包括：會聚透鏡，孔徑光闌和準(zhǔn)直透鏡，所述孔徑光闌設(shè)置在所述會聚透鏡的焦點和所述準(zhǔn)直透鏡的焦點處。

更進(jìn)一步地，測量面與待測樣品的相應(yīng)出射面是重合的，且待測樣品測量區(qū)域中心與所述會聚透鏡之間的距離大于1倍焦距。

更進(jìn)一步地，還包括：設(shè)置在所述第一光纖準(zhǔn)直器的輸出端與所述第一光電倍增管的輸入端之間的第一光纖，設(shè)置在所述第二光纖準(zhǔn)直器的輸出端與所述第二光電倍增管的輸入端之間的第二光纖，設(shè)置在所述第三光纖準(zhǔn)直器的輸出端與所述第三光電倍增管的輸入端之間的第三光纖，設(shè)置在所述第四光纖準(zhǔn)直器的輸出端與所述第四光電倍增管的輸入端之間的第四光纖，設(shè)置在所述第五光纖準(zhǔn)直器的輸出端與所述第五光電倍增管的輸入端之間的第五光纖和設(shè)置在所述第六光纖準(zhǔn)直器的輸出端與所述第六光電倍增管的輸入端之間的第六光纖。

更進(jìn)一步地，還包括：設(shè)置在所述示波器的輸出端與所述數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端之間的USB總線。

更進(jìn)一步地，所述第一分束器的分光面與所述平行光呈45°夾角，所述第二分束器的分光面與所述第一分束器的透射光呈45°夾角。

更進(jìn)一步地，第一分束器的透反比為2:1，所述第二分束器的透反比為1:1。

更進(jìn)一步地，所述第一偏振分束器，所述第二偏振分束器和所述第三偏振分束器的結(jié)構(gòu)相同，均為透射與反射消光比大于10000:1的立方體偏振分束器。

本發(fā)明還提供了一種基于上述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀的參數(shù)測量方法，包括下述步驟：

S1：調(diào)節(jié)待測光垂直入射到所述六通道分振幅斯托克斯偏振儀中；

S2：同步測得第一分支光束、第二分支光束、第三分支光束中各自p光和s光的光強分別為I_1P、I_1S、I_2P、I_2S、I_3P和I_3S；

S3：利用公式和計算待測光的斯托克斯向量偏振度

其中，由第一分束器、第一偏振分束器、第一和第二光纖準(zhǔn)直器、第一和第二光纖、第一和第二光電倍增管組成第一分支光路，第一分支光路包含的兩束光合稱為第一分支光束；由第一分束器、第二分束器、第二偏振分束器、1/2波片、第三和第四光纖準(zhǔn)直器、第三和第四光纖、第一和第二光電倍增管組成第二分支光路，第二分支光路包含的兩束光合稱為第二分支光束；由第一分束器、第二分束器、第三偏振分束器、1/4波片、第三和第四光纖準(zhǔn)直器、第三和第四光纖、第一和第二光電倍增管組成第三分支光路，第三分支光路包含的兩束光合稱為第三分支光束；I_1P、I_1S分別為在所述第一分支光路中由所述第一光電倍增管和所述第二光電倍增管所測量的光強信號；I_2P、I_2S分別為在第二分支光路中由所述第三光電倍增管和所述第四光電倍增管所測量的光強信號；I_3P、I_3S分別為在第三分支光路中由所述第五光電倍增管和所述第六光電倍增管所測量的光強信號；S為待測光的斯托克斯向量，S₁、S₂、S₃是斯托克斯向量S中第二、第三、第四向量元素，也稱為斯托克斯參數(shù)，P為偏振度。

更進(jìn)一步地，，在步驟S1之前還包括出廠前的參數(shù)修正步驟：

(1)采用He-Ne激光器、起偏器和1/4波片產(chǎn)生一束線偏振光，起偏器方位角α和1/4波片方位角β可在0°至360°內(nèi)調(diào)節(jié)；

(2)將此偏振光直接入射到上述的斯托克斯偏振儀中，并得到相應(yīng)斯托克斯向量；

(3)不斷改變起偏器和1/4波片的方位角時，儀器測量得到斯托克斯向量也相應(yīng)改變，則可生成斯托克斯參數(shù)測量曲線

(4)根據(jù)光的偏振理論建立斯托克斯理論模型，該理論模型中以各器件的參數(shù)偏差和安裝誤差值作為擬合參數(shù)；

(5)將該理論模型對應(yīng)的計算曲線S_i(α,β)與測量曲線進(jìn)行擬合，使得最小，則可反演得到各器件的參數(shù)偏差值(δ₁,δ₂···δ_q)和安裝誤差值

(6)根據(jù)所求參數(shù)偏差值和安裝誤差值修正儀器中的器件參數(shù)值；

其中，α為起偏器方位角，β為1/2波片方位角；δ為儀器中器件的參數(shù)偏差，δ_q表示第q個參數(shù)偏差；為儀器中器件的安裝誤差，表示第l個參數(shù)偏差；表示測量的斯托克斯參數(shù)S₁、S₂、S₃，下標(biāo)m表示測量；S_i(α,β)，i＝1,2,3，表示利用理論模型計算得到的斯托克斯參數(shù)S₁、S₂、S₃；N為起偏器方位角個數(shù)，M為1/4波片方位角個數(shù)。

總體而言，通過本發(fā)明所提出的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

(1)充分考慮儀器內(nèi)部各器件的參數(shù)偏差值和安裝誤差值，從而提高斯托克斯偏振儀測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度；

(2)儀器測量速度快，測量信號處理時間極短，且測量信號的時間分辨率非常高光電倍增管ns量級的時間響應(yīng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)200MHz的帶寬保證了該測量系統(tǒng)的時間分辨率為ns量級，能充分測量高速動態(tài)實驗中斯托克斯向量的漸變過程，優(yōu)選器件后可更快地響應(yīng)與測量，將斯托克斯偏振儀的應(yīng)用范圍拓展到?jīng)_擊動力學(xué)與材料熱物性測定領(lǐng)域；

(3)儀器采用六通道測量光強信號，再由斯托克斯向量定義得到斯托克斯向量，則儀器不僅能測量完全偏振光的斯托克斯向量，還能測量部分偏振光的斯托克斯向量，同時得到了待測光的偏振度，這拓展了斯托克斯偏振儀的測量對象；

(4)儀器的信號測量時間和信號處理時間都非常短，這使得儀器具有“所測即所得”的特點，降低了儀器操作人員的相關(guān)知識要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2是本發(fā)明實施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀的參數(shù)修正裝置圖；

圖3是本發(fā)明實施例的斯托克斯偏振儀典型實際測量案例一的示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例的斯托克斯偏振儀典型實際測量案例二的示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：10為會聚透鏡，20為孔徑光闌，30為準(zhǔn)直透鏡，40為第一分束器，41為第二分束器，50為1/4波片，60為第一偏振分束器，61為第二偏振分束器，62為第三偏振分束器，70為第一光纖準(zhǔn)直器，71為第二光纖準(zhǔn)直器，72為第三光纖準(zhǔn)直器，73為第四光纖準(zhǔn)直器，74為第五光纖準(zhǔn)直器，75為第六光纖準(zhǔn)直器，80為1/2波片，90為第一光電倍增管，91為第二光電倍增管，92為第三光電倍增管，93為第四光電倍增管，94為第五光電倍增管，95為第六光電倍增管，100為第一光纖，101為第二光纖，102為第三光纖，103為第四光纖，104為第五光纖，105為第六光纖，110為第一放大器，111為第二放大器，112為第三放大器，113為第四放大器，114為第五放大器，115為第六放大器，120為示波器，130為USB總線，140為數(shù)據(jù)處理模塊，200為氦氖激光光源，300為起偏器，400為1/4波片，500為待測樣品，600為六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明的目的在于：(1)將待測光的斯托克斯向量依照斯托克斯向量定義進(jìn)行測定，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的簡潔處理，則可忽略數(shù)據(jù)處理時間，從而保證測量數(shù)據(jù)的實時處理；(2)在實際測量前，充分考慮各內(nèi)部元器件的參數(shù)偏差和安裝誤差，并進(jìn)行相應(yīng)補償，從而提高測量結(jié)果的高準(zhǔn)確性與高精度；(3)擴展儀器測量對象，既可測量完全偏振光的斯托克斯向量，又可測量部分偏振光的斯托克斯向量，還能獲得待測光的偏振度值；(4)儀器測量結(jié)果與儀器矩陣無關(guān)，則避免了無法得到測量結(jié)果的情形；(5)當(dāng)儀器選用高速響應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件時，儀器能表征ns量級或更短時間下的材料光學(xué)屬性動態(tài)歷程，進(jìn)而實現(xiàn)材料在高溫高壓沖擊下熱物性的無損非接觸探測。

本發(fā)明提供了一種六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀，其組成器件包括會聚透鏡、孔徑光闌、準(zhǔn)直透鏡、分束器、1/2波片、1/4波片、偏振分束器、光纖準(zhǔn)直器、光纖、光電倍增管(或數(shù)據(jù)采集模塊)、放大器、多通道示波器、USB總線、數(shù)據(jù)處理模塊(依照待測光傳播順序)。孔徑光闌設(shè)置在會聚透鏡和準(zhǔn)直透鏡的共軛焦點處，此三器件構(gòu)成光收集模塊，能將待測樣品表面的散射信號光或反射的平行度較差的平行光準(zhǔn)直為平行度較高的平行光；所述分束器安裝于所述準(zhǔn)直透鏡的輸出光路上，兩個分束器相鄰放置，兩者的分光面與所述平行光束呈45°夾角，用于反射和透射所述平行光束得到被測量的第一分支光束、第二分支光束、第三分支光束(由第一個分束器分光面反射的光，經(jīng)過第一個偏振分束器，分束成平行于光入射面的p光和垂直于入射面的s光，p光和s光分別被各自對應(yīng)的光纖準(zhǔn)直器會聚進(jìn)入光纖中，此為第一分支光束；由第一個分束器分光面透射的光，再經(jīng)過第二個分束器分光面反射，透射過1/2波片，經(jīng)由第二個偏振分束器分束成p光和s光，最后分別被各自對應(yīng)的光纖準(zhǔn)直器會聚進(jìn)入光纖中，此為第二分支光束；由第一個分束器分光面透射的光，再被第二個分束器分光面透射，透射過1/4波片，經(jīng)由第三個偏振分束器分束成p光和s光，最后分別被各自對應(yīng)的光纖準(zhǔn)直器會聚進(jìn)入光纖中，此為第三分支光束)；所述三個偏振分束器分別設(shè)置在所述分束器的各分支輸出光路上，其分光面與所述各分支光束呈45°夾角，用于將各分支光束分束成對應(yīng)p光和s光；所述光纖準(zhǔn)直器將六路p光和s光會聚進(jìn)入所述光纖中，并被所述光電倍增管所探測，從而得到六路光強對應(yīng)弱電流信號；所述放大器將六路弱電流信號轉(zhuǎn)化并放大為電壓信號后輸送至所述多通道示波器(也可以是參數(shù)相同的若干個示波器)中進(jìn)行顯示，最終放大后的信號經(jīng)所述USB總線傳輸至所述數(shù)據(jù)處理模塊中，經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理得到待測光的斯托克斯向量；另外，所述六個光電倍增管、六個放大器、六根光纖性能一致。

在本發(fā)明實施例中，會聚透鏡直徑較大，用以搜集更多的散射光，且能使儀器適用于樣品靶面可能存在的毫秒級位移和微小角度的傾斜；所述分束器透反比可任意選定，但最佳透反比分別為2:1和1:1(最佳透反比是為了保證三個分支光束光強大致相等，則6個通道上所選用的光電倍增管配置參數(shù)相同，從而簡化儀器設(shè)計)，且具有顯著的保偏性；所述偏振分束器為透射與反射消光比均大于10000:1的立方體偏振分束器；所述光電倍增管響應(yīng)時間為ns量級，所述多通道示波器至少具有200MHz帶寬，且能同時處理六路信號(所述多通道示波器可替換為多個相同配置參數(shù)且至少具有200MHz帶寬的示波器)。

在本發(fā)明實施例中，六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀的測量面與待測樣品的相應(yīng)出射面是重合的，且待測樣品測量區(qū)域中心與會聚透鏡距離應(yīng)大于1倍焦距，并滿足幾何光學(xué)中高斯公式，從而確保待測樣品表面的散射光能較多地進(jìn)入六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀中。

本發(fā)明還提供了一種采用上述六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀進(jìn)行待測光斯托克斯參數(shù)高速動態(tài)參數(shù)測量的方法，其主要步驟包括兩部分：出廠前的參數(shù)修正過程、實際測量過程。

出廠前的參數(shù)修正過程如下：

(1)采用He-Ne激光器、起偏器和1/4波片產(chǎn)生一束線偏振光，起偏器方位角α和1/4波片方位角β可在0°至360°內(nèi)調(diào)節(jié)；

(2)將此偏振光直接入射到上述的斯托克斯偏振儀中，并得到相應(yīng)斯托克斯向量；

(3)不斷改變起偏器和1/4波片的方位角時，儀器測量得到斯托克斯向量也相應(yīng)改變，則可生成斯托克斯參數(shù)測量曲線

(4)根據(jù)光的偏振理論建立斯托克斯理論模型，該理論模型中以各器件的參數(shù)偏差和安裝誤差值作為擬合參數(shù)；

(5)將該理論模型對應(yīng)的計算曲線S_i(α,β)與測量曲線進(jìn)行擬合，使得最小，則可反演得到各器件的參數(shù)偏差值(δ₁,δ₂···δ_q)和安裝誤差值其中N為起偏器方位角個數(shù)，M為1/4波片方位角個數(shù)；

(6)根據(jù)所求參數(shù)偏差值和安裝誤差值修正儀器中的器件參數(shù)值。

實際測量過程如下：

(1)調(diào)節(jié)待測光垂直入射到所述六通道分振幅斯托克斯偏振儀中；

(2)同步測得第一分支光束、第二分支光束、第三分支光束中各自p光和s光的光強分別為I_1P、I_1S、I_2P、I_2S、I_3P和I_3S；

(3)利用計算出待測光的斯托克斯向量為偏振度為

為了更進(jìn)一步的說明本發(fā)明實施例提供的六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀及其參數(shù)測量方法，現(xiàn)結(jié)合附圖及具體實例詳述如下：

如圖1所示，本發(fā)明實施例的六通道分振幅斯托克斯偏振儀包括：會聚透鏡10，孔徑光闌20，準(zhǔn)直透鏡30，第一分束器40，第二分束器41，1/4波片50，第一偏振分束器60，第二偏振分束器61，第三偏振分束器62，第一光纖準(zhǔn)直器70，第二光纖準(zhǔn)直器71，第三光纖準(zhǔn)直器72，第四光纖準(zhǔn)直器73，第五光纖準(zhǔn)直器74，第六光纖準(zhǔn)直器75，1/2波片80，第一光電倍增管90，第二光電倍增管91，第三光電倍增管92，第四光電倍增管93，第五光電倍增管94，第六光電倍增管95，第一光纖100，第二光纖101，第三光纖102，第四光纖103，第五光纖104，第六光纖105，第一放大器110，第二放大器111，第三放大器112，第四放大器113，第五放大器114，第六放大器115，示波器120，USB總線130和數(shù)據(jù)處理模塊140。

其中第一分束器40對應(yīng)透反比為2:1，第二分束器41對應(yīng)透反比為1:1；第一偏振分束器60、第二偏振分束器61和第三偏振分束器62的規(guī)格均相同，且均是用于將偏振光分束為p光和s光；第一光纖準(zhǔn)直器70、第二光纖準(zhǔn)直器71、第三光纖準(zhǔn)直器72、第四光纖準(zhǔn)直器73、第五光纖準(zhǔn)直器74和第六光纖準(zhǔn)直器75規(guī)格均相同，均是用于將平行光束會聚為點光源；第一光纖100、第二光纖101、第三光纖102、第四光纖103、第五光纖104和第六光纖105規(guī)格相同，均是將光信號傳輸?shù)焦怆姳对龉苤校坏谝还怆姳对龉?0、第二光電倍增管91、第三光電倍增管92、第四光電倍增管93、第五光電倍增管94和第六光電倍增管95規(guī)格均相同，均是用于將光信號轉(zhuǎn)化為弱電流信號；第一放大器110、第二放大器111、第三放大器112、第四放大器113、第五放大器114和第六放大器115規(guī)格均相同，均用于將弱電流信號轉(zhuǎn)化并放大為電壓信號，最終傳輸進(jìn)入示波器。

儀器中首先安裝的是會聚透鏡10，在其焦點處安裝孔徑光闌20，再接著安裝準(zhǔn)直透鏡30，孔徑光闌20亦在準(zhǔn)直透鏡30的焦點上，此構(gòu)造成光收集模塊；隨后安裝分束器40和41，在分束器40的反射光路分支上安裝偏振分束器60，在分束器40的透射光路分支上安裝分束器41；在分束器41的反射光路分支上安裝1/2波片80，在1/2波片80后安裝偏振分束器61，在分束器41的透射光路分支上安裝1/4波片50，在1/4波片50后安裝偏振分束器62；在偏振分束器60的反射分支和透射分支上分別安裝光纖準(zhǔn)直器70和71，倆光纖準(zhǔn)直器分別通過光纖100和101連接到光電倍增管90和91；在偏振分束器61的反射分支和透射分支上分別安裝光纖準(zhǔn)直器72和73，倆光纖準(zhǔn)直器分別通過光纖72和73連接到光電倍增管92和93；在偏振分束器62的反射分支和透射分支上分別安裝光纖準(zhǔn)直器74和75，倆光纖準(zhǔn)直器分別通過光纖74和75連接到光電倍增管94和95；第一光電倍增管90、第二光電倍增管91、第三光電倍增管92、第四光電倍增管93、第五光電倍增管94和第六光電倍增管95分別連接第一放大器110、第二放大器111、第三放大器112、第四放大器113、第五放大器114和第六放大器115，而六個放大器并行連接到多通道示波器120中，示波器120通過USB總線130連接到數(shù)據(jù)處理模塊140。

待測樣品表面的散射光經(jīng)會聚透鏡10匯聚于孔徑光闌20中心，并被準(zhǔn)直透鏡30準(zhǔn)直為平行光，經(jīng)透反比為2:1的分束器40分束成兩束光(反射光和透射光)，其中反射光被偏振分束棱鏡60分束成p光(平行于入射面的線偏振光)和s光(垂直于入射面的線偏振光)，且分別經(jīng)光纖準(zhǔn)直器70和71會聚進(jìn)入光纖100和101中，進(jìn)而分別傳輸進(jìn)入光電倍增管90和91中并被探測，產(chǎn)生相應(yīng)的弱電流信號經(jīng)放大器110和111轉(zhuǎn)化并放大為電壓信號后輸送至多通道示波器120中，以上為斯托克斯偏振儀第一分支光束；分束器40的透射光進(jìn)入透反比為1:1的分束器41中，亦被分束成兩束光(反射光和透射光)，其中反射光經(jīng)1/2波片80調(diào)制后被偏振分束器61分束成p光和s光，且分別經(jīng)光纖準(zhǔn)直器72和73會聚進(jìn)入光纖102和103中，進(jìn)而分別傳輸進(jìn)入光電倍增管92和93中并被探測，產(chǎn)生相應(yīng)的弱電流信號經(jīng)放大器112和113轉(zhuǎn)化并放大為電壓信號輸送至多通道示波器120中，以上為斯托克斯偏振儀第二分支光束；分束器41的透射光經(jīng)1/4波片50調(diào)制后被偏振分束器62分束成p光和s光，且分別經(jīng)光纖準(zhǔn)直器74和75會聚進(jìn)入光纖104和105中，進(jìn)而分別傳輸進(jìn)入光電倍增管94和95中并被探測，產(chǎn)生相應(yīng)的弱電流信號經(jīng)放大器114和115轉(zhuǎn)化并放大為電壓信號輸送到多通道示波器120中，以上為斯托克斯偏振儀第三分支光束；多通道示波器120直接顯示此6通道對應(yīng)電壓信號，而此6路電壓信號與光路中6路光強信號是一一對應(yīng)，且成正比例，比例系數(shù)為各個光電倍增管的響應(yīng)系數(shù)與各個放大器110～115增益系數(shù)的相應(yīng)乘積；同時多通道示波器120可通過USB總線130將6路信號傳輸進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊140中，以便計算得到和顯示待測光的斯托克斯向量。

在本發(fā)明的一個實施例中，會聚透鏡10、光闌20、準(zhǔn)直透鏡30構(gòu)成待測光的光收集模塊，從而使得六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀既能測量平行待測光的斯托克斯向量，又能測量散射待測光的斯托克斯向量，且能夠適用于沖擊動態(tài)實驗中靶面發(fā)生毫米量級位移與微小角度傾斜的工況。分束器40和41最佳透反比分別為2:1和1:1(最佳透反比是為了保證三個分支光束光強大致相等，則6個通道上所選用的光電倍增管配置參數(shù)相同，從而簡化儀器設(shè)計)，將待測光束均分為三個分支光束。上述普通分束器40和41不改變待測光的偏振態(tài)，且其透反比并不局限于2:1和1:1，其它透反比時可通過校正和歸一化處理消除影響。1/2波片80方位角為22.5°，使得所在的第二分支光束能夠?qū)崿F(xiàn)斯托克斯參數(shù)S2的測量，1/4波片50方位角為135°，使得所在的第三分支光束能夠?qū)崿F(xiàn)斯托克斯參數(shù)S3的測量。第一偏振分束器60、第二偏振分束器61和第三偏振分束器62產(chǎn)生了六通道的光強信號。

如圖2所示，本發(fā)明實施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600參數(shù)修正裝置包含氦氖激光光源200、起偏器300、1/4波片-400，以及待校準(zhǔn)的六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600。在儀器出廠之前，需利用儀器測量已知斯托克斯向量的偏振光，并通過將測量斯托克斯信號曲線與理論含參模型曲線進(jìn)行擬合反演獲取儀器中各個元器件的參數(shù)偏差和安裝誤差，以補償儀器的缺陷，從而保證儀器在實際測量過程中能夠以高準(zhǔn)確度和精度測量待測光的斯托克斯向量。在該裝置中，氦氖激光光源200提供單色的線偏振光，經(jīng)消光比大于100000:1起偏器300后調(diào)制成特定方向的線偏振光(大消光比能保證線偏振光的良好偏振方向性，有利于保證儀器的優(yōu)良校準(zhǔn)效果)，再被1/4波片400調(diào)制后入射到六通道分振幅斯托克斯偏振儀600中并被探測。此校準(zhǔn)過程即：不斷改變起偏器300和1/4波片400的方位角，將相應(yīng)產(chǎn)生的線偏振光入射到六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600中，通過擬合反演計算求取該六通道分振幅斯托克斯偏振儀600中各光學(xué)元器件的參數(shù)偏差與安裝誤差。

如圖3所示，本發(fā)明實施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600應(yīng)用于實際測量的示意裝置一，此時斯托克斯偏振儀600在裝置一中可探測樣品表面反射光的斯托克斯向量，并能夠依靠入射光路中起偏器的調(diào)制實現(xiàn)樣件瓊斯矩陣或穆勒矩陣的測量，進(jìn)而能夠有效表征材料的光學(xué)屬性。圖3示意裝置包含氦氖激光光源200、起偏器300、待測樣品500以及六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600。氦氖激光光源200提供單色的線偏振光，經(jīng)起偏器300調(diào)制后入射到樣品表面，再被反射進(jìn)入六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600中并被探測。這樣的裝置具備如下技術(shù)優(yōu)點：(1)不僅能夠測量完全偏振光的斯托克斯向量，也能測量部分偏振光的斯托克斯向量；(2)能夠測量樣件的瓊斯矩陣或穆勒矩陣，可計算得到樣件材料的復(fù)折射率，繼而求得樣件表面的法向發(fā)射率，為樣品材料在高溫高壓下熱物性參數(shù)測定提供必要參數(shù)；(3)能夠測定樣件材料瞬態(tài)屬性的動態(tài)歷程；(4)能夠?qū)崟r測量信號且實時處理信號，裝置的“所見即所得”特性能夠降低對儀器操作人員的知識要求。

如圖4所示，本發(fā)明實施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600應(yīng)用于實際測量的示意裝置二，此時斯托克斯偏振儀600在裝置二中探測樣品表面反射光的斯托克斯向量。整個裝置應(yīng)用于僅需探測反射光斯托克斯向量的情形。裝置二包含氦氖激光光源200、待測樣品500以及六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600。氦氖激光光源200提供單色的線偏振光，入射到樣品表面，再被反射進(jìn)入六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600中并被探測。該裝置功能簡單，僅應(yīng)用于高速動態(tài)實驗中斯托克斯參數(shù)的瞬態(tài)測定，其優(yōu)點與斯托克斯偏振儀600的優(yōu)點一致。

本發(fā)明實施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀不僅可探測完全偏振光，還能探測部分偏振光，其測量斯托克斯向量原理直接依賴于斯托克斯向量的定義，其測量理論推導(dǎo)如下。

以一束任意偏振度的偏振光入射該六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀為例，該入射偏振光斯托克斯向量由公式(1)描述：

該光束經(jīng)分束器40而產(chǎn)生的第一分支光束被偏振分束器60分束成p光和s光，并被光電倍增管90和91探測，其作用過程可由公式(2)和(3)描述。

其中M_P、M_S為偏振分束器60對應(yīng)的穆勒矩陣，而光電倍增管90和91僅探測光強，分別為I_1P、I_1S，兩者取值分別為S_out,1P和S_out,1S的第一項。通過I_1P和I_1S可得到待測斯托克斯向量中S₁，如下公式(4)所描述。

該光束經(jīng)由分束器40和41而產(chǎn)生的第二分支光束，被方位角為22.5°的1/2波片80調(diào)制，再由偏振分束器61分束成p光和s光，并被光電倍增管92和93探測，其作用過程可由公式(5)和(6)描述。

其中M_HWP為1/2波片80對應(yīng)穆勒矩陣，R(22.5°)和R(-22.5°)為旋轉(zhuǎn)矩陣。第三光電倍增管92和第四光電倍增管93僅探測光強，分別為I_2P、I_2S，兩者取值分別為S_out,2P和S_out,2S的第一項。通過I_2P和I_2S可得到待測斯托克斯向量中S₂，如下公式(7)所描述。

該光束經(jīng)由分束器40和41而產(chǎn)生的第三分支光束，被方位角為135°的1/4波片50調(diào)制，再由偏振分束器62分束成p光和s光，并被第五光電倍增管94和第六光電倍增管95探測，其作用過程可由公式(8)和(9)描述。

其中M_QWP為1/4波片50對應(yīng)穆勒矩陣，R(135°)和R(-135°)為旋轉(zhuǎn)矩陣。光電倍增光94和95僅探測光強，分別為I_3P、I_3S，兩者取值分別為S_out,3P和S_out,3S的第一項。通過I_3P和I_3S可得到待測斯托克斯向量中S₃，如下公式(10)所描述。

在本發(fā)明實施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀中，通過光電倍增管90～95所測的光強信號I_1P、I_1S、I_2P、I_2S、I_3P和I_3S，直接利用公式4、7和10可計算得到該任意偏振度偏振光的斯托克斯參數(shù)S₁、S₂、S₃，進(jìn)而可獲取該偏振光的偏振度，如公式(11)所述。

此六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀因采用斯托克斯向量定義實現(xiàn)待測光的斯托克斯參數(shù)測量，無需通過校準(zhǔn)過程來獲取儀器矩陣，但卻需采用校準(zhǔn)獲取此偏振模塊中各元器件的光學(xué)參數(shù)，如1/2波片80和1/4波片50的方位角誤差和相位延遲量誤差、偏振分束器(60、61、62)的方位角偏差、普通分束器(40、41)的偏振影響等。通過校準(zhǔn)獲取上述參數(shù)后，可提高此六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀的測量精度。

上述六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀有兩種常見工作模式：一是作為橢偏儀的檢偏光路，用以測量待測樣品的瓊斯矩陣或穆勒矩陣；二是探測樣品表面瞬態(tài)反射光的斯托克斯向量。

在第一種工作模式下，舉例如圖3所示，開啟光源200，利用起偏器300對入射光進(jìn)行調(diào)制，再輻照到待測各向同性樣品表面500，利用六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600探測樣品表面的反射光，不僅可測得反射光斯托克斯向量，進(jìn)而可測量待測各向同性樣品的橢偏參數(shù)(ψ,Δ)，如公式(12)所描述。

其中，S_in為待測樣品入射光的歸一化斯托克斯向量，其可通過起偏器300制后為已知，M_S為各向同性待測樣品的穆勒矩陣，S_r為六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀所測得的反射光斯托克斯向量。將起偏器300進(jìn)行調(diào)制即可建立相應(yīng)線性方程組，從而求取待測樣品的橢偏參數(shù)。

在第二種工作模式下，舉例如圖4所示，開啟光源200，輻照到待測樣品500表面，反射光被六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600探測，此時該六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600能夠快速測量反射光的斯托克斯向量。此種工作模式常常應(yīng)用于高速動態(tài)實驗中斯托克斯向量的高速瞬態(tài)與在線測量。

在本發(fā)明實施例的六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀中，各光學(xué)元器件均靜態(tài)放置，則此六通道分振幅高速斯托克斯偏振儀600的測量時間分辨率由光電倍增管90～95、放大器110～115、示波器120等決定。而在優(yōu)選上述器件后，可實現(xiàn)更快時間量級的斯托克斯參數(shù)瞬態(tài)測量。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。