CN104614073A - 一种基于硅基液晶的偏振检测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅基液晶的偏振检测***及方法,所述偏振检测***包括检偏器、光探测器、硅基液晶驱动模块、控制单元和用于相位调制的硅基液晶,硅基液晶在硅基液晶驱动模块的驱动下对待测光进行相位调节,获取一系列偏振光,通过对这一系列偏振光的分析获取待测光的偏振信息,包括竖直方向与水平方向的振幅及相位差。本发明的***在精确可编程控制下,进行偏振态检测与控制,不受类似于波片的波长敏感性制约;且本发明采用硅基液晶进行相位调制,响应时间得到显著优化;同时还具有光偏振态检测与控制一体化实现的特点,具有广泛的应用场景。
Description
技术领域
本发明属于光学领域中偏振态检测与偏振控制技术领域,更具体地,涉及一种基于硅基液晶的偏振检测***及方法。
背景技术
偏振是光的基本特性之一,偏振光已经有了广泛的应用,如3D电影、LCD显示技术、高清摄影技术、光通信领域的偏振复用技术等;在偏振光应用的各领域中,均涉及对光的偏振态进行检测或控制。例如,光纤通信***中需要评估一段光纤或者一套通信***的偏振模色散,其中第一步即需要精确检测传输信号的偏振信息,然后才能进行后续的分析。在其他的光学仪器中,如MZ干涉仪,偏振分光镜,偏振控制器等偏振相关的器件,光的偏振态也是影响仪器工作性能的重要参数,需要对光的偏振态做出分析。
硅基液晶是一种很好的与偏振相关的器件,用于对光进行偏振选择性的相位调制,相位调制深度由施加在硅基液晶上的驱动电压所控制,且可以通过实时改变驱动电压实现实时的相位控制。
现有的偏振检测***中,一般应用到了波片。例如申请公布号为CN103616077A的专利申请文件中所涉及的偏振态检测***,由可旋扇形光阑、两个波片、液晶空间光调制器、反射镜、竖直偏振片、CCD相机以及计算机组成。然而,进一步的研究表明,这种采用了波片的偏振检测***,由于波片的波长相关性特性,使得偏振态检测***的应用场景受到波长限制;故在相关领域有必要对现有偏振检测***做出进一步改进,以获得应用场景更为广泛,结构更为简单的检测***。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种基于硅基液晶的偏振检测***及方法,其目的在于通过硅基液晶的可控相位调制以实现光束偏振态的检测与控制,由此解决现有偏振检测***应用场景受限的技术问题。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种基于硅基液晶的偏振检测***,所述偏振检测***包括硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon,LCOS)、硅基液晶驱动模块、检偏器、光探测器(photon detector,PD)和控制单元;所述硅基液晶、所述检偏器和所述光探测器依次置于待测光束的直线方向上,均设置于所述待测光束的准直范围内;
所述硅基液晶的控制端连接硅基液晶驱动模块的输出端,所述硅基液晶驱动模块的输入端连接所述控制单元的输出端,所述控制单元的输入端连接所述光探测器的输出端;
所述硅基液晶接收入射的待测光,在所述硅基液晶驱动模块的控制下对所述待测光进行相位加载后输出第一光束,所述检偏器滤除所述第一光束中与检偏器通光方向垂直方向上的光后输出第二光束;所述光探测器探测所述第二光束的强度,并对其进行光电转换后反馈给所述控制单元;所述控制单元进行数据分析后获得偏振态参数;所述硅基液晶驱动模块根据控制单元发出的控制信号驱动硅基液晶对入射光加载相位。
优选的,所述基于硅基液晶的偏振检测***中,所述硅基液晶、检偏器和光探测器均设置于待测光束的中心轴线上。
按照本发明的另一方面,提供了一种偏振控制的方法,所述方法采用本发明提供的基于硅基液晶的偏振检测***,根据检测到的偏振信息与用户需求,在硅基液晶加载相位以改变入射光偏振态,获取具有可调偏振态的出射光。
按照本发明的又一方面,提供了一种光学元件偏振特性检测的方法,所述方法采用本发明提供的基于硅基液晶的偏振检测***,将待测光学元件置于硅基液晶与检偏器之间,处于硅基液晶与检偏器的中心轴线上;
光源发出偏振态确定的偏振光,经过所述偏振检测***进行相位调制并滤除与检偏器通光方向垂直方向上的光,获取出射光束,并通过控制单元获取所述出射光束的偏振信息,将所述出射光束偏振信息与入射光束偏振信息进行比对后获得待测光学元件的偏振特性。
按照本发明的又一方面,提供了一种基于硅基液晶的偏振检测方法,在所述偏振检测方法中采用琼斯矩阵法描述光的偏振态,所述偏振态用沿着竖直方向振动的P偏振分量和沿着水平方向振动的S偏振分量的振幅以及两个方向偏振分量的相位差来表征;所述方法包括以下步骤:
(1)通过在入射到硅基液晶的待测光束的P偏振分量上加载0到2π的相位θ,来改变入射光的偏振态,获得一系列偏振光;
(2)滤除所述一系列偏振光中与检偏器通光方向垂直方向上的光;
(3)由光探测器探测得到经步骤(2)过滤后的光的光强度值I;
(4)根据所述光强度值I与加载的相位θ构成的离散坐标点获取θ-I曲线;
(5)获取θ-I曲线上两个波谷的坐标(θi,Ii),θi表示Ii光强度下加载的相位,i=1或2;
(6)根据步骤(5)确定的θi,获取P,S两偏振分量的相位差;
(7)根据步骤(6)获取的相位差、步骤(1)中加载的相位及加载相位所对应的光强度值,获取P,S两偏振分量振幅。
优选地,所述步骤(6)获取P,S两偏振分量相位差的方法具体如下:
(6.1)获取第一波谷(θ1,I1)的相邻点(θm,Im),第二波谷(θ2,I2)的相邻点(θn,In),m不等于n;
(6.2)比较(θm,Im)与(θn,In)两个点光强度值的大小;
(6.3)若(θm,Im)点的光强度值大于(θn,In)点的光强度值,则两偏振分量相位差为2π-θ1;如果(θm,Im)点的光强度值小于(θn,In)点的光强度值,则两偏振分量相位差为π-θ1。
优选地,所述步骤(7)获取P,S两偏振分量振幅的方法具体如下:
(7.1)建立待测光束经硅基液晶进行相位加载后输出光束的轨迹的数学模型:
其中,Ex为P方向电场强度,Ey为S方向电场强度,a为P偏振分量振幅,b为S偏振分量振幅;为待测光束P偏振分量与S偏振分量的相位差,θ为加载的相位;
(7.2)将检偏器的通光方向设置成与X轴正半轴方向成α角度,与Y轴正半轴方向成(90°-α)角度;根据检偏器的通光方向获取检偏器输出光束的Y轴方向电场强度Ey与X轴方向电场强度Ex的关系为Ey=(tanα)Ex;所述X轴方向为水平方向,X轴正半轴方向为水平向右方向;Y轴方向为竖直方向,Y轴正半轴方向为竖直向上方向;
(7.3)根据步骤(7.1)中建立的输出光束轨迹数学模型与步骤(7.2)中的两方向电场强度关系,建立光强度与加载相位的函数关系:
其中,I为偏振光在对应的加载相位下的光强度,k表示通光方向斜率且k=tanα;
(7.4)根据加载相位θ、探测得的光强度I和步骤(6)中获取的相位差,根据(7.3)所述的数学模型获取P,S两偏振分量振幅a和b。
优选地,将加载的相位值与光强度实测值进行数据分析以获取偏振态参数;
将加载的相位值与光强度探测值进行数据分析以获取待测光的偏振态参数;所述数据分析采用数据拟合法进行迭代,具体包括以下步骤:
a,预设待测光束偏振态参数为其中aj表示第j次迭代中的P偏振分量振幅;bj表示j次迭代中的S偏振分量振幅;表示第j次迭代中P偏振分量与S偏振分量的相位差;j取大于1的整数;
b,根据光强度与加载相位的函数关系,获取第j次迭代的光强度计算值;
c,获取待测光束光强度探测值;
d,获取光强度探测值与光强度计算值的误差,用ΔIj表示;
e,改变预设的偏振态参数为重复步骤b-d,获取光强度探测值与本次迭代得到光强度计算值的误差,用ΔIj+1表示;
f,比较误差ΔIj与误差ΔIj+1;若ΔIj+1大于ΔIj,表明更接近待测光偏振态参数的实际值,在基础上对P,S两个方向的振幅与相位差分别加上随机值,重复迭代;若ΔIj+1小于ΔIj,则表明更接近待测光偏振态参数的实际值,在基础上对P,S两个方向的振幅与相位差分别加上随机值,重复迭代;
g,重复迭代,直到连续n次获取的相同,n>2;
h,最后一次迭代获取的即为待测光的偏振态参数。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
(1)本发明的研究表明,由于LCOS具有偏振选择性的相位调制功能,可用硅基液晶代替波片进行相位延迟调制,因此本发明在现有的偏振检测***的基础上,采用硅基液晶代替波片,由此取得两个方面的突出改进:一是突破了现有技术的偏振检测***受波片波长的限制;二是简化了偏振相关器件,只需LCOS和检偏器两个偏振器件,简化了***结构;
(2)由于LCOS对一定波长范围内的光都可以进行完整的0到2π的相位调制,所以本发明适合不同波长的偏振光的检测;只需知道某波长下相位调制值与电压的关系,即可以实现对特定波长的光进行偏振检测,相比于与波长紧密相关的波片,本发明提供的偏振检测***的应用范围更广泛;
(3)本发明提供的检测***采用LCOS做相位调节,相比于机械或者手动控制的波片调节,LCOS的响应速度快,检测***的响应时间得到显著的优化;
(4)本发明中LCOS的相位调节是在控制单元的控制下由驱动模块实现电控调节,相比于波片的机械控制或者手动控制,具有可控性好、精度高的特点,进而使得本***的检测精度得到极大提升;
(5)在本发明的优选方案里,采用数据拟合法进行数据分析的过程可利用数据分析处理软件如matlab完成,实现自动检测,可以精准地检测分析偏振态;
(6)本发明提供的检测***对光路的准直性要求不高,不必进行光路耦合等复杂操作,就可以实现偏振态的检测与精确控制一体化完成;
(7)本发明的***结构紧凑简单,适宜于集成化及便携式检测;除了应用于对未知光源进行偏振态检测之外,还可应用于对未知光学元件的偏振态分析已经对已知光源进行偏振态控制,用途得到广泛扩展。
附图说明
图1是本发明的偏振检测***用于测量入射偏振态的***框图;
图2是本发明实施例1的偏振检测***用于对光学元件偏振特性检测的***框图;
图3是本发明实施例2的偏振检测方法的流程图;
图4为本发明实施例2自动检测过程中偏振态参数数据分析的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
由图1所示,本发明提供的基于硅基液晶的偏振检测***包括:硅基液晶、硅基液晶驱动模块、检偏器、控制单元和光探测器;
所述硅基液晶的控制端连接硅基液晶驱动模块的输出端,硅基液晶驱动模块的控制端连接控制单元的输出端,控制单元的输入端连接光探测器的输出端;
所述硅基液晶、检偏器和光探测器依次置于待测光的直线方向上,均设置于待测光束的准直范围内;所述硅基液晶接收入射的待测光,在硅基液晶驱动模块的控制下对入射光加载相位,输出光束透射到检偏器上,滤除与检偏器通光方向垂直方向上的光后透射到光探测器上;光探测器探测经过检偏器后的光的强度,并进行光电转换,将光强度转换成光强度值反馈到控制单元进行数据分析。
本发明实施例1的偏振检测***应用于光学元件偏振特性检测分析的***框图如图2所示,待测光学元件置于LCOS与检偏器之间,三者中心轴线对齐;
光源发出偏振态确定的偏振光,经过所述偏振检测***进行相位加载并滤除与检偏器通光方向垂直方向上的光,获取出射光束,通过控制单元获取出射光束偏振信息,对比出射光束偏振信息与入射光束偏振信息获取待测光学元件的偏振特性。
在本实施例中,LCOS的相位加载是在计算机的控制下由驱动模块实现电控调节,通过改变驱动电压来改变加载的相位,相比于波片的机械控制或者手动控制,具有可控性好、精度高的特点,进而使得本***的检测精度得到极大提升。
本发明实施例2中,检偏器通光方向设置为P光与S光45°夹角放置;控制单元采用计算机实现,用以对硅基液晶驱动单元进行可编程控制以及对出射光束进行数据分析,实现自动检测。
实施例2的偏振检测方法的流程图如图3所示,具体的调制过程中,以1°的相位调制精度,在P偏振分量上加载由0到2π的相位θ;由光探测器探测得到一系列的光的强度值I,绘制出θ-I曲线;
θ-I曲线上有两个波谷的坐标(θi,Ii),θi表示Ii光强度下加载的相位,i=1或2;在θ-I曲线上寻找第一波谷(θ1,I1)的相邻点(θm,Im),第二波谷(θ2,I2)的相邻点(θn,In),m不等于n;
根据本发明建立的光强度与加载相位之间的函数关系式分析得知:光强度值为0时,对应的坐标点为θ-I曲线上的两个波谷点,这两个波谷点对应的的值为π或2π,需要确定每一个波谷点对应的的值;由于波谷点光强度值为0,无法相互区分,而两个波谷的相邻点的光强度值有很大区别,所以可借助波谷相邻点的光强度值确定的值为π还是2π;比较两个波谷相邻点(θm,Im)与(θn,In)的光强度值的大小,若(θm,Im)点的光强度值大于(θn,In)点的光强度值,则两偏振分量相位差为2π-θ1;如果(θm,Im)点的光强度值小于(θn,In)点的光强度值,则两偏振分量相位差为π-θ1。
确定相位差后,根据θ-I曲线上任意两点的光强度值I与加载相位θ,获取两偏振分量的振幅a和b,具体如下:
检偏器输出的光束轨迹数学模型表示如下:
检偏器输出光束的强度与加载相位的函数关系表示如下:
其中,由于检偏器通光方向设置成P光与S光45°夹角,故k=tan45°=1;Ey=(tan45°)Ex=Ex;
将光强度探测值I、已确定的相位差及加载相位θ,代入上述函数I=f(θ),获取P,S两偏振分量的振幅a和b。
本发明的实施例2中,自动检测过程中偏振态参数数据分析的流程如图4所示,具体为:
a,预设待测光束偏振态参数为其中a1表示第1次迭代中的P偏振分量振幅;b1表示第1次迭代中的S偏振分量振幅;表示第1次迭代中P偏振分量与S偏振分量的相位差;j取大于1的整数;
b,根据光强度与加载相位的函数关系I=f(θ),获取第1次迭代的光强度计算值;
c,获取待测光束光强度探测值;
d,获取光强度探测值与光强度计算值的误差,用ΔI1表示;
e,改变预设的偏振态参数为重复步骤b-d,获取光强度探测值与本次迭代得到光强度计算值的误差,用ΔI2表示;
f,比较误差ΔI1与误差ΔI2;若ΔI2大于ΔI1,表明更接近待测光偏振态参数的实际值,在基础上对P,S两个方向的振幅与相位差分别加上很小的随机值,重复迭代;若ΔI2小于ΔI1,则表明更接近待测光偏振态参数的实际值,在基础上对P,S两个方向的振幅与相位差分别加上很小的随机值,重复迭代;
g,重复迭代,直到连续10次获取的相同;
h,最后一次迭代获取的即为待测光的偏振态参数。
以上采用数据拟合法进行偏振态参数数据分析过程,在实施例2里利用数据分析处理软件matlab完成,设定好加载相位θ以及迭代参数即可自动检测,实现快速精准地对偏振态的分析。
在入射光的偏振态确定的情况下(即P,S两偏振分量的振幅以及相位差已知),移除检偏器,通过对入射光的某一个偏振分量加载0到2π范围内的任意相位,改变原偏振态,获取偏振信息调制后的确定偏振光。
液晶器件是波长敏感器件,同一个加载相位值对不同的波长产生不同的相位调制。一般而言,若硅基液晶满足波长λ下的0到2π的调制,则可以完成波长小于λ时的最大可调制相位大于2π的调制效果,所以只需要确定在特定波长下的相对应的相位调制效果,即可以完成对不同波长的光的偏振态的检测分析与控制,不受波片的严格波长限制。
硅基液晶的响应速度一般为50ms,高速硅基液晶相位调制的响应时间可达7ms,相比于波片的手动控制或者机械控制,本发明采用硅基液晶的偏振检测***的响应时间得到显著的优化。同时,由于本发明的相位调制采用电控而不是机械控制或者手动控制,其分析检测精度也得到极大提升。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于硅基液晶的偏振检测***,其特征在于,所述偏振检测***包括硅基液晶、硅基液晶驱动模块、检偏器、光探测器和控制单元;
所述硅基液晶、所述检偏器和所述光探测器依次置于待测光束的直线方向上,均设置于所述待测光束的准直范围内;
所述硅基液晶的控制端连接硅基液晶驱动模块的输出端,所述硅基液晶驱动模块的输入端连接所述控制单元的输出端,所述控制单元的输入端连接所述光探测器的输出端;
所述硅基液晶接收入射的待测光,在所述硅基液晶驱动模块的控制下对所述待测光进行相位加载后输出第一光束,所述检偏器滤除所述第一光束中与检偏器通光方向垂直方向上的光后输出第二光束;所述光探测器探测所述第二光束的强度,并对其进行光电转换后反馈给所述控制单元;所述控制单元进行数据分析后获得偏振态参数。
2.如权利要求1所述的偏振检测***,其特征在于,所述硅基液晶、检偏器和光探测器均设置于待测光束的中心轴线上。
3.一种采用权利要求1或2所述的偏振检测***进行偏振控制的方法,其特征在于,所述方法具体为:根据检测到的偏振信息与用户需求,在硅基液晶加载相位以改变入射光偏振态,获取具有可调偏振态的出射光。
4.一种采用权利要求1或2所述的偏振检测***进行光学元件偏振特性检测的方法,其特征在于,所述方法具体如下:
将待测光学元件置于硅基液晶与检偏器之间,处于硅基液晶与检偏器的中心轴线上;
光源发出偏振态确定的偏振光,经过所述偏振检测***进行相位调制并滤除与检偏器通光方向垂直方向上的光,获取出射光束,并通过控制单元获取所述出射光束的偏振信息,将所述出射光束偏振信息与入射光束偏振信息进行比对后获得待测光学元件的偏振特性。
5.一种采用权利要求1或2所述基于硅基液晶的偏振检测***的偏振检测方法,其特征在于,在所述偏振检测方法中采用琼斯矩阵法描述光的偏振态,所述偏振态用沿着竖直方向振动的P偏振分量和沿着水平方向振动的S偏振分量的振幅以及两个方向偏振分量的相位差来表征;所述方法包括以下步骤:
(1)通过在入射到硅基液晶的待测光束的P偏振分量上加载0到2π的相位θ,来改变入射光的偏振态,获得一系列偏振光;
(2)滤除所述一系列偏振光中与检偏器通光方向垂直方向上的光;
(3)由光探测器探测得到经步骤(2)过滤后的光的光强度值I;
(4)根据所述加载的相位θ与光强度值I构成的离散坐标点获取θ-I曲线;
(5)获取θ-I曲线上两个波谷的坐标(θi,Ii),θi表示Ii光强度下加载的相位,i=1或2;
(6)根据步骤(5)确定的θi,获取P,S两偏振分量的相位差;
(7)根据步骤(6)获取的相位差、步骤(1)中加载的相位及加载相位所对应的光强度值,获取P,S两偏振分量振幅。
6.如权利要求5所述的偏振检测方法,其特征在于,步骤(6)所述获取P,S两偏振分量相位差的方法具体如下:
(6.1)获取第一波谷(θ1,I1)的相邻点(θm,Im),第二波谷(θ2,I2)的相邻点(θn,In),m不等于n;
(6.2)比较(θm,Im)与(θn,In)两个点光强度值的大小;
(6.3)若(θm,Im)点的光强度值大于(θn,In)点的光强度值,则两偏振分量相位差为2π-θ1;如果(θm,Im)点的光强度值小于(θn,In)点的光强度值,则两偏振分量相位差为π-θ1。
7.如权利要求5或6所述的偏振检测方法,其特征在于,步骤(7)所述获取P,S两偏振分量振幅的方法具体如下:
(7.1)建立待测光束经硅基液晶进行相位加载后输出光束的轨迹的数学模型:
其中,Ex为P方向电场强度,Ey为S方向电场强度,a为P偏振分量振幅,b为S偏振分量振幅;为待测光束P偏振分量与S偏振分量的相位差,θ为加载的相位;
(7.2)将检偏器的通光方向设置成与X轴正半轴方向成α角度,与Y轴正半轴方向成(90°-α)角度;根据检偏器的通光方向获取检偏器输出光束的Y轴方向电场强度Ey与X轴方向电场强度Ex的关系为Ey=(tanα)Ex;
(7.3)根据步骤(7.1)中建立的输出光束轨迹数学模型与步骤(7.2)中的两方向电场强度关系,建立光强度与加载相位的函数关系:
其中,I为偏振光在对应的加载相位下的光强度,k表示通光方向斜率且k=tanα;
(7.4)根据加载相位θ、探测得的光强度I和步骤(6)中获取的相位差,根据(7.3)所述的函数关系获取P,S两偏振分量振幅a和b。
8.如权利要求7所述的偏振检测方法,其特征在于,将加载的相位值与光强度探测值进行数据分析以获取待测光的偏振态参数;所述数据分析采用数据拟合法进行迭代,具体包括以下步骤:
a,预设待测光束偏振态参数为其中aj表示第j次迭代中的P偏振分量振幅;bj表示j次迭代中的S偏振分量振幅;表示第j次迭代中P偏振分量与S偏振分量的相位差;j取大于1的整数;
b,根据光强度与加载相位的函数关系,获取第j次迭代的光强度计算值;
c,获取待测光束光强度探测值;
d,获取光强度探测值与光强度计算值的误差,用ΔIj表示;
e,改变预设的偏振态参数为重复步骤b-d,获取光强度探测值与本次迭代得到光强度计算值的误差,用ΔIj+1表示;
f,比较误差ΔIj与误差ΔIj+1;若ΔIj+1大于ΔIj,表明更接近待测光偏振态参数的实际值,在基础上对P,S两个方向的振幅与相位差分别加上随机值,重复迭代;若ΔIj+1小于ΔIj,则表明更接近待测光偏振态参数的实际值,在基础上对P,S两个方向的振幅与相位差分别加上随机值,重复迭代;
g,重复迭代,直到连续n次获取的相同,n>2;
h,最后一次迭代获取的即为待测光的偏振态参数。
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