CN106225928A - 一种矢量光束偏振分布检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矢量光束偏振分布检测装置，包括四分之一波片、线偏振光检偏器、旋转模块、图像采集模块和计算机。还公开了矢量光束偏振分布检测方法，入射平行光束经四分之一波片和线偏振光检偏器，后被图像采集模块探测；通过旋转模块改变四分之一波片快轴方向，图像采集模块曝光记录受四分之一波片快轴方向调制的一系列光束图像；计算机把图像细分成微区域，针对每个微区域可认为其偏振分布均匀，分析其受四分之一波片快轴方向调制的强度曲线，可以获取该微区域的偏振态，对所有微区域做相同的处理，最终获取整个光束的偏振态分布。本发明的装置和方法，结构简单、适用性好、稳定可靠，能够实现任意矢量光束偏振分布快速、自动、准确的检测。

Description

一种矢量光束偏振分布检测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种矢量光束偏振分布检测装置和方法，属于光学偏振检测技术领域。

背景技术

光的偏振和强度、相位一样是光的一个重要性质。而偏振光又根据偏振分布分为均匀偏振光和非均匀偏振光。均匀偏振光指在光束横截面上，光的偏振态不随空间变化分布均匀，如线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光和部分偏振光等，这种光束称作标量光束；非均匀偏振光的偏振状态在光束横截面上分布不均匀，随空间分布发生变化，如径向偏振、角向偏振、涡旋光场和椭圆矢量光束等，这种光束称作矢量光束。

两种光束的偏振特性，在很多领域都有重要应用。标量光束的偏振应用比如液晶显示，就是基于光学偏振的调制；在工业显微领域，偏振能够提供更加清晰的探测对比度；在生物显微领域，能够提供强度参量不能提供的方向和结构对比度；而矢量光束由于其偏振的不均匀性，在很多方面如超分辨显微镜、频率位移、光学捕捉和控制、电子加速、高分辨测量以及光镊技术中都发挥着重要作用。

对于标量光束的偏振检测，国内外研究人员提出了多种方法和装置，实现了标量光束偏振态的自动、快速、准确测量。而矢量光束的偏振分布的检测，目前为止国内外研究很少，并没有快速，准确的自动检测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种矢量光束偏振分布检测装置和方法，能够实现任意矢量光束偏振分布快速、自动、准确的检测。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种矢量光束偏振分布检测装置，包括四分之一波片、旋转模块、线偏振光检偏器、图像采集模块和计算机；

所述图像采集模块用于曝光平行入射的矢量光束依次经四分之一波片、线偏振光检偏器后的图像；

所述旋转模块用于旋转四分之一波片快轴方向；

所述计算机分别连接旋转模块、图像采集模块，计算机用于控制旋转模块带动四分之一波片旋转其快轴方向，还用于接收并处理图像采集模块传输过来的图像信息，最终显示整个矢量光束的偏振分布。

作为本发明装置的一种优选方案，所述图像采集模块包括光束整形光学模块和图像传感器；

所述光束整形光学模块为望远光学***，用于将平行入射并通过线偏振光检偏器的矢量光束进行扩束或缩束来匹配图像传感器的成像尺寸，然后平行出射至图像传感器；图像传感器为CCD图像传感器，用于曝光经光束整形光学模块后的图像，并传输给计算机。

作为本发明装置的一种优选方案，所述旋转模块为带控制器的旋转式步进电机。

作为本发明装置的一种优选方案，所述线偏振光检偏器为透射轴方向固定的线偏振片或者线偏振棱镜。

一种矢量光束偏振分布检测方法，包括如下步骤：

步骤1，平行入射矢量光束经四分之一波片、线偏振光检偏器、光束整形光学模块后入射到图像传感器感光面上，被图像传感器曝光；

步骤2，计算机控制旋转模块带动四分之一波片旋转其快轴到不同的方向，同时图像传感器曝光在每个快轴方向下的光束图像，最终获取一系列受四分之一波片快轴方向调制的光束图像，并把这些光束图像传输给计算机；

步骤3，计算机对获取的光束图像进行细分，然后处理每个细分微区域内受四分之一快轴方向调制的强度曲线，得到每个微区域的偏振态，最终获得并显示整个矢量光束的偏振态分布。

作为本发明方法的一种优选方案，步骤2所述计算机控制旋转模块带动四分之一波片旋转其快轴到不同的方向，图像传感器同时曝光快轴在不同方向时的光束图像，不同的方向共N个，且N大于等于3。

作为本发明方法的一种优选方案，所述步骤3的具体过程为：

31)根据空间分辨率和精度要求，把系列中每幅光束图像按相同的规则细分成若干个微区域，将每幅光束图像第i行j列的微区域内的所有像素对应的光强进行叠加得到该微区域的总光强I_ij；

32)沿四分之一波片快轴旋转方向α_k提取每副光束图像第i行j列微区域的总光强，得到该微区域总光强受四分之一波片快轴方向调制的强度曲线I_ij(α_k)，k＝1,2,…,N，N表示四分之一波片快轴方向的总个数；

33)对上述强度曲线I_ij(α_k)进行处理，从而得到第i行j列微区域内光束的偏振态，具体体现在得到方位角θ_ij和椭偏度两个参数：

其中，

34)对所有微区域进行上述计算，获取其偏振参数方位角和椭偏度，并根据偏振参数绘制每个微区域的偏振形态，最终显示整个矢量光束的偏振分布。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明矢量光束偏振分布检测装置和方法，首次实现了任意矢量光束偏振分布的快速检测。

2、本发明矢量光束偏振分布检测装置，结构简单、适用性强、易于实现。

3、本发明矢量光束偏振分布检测方法，能够快速、自动、直观、准确地检测任意矢量光束的偏振分布，为矢量光的相关研究和技术提供支持方法和工具，具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明矢量光束偏振分布检测装置的示意图。

图2是本发明矢量光束偏振分布检测方法数据处理中图像传感器获取的受四分之一波片快轴方向调制的光束图像。

图3是本发明矢量光束偏振分布检测方法数据处理中其中一个细分微区域提取的沿四分之一波片快轴方向光强变化值和根据该数据处理后获取的偏振参数计算的理论光强曲线图。

图4是偏振态参数描述示意图。

图5是本发明实施例最终显示的矢量光束偏振分布示意图。

其中，1为四分之一波片，2为旋转模块，3为线偏振光检偏器，4为光束整形光学模块，5为图像传感器，6为计算机，1的虚线代表四分之一波片快轴方向，3的虚线代表线偏振光检偏器透射轴方向。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提出矢量光束偏振分布检测装置和方法，最基本的思想是把矢量光束的横截面细分成很多微区域，在单独一个微区域里偏振态的变化很小，可认为是不变的，因此可以利用标量光束偏振检测的方法检测该微区域的偏振态。对每个微区域进行检测，最后实现整个矢量光束横截面偏振分布的检测。本发明中利用望远光学***配合图像传感器实现偏振分布的并行检测，在数据处理中同样采用数据并行处理的方法，最终实现矢量光束偏振分布的快速检测。

本发明提供的矢量光束偏振分布检测装置如图1所示，平行入射的矢量光束首先经过四分之一波片1，之后通过透射轴固定的线偏振光检偏器3，然后通过光束整形光学模块4来匹配图像传感器5感光面积和入射光束的光斑尺寸，最后被图像传感器5曝光。计算机6连接并控制旋转模块2和图像传感器5，包括驱动旋转模块2带动四分之一波片旋转其快轴方向，接收并处理图像传感器5传输回来的图像信息，最终显示整个矢量光束的偏振分布。

其中，四分之一波片1选择普通的光学四分之一圆形波片；旋转装置2选择带控制器的旋转式步进电机，其机械结构需要保证四分之一波片1的安装。线偏振光检偏器3，选择普通的线偏振片，也可以是线偏振棱镜，保持其透射轴固定方向不变。光束整形光学模块4采用望远光学***，起到扩束或者缩束的作用，保证平行入射光束的光束尺寸能够匹配图像传感器5感光面的尺寸，同时保证平行入射光束能够平行出射，具体光学***的放大倍率由入射光束的尺寸和图像传感器5感光面的尺寸决定。图像传感器5由于并不涉及彩色图像的获取，选择单色CCD图像传感器。

在检测过程中，入射平行矢量光束进入检测装置后，计算机控制整个装置的工作。驱动旋转装置带动四分之一波片在0°到180°之间旋转到N个不同的方向，在每个方向下图像传感器曝光记录相应的光束图像，然后传输回计算机。计算机获取的结果如图2所示，是一系列受四分之一波片快轴方向α调制的光强图像。然后对系列中每幅图像按相同的规则细分成微区域，每个微区域内的偏振分布变化不大，可以认为偏振态相同，可以采用标量光束检测的方法对其进行检测。在细分过程中，微区域越小最后偏振分布的横向分辨率越高(可以是单个像素)，但同时因为图像传感器捕获光强噪声等影响，处理后偏振分布的噪声也越大，准确度下降，同时数据处理需要的时间越多。需要根据光束偏振分布，光束的强弱等因素综合考虑在分辨率、噪声、处理时间之间做出平衡。

针对每个微区域，叠加微区域内所有像素的光强生成总光强，这样针对每个微区域可以很方便地沿快轴方向α提取受α调制的总光强变化值，图3中的点线表示了针对某图像中某一个微区域，提取的总光强沿α变化的值。

根据总光强沿α的变化值，经过数据处理获取该微区域的偏振态，该偏振态和标量光束的任意偏振态一样可以通过两个参数来描述，如图4所示，其中一个参数为椭圆方位角θ，另一个为椭偏度利用这两个参数，可以描述任意单一偏振态，线偏振和圆偏振都是特殊的椭圆偏振。由于存在两个未知参数θ和所以要通过光强值求得这两个参数，数学上要求光强随α变化的值不少于三个，也就客观要求至少在三个不同的快轴方向α上曝光光强图像，即N≥3。在实际检测过程中，当N越大，获得的数据也越多，准确度也越高，但同时耗时更长。所以在实际检测中，需要在检测准确度和检测速度之间进行平衡，一般N的选择在10～45之间。

针对特定微区域，计算机通过处理该微区域受四分之一波片快轴方向α调制的光强变化，可以求取偏振参数θ和的值。具体处理分析原理是利用琼斯矩阵建模计算获取光强变化和之间的关系，然后根据光强变化求取θ和

对偏振主轴方向为θ，椭偏度为的偏振光，经快轴方向为α的四分之一波片，然后通过透射轴方向固定(假设为90°)的线偏振检偏器后其电场强度，利用琼斯矩阵建模如下式所示：

经计算其光强I(α)如下所示：

观察可以发现I(α)可以表达为α的傅里叶函数形式：

$I\left(\mathrm{\α}\right)=\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}(A_n\cos n\mathrm{\α}+B_n\sin n\mathrm{\α}),$

其中，A_n和B_n均是其傅里叶系数。

因此，θ和可以通过傅里叶系数求得：

在实际数据处理中，计算机根据某个微区域获取的光强I(α)随α的变化值，进行傅里叶计算得到其傅里叶系数，如下所示：

$A_n=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}I\left({\mathrm{\α}}_k\right)cos(n\·{\mathrm{\α}}_k)$

$B_n=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}I\left({\mathrm{\α}}_k\right)sin(n\·{\mathrm{\α}}_k).$

然后根据θ和与傅里叶系数的关系，很容易求取该微区域偏振参数。图3的点线展示了其中一个微区域提取的总光强在30个不同快轴方向α下的值，图中实线展示了上述数据处理方法得到相应的θ和后带入上述光强I(α)的计算公式后得到的理论光强曲线，与实际值差别很小，表明通过该方法求取的偏振参数具有很高的准确度。

对图像里所有的微区域利用上述数据处理方法，并行计算得到每个微区域对应的偏振参数θ和然后通过椭圆函数画出每个微区域的偏振态，如图5所示，这样可以直观显示整个光束的偏振态分布。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种矢量光束偏振分布检测装置，其特征在于，包括四分之一波片、旋转模块、线偏振光检偏器、图像采集模块和计算机；

所述图像采集模块用于曝光平行入射的矢量光束依次经四分之一波片、线偏振光检偏器后的图像；

所述旋转模块用于旋转四分之一波片快轴方向；

所述计算机分别连接旋转模块、图像采集模块，计算机用于控制旋转模块带动四分之一波片旋转其快轴方向，还用于接收并处理图像采集模块传输过来的图像信息，最终显示整个矢量光束的偏振分布。

2.根据权利要求1所述矢量光束偏振分布检测装置，其特征在于，所述图像采集模块包括光束整形光学模块和图像传感器；

所述光束整形光学模块为望远光学***，用于将平行入射并通过线偏振光检偏器的矢量光束进行扩束或缩束来匹配图像传感器的成像尺寸，然后平行出射至图像传感器；图像传感器为CCD图像传感器，用于曝光经光束整形光学模块后的图像，并传输给计算机。

3.根据权利要求1所述矢量光束偏振分布检测装置，其特征在于，所述旋转模块为带控制器的旋转式步进电机。

4.根据权利要求1所述矢量光束偏振分布检测装置，其特征在于，所述线偏振光检偏器为透射轴方向固定的线偏振片或者线偏振棱镜。

5.一种矢量光束偏振分布检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，平行入射矢量光束经四分之一波片、线偏振光检偏器、光束整形光学模块后入射到图像传感器感光面上，被图像传感器曝光；

步骤2，计算机控制旋转模块带动四分之一波片旋转其快轴到不同的方向，同时图像传感器曝光在每个快轴方向下的光束图像，最终获取一系列受四分之一波片快轴方向调制的光束图像，并把这些光束图像传输给计算机；

步骤3，计算机对获取的光束图像进行细分，然后处理每个细分微区域内受四分之一快轴方向调制的强度曲线，得到每个微区域的偏振态，最终获得并显示整个矢量光束的偏振态分布。

6.根据权利要求5所述矢量光束偏振分布检测方法，其特征在于，步骤2所述计算机控制旋转模块带动四分之一波片旋转其快轴到不同的方向，图像传感器同时曝光快轴在不同方向时的光束图像，不同的方向共N个，且N大于等于3。

7.根据权利要求5所述矢量光束偏振分布检测方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：

31)根据空间分辨率和精度要求，把系列中每幅光束图像按相同的规则细分成若干个微区域，将每幅光束图像第i行j列的微区域内的所有像素对应的光强进行叠加得到该微区域的总光强I_ij；

32)沿四分之一波片快轴旋转方向α_k提取每副光束图像第i行j列微区域的总光强，得到该微区域总光强受四分之一波片快轴方向调制的强度曲线I_ij(α_k)，k＝1,2,…,N，N表示四分之一波片快轴方向的总个数；

33)对上述强度曲线I_ij(α_k)进行处理，从而得到第i行j列微区域内光束的偏振态，具体体现在得到方位角θ_ij和椭偏度两个参数：

其中，

34)对所有微区域进行上述计算，获取其偏振参数方位角和椭偏度，并根据偏振参数绘制每个微区域的偏振形态，最终显示整个矢量光束的偏振分布。