CN114018830B - 一种基于液晶偏振光栅的线偏振方向检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶偏振光栅的线偏振方向检测方法，该方法的关键技术在于偏振检测***及偏振态解算算法。偏振检测***核心由1/4波片和液晶偏振光栅构成。实际检测时调节1/4波片快轴方向与水平方向的夹角为0°和45°，采用光电探测器分别测量两种角度下液晶偏振光栅±1级衍射光束的强度。偏振态解算算法通过斯托克斯演算，由衍射光束强度解算出入射线偏振光束的偏振方向，实现对线偏振光的偏振态表征。该方法的优点在于其使用的器件数量少，光路简单，且元件易获得，成本较低，是一种具有实用价值的线偏振检测方法。

Description

一种基于液晶偏振光栅的线偏振方向检测方法
技术领域
本发明属于光学领域中偏振态检测技术领域，更具体地，涉及一种基于液晶偏振光栅的线偏振光偏振检测方法。
背景技术
偏振作为光的一种基本属性，人眼无法直接观测到，因此偏振的研究远没有光的传统研究那么多。由于偏振对微观结构(亚微米)的变化非常敏感，可以提供更多的介质结构信息，因此测量光的偏振信息尤为重要。偏振测量方法同样具有非接触、无损伤等传统光学方法具有的优点。近几十年来，偏振测量在天空导航、海洋探测、目标识别以及生物医学检测方面得到了突破性的应用。
液晶偏振光栅具有偏振分离特性。当一束自然光入射时，偏振光栅将光束按照左旋和右旋分量，分离成为两束具有正交圆偏振态的子光束，分别由+1或-1级次出射。一般而言，织构良好的液晶偏振光栅出射光级次分布相对简单仅有±1和0三个级次，不存在高级次。同时，作为一种各向异性材料，对入射光的偏振态敏感。当入射光的偏振态不同时，衍射光的偏振态和级次分布也相应改变，称这种特性为偏振依赖特性。对于理想偏振光栅而言，当入射光为自然光或者线偏光时，±1级次出射光强度各约50％。然而，当入射光为圆偏光时，出射光将完全由+1或者-1级次出射，根据入射圆偏光的手性不同，出射的级次也相应变化。
论文《Simplified Spectropolarimetry Using Reactive MesogenPolarization Gratings》中提出了一种带有三个偏振光栅和两个消色差1/4波片的实施方案，使得能够在每个波长同时进行四个强度测量的情况下检测完整的斯托克斯矢量，实现偏振态检测。但该***设计分成三个阶段，结构较为复杂，且波片和偏振光栅的实际衍射效率并不是100％，会对测量精度造成影响。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于液晶偏振光栅的线偏振方向检测方法，其目的在于提供一种结构简单，操作方便，灵敏度高，可微型化的线偏振光检测方法。
本发明的技术解决方案是：一种基于液晶偏振光栅的线偏振方向检测方法。其偏振检测***包括1/4波片(1)、液晶偏振光栅(2)、光电探测器(3)和计算机(4)构成，光电探测器(3)连接计算机(4)。所述的1/4波片(1)、液晶偏振光栅(2)、光电探测器(3)依次置于同一直线方向上。该方法使用液晶偏振光栅等元件组成偏振检测光路，被测光通过快轴方向可调节的1/4波片和液晶偏振光栅后，利用液晶偏振光栅的衍射特性产生±1级衍射光束，通过对衍射光束强度进行测量，经过数据分析后获得被测光偏振态信息。
本发明的具体实现方法为：1)按照摘要附图所示结构图搭建***。在与光传播方向垂直的平面中，水平方向为x轴，垂直方向为y轴。2)将未知偏振方向的线偏振光作为被测光束。3)转动两次1/4波片使其快轴方向与x轴分别成0°与45°。4)在两种不同波片角度下，分别测试光经过液晶偏振光栅衍射后的±1级衍射光强度。5)根据所测数值，通过算法反演被测光偏振态。
以上过程可以用斯托克斯矢量和穆勒矩阵进行理论计算：设光在与传播方向垂直的平面中，在相互垂直的x和y方向上的分量为
Ex＝E0ei(kz-wt)
Ey＝cE0ei(kz-wt+δ)
其中光沿z方向传播，E0为振幅，c为y方向与x方向上的振幅比，δ为相位差，k为波矢量，w是角频率。则产生的被测光S对应的归一化斯托克斯矢量为
1/4波片是具有一定厚度的双折射单晶波片。当光从法向入射透过波片时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π/2或其奇数倍。设其快轴方向与水平方向(x轴)的夹角为θ，则其穆勒矩阵M为
经过1/4波片后的出射光S’的斯托克斯矢量为
对于液晶偏振光栅而言，出射光各级次的分布与光栅的厚度、入射光的波长和偏振态等因素密切相关。理想液晶偏振光栅的衍射特性如下表所示
表1理想液晶偏振光栅衍射特性
当半波条件Δnd＝λ/2得到满足时，则
为衍射的+1级次光强比上±1级次光强之和，将它记为+1级衍射能量占比；同理/>为-1级次光强比上±1级次光强之和，记为-1级衍射能量占比。通过光电探测器可以分别测得偏振光栅±1级次光强。
在具体进行线偏振光方向检测的过程中，将1/4波片分别旋转到θ为0°与45°的位置，通过光电探测器测得对应的偏振光栅±1级次光强，可得到下述方程组
求解方程组可得c与δ，从而可解出被测光S的四个斯托克斯参数。
如图2所示，对于偏振光而言，偏振光E的分量Ep和Es、相位差δ是空间坐标系(x-y)中的偏振参量，长轴a，短轴b，两坐标系的夹角ψ是主轴系(x’-y’)中的偏振参量。完全偏振光的偏振态可用偏振方向、偏振类型和偏振旋向来进行表征。
1)偏振方向：主轴与传统坐标系x轴之间的夹角ψ
2)偏振类型：描述光束偏振部分形状，椭圆形状用短轴与长轴的比例表示，χ为偏振光的椭圆度角(即为椭圆的短轴与长轴之比的反正切值)
①当χ＝0时：表明待测光为线偏振态；
②当时：表明待测光为圆偏振态；
③当χ取其他值时：表明待测光为椭圆偏振态。
3)偏振旋向：表示椭圆旋向，χ＞0为右旋，χ＜0为左旋，但对于线偏振而言χ＝0。
因此，ψ和χ可用下式表示
将求解方程组得到c与δ代入，即可知道待测光的偏振方向、偏振类型、偏振旋向，从而实现偏振态检测。
本发明的有益效果为：
1)该偏振检测***使用的器件数量少，光路简单，元件易获得，成本较低。且进行偏振检测的步骤简单，操作方便，是一种具有实用价值的线偏振检测***。2)液晶偏振光栅本身表现出几乎理想的性能，包括大于99％的衍射效率，第一衍射级具有强偏振灵敏度，非常低的非相干散射以及对可见光和红外光的适用性。使用液晶偏振光栅来进行偏振态检测有望克服在速度物理尺寸，复杂性和对准灵敏度方面的局限性。
3)当与1/4波片组合时，偏振光栅可以具有对斯托克斯参数敏感的±1阶衍射，它们巩固了偏振光栅的波长分离和偏振选择性，并且无需有源调谐元件就可以实现偏振检测。
附图说明
图1为基于液晶偏振光栅的线偏振方向检测装置的结构示意图；
图2为偏振态诸参量之间的关系图；
图3实施例装置示意图；
图4为液晶偏振光栅衍射图样；
图5为±1级衍射能量占比图；
图6为目标物的光学图像；
1为1/4波片、2为液晶偏振光栅、3为光电探测器、4为计算机、5为光源、6为起偏器、7为被测光生成模块和8为检测模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。
实施例：
实施例装置如图3所示，包括被测光生成模块7和检测模块8；其中被测光生成模块7包括光源5和起偏器6；检测模块8由1/4波片1、液晶偏振光栅2、光电探测器3和计算机4构成，光电探测器3连接计算机4。所述的光源5、起偏器6、1/4波片1、液晶偏振光栅2、光电探测器3依次置于同一直线方向上。
通过改变起偏器透光轴与x轴方向的夹角，可以得到不同偏振方向的线偏振光。测试实验时旋转1/4波片，使其快轴方向与x轴成0°、45°，待测光经过1/4波片和偏振光栅后产生衍射现象(如图4)，分别检测±1级次光强，从而得出±1级衍射能量占比，通过解算，进而实现对入射线偏振光偏振态的表征。使用图3所示光路，测量线偏振光方向为-80°，-70°，-60°…时，所对应的±1级衍射能量占比，实验结果如图5所示。
图5(a)为+1级衍射能量占比图，横坐标为入射线偏振光偏振方向，纵坐标为所对应的+1级衍射能量占比。实线和虚线分别为1/4波片在θ＝0°与45°时，理论情况下所对应的+1级衍射能量占比。实验测得的结果在图中用点标出。图5(b)为-1级衍射能量占比图。计算出实际测得的偏振光栅±1级衍射能量占比与理论结果的RMS误差约为0.4％。例如：当入射光为45°的线偏振光时(假设未知)，1/4波片0°和45°所对应的偏振光栅+1级衍射能量占比分别为0.008和0.499，|χ|为0.0896,ψ为44.9418°。图5是入射光为45°的线偏振光的情况下，将目标物“BELIEVE IN YOURSELF”放置在检测装置之前,分别转动1/4波片为0°(图6(a))和45°(图6(b))拍摄得到的图片。目标物被液晶偏振光栅衍射后分为+1级图像和-1级图像，按照理论1/4波片快轴方向为0°时，衍射光束都集中在-1级；1/4波片快轴方向为45°时，±1级衍射均为一半。根据观察可知获得的目标物的光学图像与理论相符合。

Claims (1)

1.一种基于液晶偏振光栅的线偏振方向检测方法，其特征在于偏振检测***包括1/4波片(1)、液晶偏振光栅(2)、光电探测器(3)、计算机(4)和偏振态解算算法(5)构成，光电探测器(3)连接计算机(4)；所述的1/4波片(1)、液晶偏振光栅(2)、光电探测器(3)依次置于同一直线方向上；将未知偏振方向的线偏振光作为被测光束，设在与光传播方向垂直的平面中，水平方向为x轴，垂直方向为y轴，转动两次1/4波片(1)使其快轴方向与x轴分别成0°与45°；分别在两种波片角度下，通过光电探测器(3)检测待测光经过偏振光栅衍射后的±1级衍射光强度，并计算衍射的+1/-1级次光强比上±1级次光强之和，记为+1/-1级次衍射光能量占比；所述的偏振态解算算法(5)将计算得到的能量占比代入1/4波片快轴方向为0°与45°时***的偏振态方程：
分别为1/4波片快轴方向为0°与45°时的+1级次衍射光能量占比，c为待测光电矢量y方向和x方向上的振幅比，δ为相位差；联立两个方程求解出待测光电矢量x和y方向分量的相位差δ和振幅比c两个参量，进而求得待测光线偏振方向：
其中ψ为待测光的线偏振方向。
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