CN212458661U - 一种光偏振态检测*** - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光测量领域，公开了一种光偏振态检测***，包括光学***和数据采集***；所述光学***包括沿同一光轴线依次设置安装的激光发生器、偏振片一、1/4波片一、1/4波片二、偏振片二和光探测器，1/4波片二安装于旋转镜架上，旋转镜架安装于电动旋转台上，电动旋转台由步进电机驱动旋转；所述数据采集***包括主控芯片、电机驱动器和直流电源，主控芯片连接上位机，电机驱动器和主控芯片由直流电源供电，电机驱动器的输入端与主控芯片的输出端连接，电机驱动器的输出端与步进电机连接；光探测器内的光电传感器输出端与主控芯片输入端连接。本实用新型利用一套光学设备+一套数据采集装置即实现了对光偏振态的检测。

Description

一种光偏振态检测***

技术领域

本实用新型属于光测量领域，具体涉及一种光偏振态检测***。

背景技术

针对偏振态测量技术的研究,现有技术经常以分振幅法和调制法来实现对Stockes矢量进行测量。利用分振幅方法测量光束偏振态,它是通过振幅分割的方法将一束入射光分解为四束出射,分束后的每一束光中都携带有不同的偏振调制信息,出射光束由统一定标的探测器接收。但是此种方法结构复杂，需要的探测器数量多，采集数据困难且设备体积庞大。而传统的调制法，需要收集多组数据后进行计算，无法实现实时测量，更无法直观展现光的偏振态。同时存在机械转动带来的误差，影响测量精度。

发明内容

本实用新型的目的是制造一种光偏振态测量装置，集光学设备、控制电机驱动，数据采集及数据显示存储为一体，解决了现有测量仪器装置复杂，读取数据困难，精度低，实验结果不直观等问题。

本实用新型采用如下技术方案：

一种光偏振态检测***，包括光学***和数据采集***；所述光学***包括沿同一光轴线依次设置安装的激光发生器、偏振片一、1/4波片一、1/4波片二、偏振片二和光探测器，1/4波片二安装于旋转镜架上，旋转镜架安装于电动旋转台上，电动旋转台由步进电机驱动旋转；所述数据采集***包括主控芯片、电机驱动器和直流电源，主控芯片连接上位机，电机驱动器和主控芯片由直流电源供电，电机驱动器的输入端与主控芯片的输出端连接，电机驱动器的输出端与步进电机连接；光探测器内的光电传感器输出端与主控芯片输入端连接。即主控芯片获取光电传感器信号，同时主控芯片通过电机驱动器进而控制步进电机对电动旋转台的驱动旋转。

光电传感器输出端主控芯片输入端之间设有放大滤波电路，放大滤波电路经电源转换模块由直流电源供电。

所述步进电机采用2相步进模式，转角为1.8°。

所述1/4波片二的旋转角度为0°、30°、45°和60°。

所述主控芯片为Arduino单片机。

所述电动旋转台为PX-GD60高精度电动旋转台。

所述主控芯片连接的上位机为LabVIEW虚拟仪器。

本实用新型具有如下有益效果：

一、本实用新型的装置简单，只需一套光学设备+一套数据采集装置；

二、本实用新型采用机械转动+光电池实时采集数据，操作简易方便，测量速度快；

三、测量精度高，采用PX-GD60高精度电动旋转台；

四、将本***划分为电机驱动模块，光电转换模块，调理信号模块，AD转换模块以及串口通信模块。模块化设计思想、简单的硬件电路设计以及并行式数据处理流程保证了***测量的准确性、稳定性和高效性，并且大大提高了检测***的性价比；相较于现有仪器具有小巧、使用便捷的特点，更方便于教学和科研所需。

五、本实用新型使用LabVIEW的强大功能完成数据从通信、分析、处理、显示到存储的整个过程，以达到性价比高、速度快、范围宽、仪器界面友好，显示结果直观丰富等效果，如图三所示。

附图说明

图1 为本实用新型***原理图；

图2 光学***的原理图；

图3 LabVIEW界面图；

图4为数据采集***原理图；

图5为本实用新型***的模块分析图；

图6为电动旋转台的结构示意图；

图7为电机驱动器的连线图；

图8为光电传感器的放大滤波电路图；

图9为LabVIEW流程图；

图10为LabVIEW用公式节点计算参数图；

图11为测量结果x-y图、三维图显示图；

图中：1-激光发生器、2-偏振片一、3-1/4波片一、4-1/4波片二、5-偏振片二、6-光探测器（光电传感器）、7-主控芯片、8-步进电机、9-旋转镜架。

具体实施方式

如图1是本实用新型***的原理图，主要包括三部分：光学***、数据采集、虚拟仪器。

第一部分：光学***，如图2所示。光学***由激光发生器1、偏振片一2、1/4波片一3、1/4波片二4、偏振片二5和光探测器6构成，偏振片一2和1/4波片一3的组合用于制造不同类型的偏振光：只放置偏振片一2时，为线偏振光；放置偏振片一2和1/4波片一3且两者光轴夹角为45°时，为圆偏振光，其余角度为椭圆偏光。1/4波片二4和偏振片二5为检偏装置。通过Arduino单片机控制旋转镜架使1/4波片二4旋转至四个特殊角度：0°，30°，45°，60°，利用光探测器6的光电传感器检测光强, 进入下一阶段的数据采集。其中，电动旋转台为现有市售件，其原理和基本安装方式本实用新型不作赘述。

第二部分：数据采集。本实施例提出一种集电机驱动以及数据采集为一体的***。如图4所示，电机驱动电路中的PX-GD60高精度电动旋转台与TC8642TC8642型两相混合式步进电机驱动器相连接，步进电机采用2相步进模式，转角1.8°，所使用电源电压范围为24V±10%，控制接口为DB9公端连接器，步进电机通过此接口与驱动器相连。如图7所示，驱动器的+V、GND连接供电电源，+V连接直流电源正级，电源电压直流16～50V，最大电流是5A，GND连接直流电源负级；驱动器的A+ A- B+ B-连接两相混合式步进电机。电动旋转台由Arduino控制旋转，以实现光学部分的机械转动调制。由光学部分得到的光信号通过S1133 滨松光敏光电二极管硅光电池进行光信号到电信号的转换，得到了原始电信号；从光电传感器获得的电信号可能很微弱,或者是非线性的,又或者含有大量的噪声,这种信号在进行模数转换之前必须经过信号调理。信号调理是通过控制信号来提高测量精度,信号调理的类型包括放大、线性化、衰减、滤波、传感器激励、隔离等。本***信号调理包括两部分,一是为光探测器的输出信号进行前置放大, 放大滤波电路如图8所示；二是将前置放大后的信号幅值程控调整到适合模数转换的范围。原始电信号经过信号调理电路之后传输入Arduino进行AD转换， Arduino有6个专门用于AD转换的引脚(A0-A5)，可以将电压信号转换为用10bit表示的数值，量程是0-5V，最大值是1023，最小值是0。通过arduino的模数转换函数：intanalogRead ( uint8_t )（括号里为模拟信号输入口），端口的返回值就是模拟信号转换的数字值，最大值是1023代表5V，最小值是0代表0V。通过数模转换后，信号通过Arduino传输入上位计算机，进入下一阶段的数据处理。

第三部分：虚拟仪器。本实用新型使用LabVIEW虚拟仪器平台来完成pc端软件设计部分。

利用该***可检测的参数包括：电动旋转台分别转动到0°，30°，45°，60°时测得的光强。通过LabVIEW计算可得到斯托克斯适量、光偏振态种类、邦加球、和x-y图像。

具体检测过程如下：

检测过程中，采用机械转动法控制波片的旋转。将偏振片固定， 1/4波片二放置于旋转台上，由Arduino控制步进电机带动旋转台PC-GD60旋转，于是1/4波片二的光轴随之转动。改变其光轴方向以取得几组特殊值，如

，通过光电传感器S1133滨松光敏光电二极管硅光电池检测，信号调理电路将电信号放大、滤波、转为电压信号，并用Arduino测量，将测量到的光强数据通过Arduino串口通信传输到计算机中，根据公式：

使用LabVIEW虚拟仪器求解被测光四个斯托克斯参量

的数值，进行归一化处理，从而得到光的斯托克斯矢量值，判断出光的偏振态，并可视化显示。

其中，软件部分采用模块化设计，各个模块的功能设置为数据通信、数据处理、数据显示与数据存储。数据通信部分，通过LabVIEW的串行接口进行控制命令，与Arduino建立通信，向Arduino发送控制电机命令，并接收Arduino测量得到的数据。数据处理部分，将接收到的数据代入斯托克斯矢量计算公式中，利用LabVIEW具有文本编程语言功能的MathScript节点计算相关参数。数据显示部分，根据参数判断光偏振态，并在界面显示，使用X-Y图表绘制平面曲线，并调用3D Parametric Graph实现邦加球显示，如图11。数据存储部分，使用“写入文本文件”部件及时将测量的数据结果及计算得出的斯托克斯矢量进行保存。

确保硬件连接正常的情况下，按下Reset键重启 Arduino，点击LabVIEW前面板界面的“电机开关”按钮，开始运行程序。可观察到，Arduino上的led灯亮。等待进度条达到100，则程序运行完毕，运行结果斯托克斯矢量，光偏振态，椭圆图，绑加球等即可显示在界面上，斯托克斯矢量还可在存储数据的txt文件中查看，多次运行，多次记录数据。

以上软件部分只是在本实用新型***上的运用软件示例，该软件的具体算法不构成对本实用新型***的限制，也不会影响本实用新型***的实施。即本实用新型***只要能通过Arduino单片机控制旋转镜架的偏转角度，并获得不同偏转角度的光学信号即可。至于利用该***获得的光学信号所作的进一步计算处理不会影响该硬件***的基本功能。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种光偏振态检测***，其特征在于，包括光学***和数据采集***；

所述光学***包括沿同一光轴线依次设置安装的激光发生器（1）、偏振片一（2）、1/4波片一（3）、1/4波片二（4）、偏振片二（5）和光探测器（6），1/4波片二（4）安装于旋转镜架（9）上，旋转镜架（9）安装于电动旋转台上，电动旋转台由步进电机（8）驱动旋转；

所述数据采集***包括主控芯片（7）、电机驱动器和直流电源，主控芯片（7）连接上位机，电机驱动器和主控芯片（7）由直流电源供电，电机驱动器的输入端与主控芯片（7）的输出端连接，电机驱动器的输出端与步进电机（8）连接；光探测器（6）内的光电传感器输出端与主控芯片（7）输入端连接。

2.根据权利要求1所述的光偏振态检测***，其特征在于，光电传感器输出端主控芯片（7）输入端之间设有放大滤波电路，放大滤波电路经电源转换模块由直流电源供电。

3.根据权利要求1所述的光偏振态检测***，其特征在于，所述步进电机（8）采用2相步进模式，转角为1.8°。

4.根据权利要求1所述的光偏振态检测***，其特征在于，所述1/4波片二（4）的旋转角度为0°、30°、45°和60°。

5.根据权利要求1所述的光偏振态检测***，其特征在于，所述主控芯片（7）为Arduino单片机。

6.根据权利要求1所述的光偏振态检测***，其特征在于，所述电动旋转台为PX-GD60高精度电动旋转台。

7.根据权利要求1所述的光偏振态检测***，其特征在于，所述主控芯片（7）连接的上位机为LabVIEW虚拟仪器。

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