一种快速测量任意空间矢量偏振光空间偏振信息的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间矢量偏振光束检测领域，具体涉及对任意柱矢量偏振光的偏振信 息测量等，如：径向偏振光、角向偏振光以及高阶径向偏振光束等的测量。
【背景技术】
[0002] 偏振是电磁波的基本特征之一，偏振光是光波所具有的重要特性。偏振光分为均 勾偏振光和非均勾偏振光，而通常所说的线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光属于均勾偏振 光。
[0003] 空间矢量偏振光是一种特殊的偏振光，其空间偏振态和相位分布随空间位置不同 而不同，具有空间分布，即可以是均匀偏振光（空间各点偏振态和初相位相同），也可以是 非均勾偏振光。柱矢量偏振光就是空间偏振光的一种，其空间偏振态分布不均勾，但相对光 轴具有一定的对称或相似性，是一种非均勾偏振光。轴对称光束属于柱矢量偏振光的一种， 包括径向偏振光、角向偏振光等，由于其偏振和相位在光束横截面上呈轴对称分布而具有 独特的光学特性和应用。此外，具有柱对称或相似的高阶径向偏振光，因其特殊的空间偏振 和相位分布，也有许多特殊的光学特性和应用。如径向偏振光具有完美的轴对称分布，与线 偏振光和圆偏振光相比有着显著不同的特性。径向偏振光具有沿光轴对称的电场分布以及 中空的圆环型光束结构；径向偏振光和角向偏振光都是偏振本征态，在C切向晶体中传播 时，不会发生串扰；高数值孔径透镜聚焦时径向偏振光可以产生超越衍射极限的极小焦点， 比线偏振光和圆偏振光的聚焦点小得多，且焦点区域的纵向电场变得非常强。这些特性使 得其在牵引、捕获和加速金属粒子，切割金属，提高光学存储密度和提高纵向分辨率等方面 具有显著优势。
[0004] 偏振光的偏振特性通常用斯托克斯参量来描述。1852年斯托克斯（G.G.Stokes) 引入了四个参量s。、SpSjps3，不但可以用来描述偏振光，还可以用来描述自然光和部分偏 振光。这四个参量是光波可观测量函数，也就是说可以通过光学测量来确定它们的大小，这 四个量的量纲均与光强相同。偏振度通常用字母P表示，对于线偏振光、椭圆偏振光，P= 1，对于线偏振光，s3= 0,圆偏振光，S1=S2= 0 ;对于部分偏振光，0〈P〈1，自然光，P= 0 ; 对于柱矢量偏振光，如径向偏振光和角向偏振光，P= 0。
[0005] 均匀偏振光的偏振态，完全可以通过斯托克斯参量来表示，但对于像柱矢量偏振 光这样的非均匀偏振光，整体偏振度P= 0,其有别于自然光，而且它确实是有规律的偏振 光，必须寻找合适的方法对其空间偏振信息进行测量，并对各种柱矢量偏振光进行区分。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的问题：克服了只能对均匀偏振光偏振态进行测量的不足，提供了一 种对任意空间矢量偏振光偏振信息进行测量的方法，该方法利用面阵CCD记录光束各点光 强信息，可实现对任意空间矢量偏振光空间各点偏振信息的测量。测量系统具有结构简单、 适用范围广、空间测量精度高（可达到微米量级）、实时在线测量等特点。
[0007] 本发明技术方案：一种快速测量任意空间矢量偏振光空间偏振信息的方法，包括 以下步骤：
[0008] S1:设置入射光束。入射光束为空间矢量偏振光，偏振态任意，用衰减片适当衰减 光束强度，光斑大小可通过扩束准直镜进行调整，入射到面阵CCD上的光束强度不超过CCD 的曝光值强度；
[0009] S2:设置非偏振分光棱镜。分光棱镜对入射光偏振不敏感，不改变入射光束的偏振 特性，且空间各点分光能力一致，分出的两束光各点光强对应相等，入射光束垂直入射，三 个分光棱镜要上下左右平行。
[0010] S3:调节反射镜M。用于光束反射，改变光路，恢复到入射光束的空间分布，反射镜 中心与光束中心重合，对入射光波长具有高的反射率；
[0011] S4:设置A/4波片。光束的光轴过A/4波片中心与法线平行，且A/4波片的快 轴与X轴平行，A/4波片能够根据入射光波长而更换，且与光源的中心波长A相一致，以 提尚适用范围；
[0012] S5:设置偏振片P1。偏振片具有高的消光比，光束光轴过偏振片中心且与法线平 行，其透射方向与水平方向（X轴）平行，即水平方向；
[0013] S6:设置偏振片P2。偏振片具有高的消光比，光束光轴过偏振片中心且与法线平 行，其透射方向与X轴成45°角（逆时针45° );
[0014] S7:设置偏振片P3。偏振片具有高的消光比，光束光轴过偏振片中心且与法线平 行，其透射方向与X轴成-45°角（顺时针45° );
[0015] S8:设置面阵(XD。记录光束强度：面阵(XD为黑白（XD，A/D数模转换为12位或 以上，光束垂直入射到(XD，C⑶中心过光轴，且光束最大强度不可超过C⑶曝光值，4个(XD 具有相同的信噪比，性能一样，4束光在4个CCD上具有相同的位置，便于光强比较，光束各 点光强度信息转化为〇 - (212_1)或更高的灰度值，便于数值计算。
[0016] 所述步骤S1中，空间矢量偏振光通过光学器件产生，入射光谱宽小于±3nm，光斑 大小可控，波段从可见光到近红外，由面阵CCD的尺寸和感光范围决定。
[0017] 所述步骤S5、S6、S7中，偏振片可根据测量精度和入射光强度调整为格兰-泰勒棱 镜。
[0018] 所述步骤S8中的面阵CCD可根据测量精度和入射光强度以及科技发展情况调整 为面阵光强计或光功率计等。
[0019] 所述步骤S8中，面阵CCD记录的光强度，在具体参与计算时，为提高测量精度，应 把反射镜的反射率，以及波片和偏振片的吸收损耗率考虑在内，根据损耗比例对CCD记录 的光强度进行放大。
[0020] 本发明的原理是利用4个面阵CCD获得的光强信息，得到光束的空间各点斯托克 斯参量，进而获取光束空间各点的偏振信息，即得到整个光束的偏振信息。
[0021] 光的Stokes参数与光的总光强I，偏振方位角也（椭圆偏振光的椭圆长轴所在方 向），椭圆偏振角x(体现了椭圆偏振光中椭圆的长短轴长度关系），以及偏振度P在庞加 莱球（如图2)中关系由下式给出：
[0022] S〇=I (1)
[0023] Si= IPcos2 $ cos2 x (2)
[0024]S2=IPsin2 ^cos2x (3)
[0025] S3=IPsin2x (4)
[0026]其中，0彡$彡3t，-jt/4彡x彡jt/4，(XP彡 1，椭偏度tanx=土b/a(a，b为 椭圆偏振光的椭圆长短轴长度，tanx=0为线偏振光，tanx=± 1为左/右圆偏振光）。
[0027]如图2所示，球半径大小为总光强I，球上任一点P坐标为以，S2,S3)，表明P点在 球面上的位置炜度和经度的角坐标为2x和2也。球面上的点代表纯的偏振光，球内的点为 部分偏振光，球心则为自然光。
[0028] 这些表征偏振的参量也可用Stokes参量表示，并满足下列关系式：
[0029]I=S〇 (5)
[0033] 用准单色平面波的相干矩阵推导Stokes参量的测量原理：
[0034] 假定被考察光先后经过一个相位延迟角为e的补偿器和一个偏振方向与正X方 向成0角的偏振器，被考察光经过补偿器后y分量对x分量将产生相位延迟角￡，电矢量 在9方向上的分量为
[0035]E(t, 9,e) =Ex (t)cos9+Ey (t)e1Esin9 (9)
[0036]其中，尽⑴二"丨⑴^% = ajt),a2(t)为光波振幅，《为光振动 角频率，S为考察光的初始相位差。
[0037] 为计算方便这里采用指数表述。I( 0，e)表示被考察光经过由一个相位延迟角 为e的补偿器和一个与X方向成0角度的偏振器前后串接组成的实验装置后的透射光强 度。
[0041] 将相干矩阵元代入（10)式，则有：
[0042]I(Q，e) =Jxxcos2Q+Jyysin2Q+Jxye1EcosQsinQ十^]^1EsinQcosQ (12)
[0043] 由Stokes参量的定义可知：
[0044]
(13)
[0045] 对（12)式中的相干矩阵元取实部，由（13)式可将Stokes参量用相干矩阵元表示 为：
[0046]
[0047] 由面阵(XD1-C⑶4分别可以获得光强Ip12,13,14，其中，光强I为矩阵分布，由(XD 的分辨率决定，即CCD每个像元均有光强值，根据公式（14)可得，
[0048]
C15)
[0049]斯托克斯参量S。，SpS2,S3也为矩阵分布，将其带入公式（6)、（7)、（8)便可得到 入射光束空间各点的偏振度P，以及偏振成分的偏振方位角也和椭偏度tanx等信息。
[0050] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0051] (1)本发明不仅可以测量均勾偏振光的偏振态，如线偏振光、椭圆偏振光等，还可 以测量空间分布具有一定规律的非均勾偏振光，如径向偏振光、角向偏振光和高阶柱矢量 偏振光等。
[0052] (2)用四个C⑶同时接收光强信息，可直接获得光束各点的斯托克斯参量，即使入 射光束功率不稳定也可实现准确测量，并避免了传统的旋转波片或旋转偏振片法带来的延 迟，实现实时在线测量。
[0053] (3)通过更换A/4波片，可以对C⑶感光范围内的激光光束进行测量，适用范围 广。其空间测量精度与CCD的像元大小有关，像元越小，空间测量精度也就越高，现有CCD 像元大小已达到微米量级，可保证测量精度。
[0054] (4)通过计算机编程实现自动化控制，可直接获取结果。
【附图说明】
[0055] 图1为本发明测量系统不意图；
[0056] 图2为庞加莱球图。 其中：1.空间矢量偏振光；2,3,4非偏振分光棱镜（即85);5,6反射镜（11);7.1/4波 片的1?);8,9，10偏振片〇3);11，12，13，14面阵〇0) ;15.计算机
【具体