一种六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪及其参数测量方法与流程

技术特征：

1.一种六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，包括：光收集模块、第一分束器(40)，第二分束器(41)，1/4波片(50)，第一偏振分束器(60)，第二偏振分束器(61)，第三偏振分束器(62)，第一光纤准直器(70)，第二光纤准直器(71)，第三光纤准直器(72)，第四光纤准直器(73)，第五光纤准直器(74)，第六光纤准直器(75)，1/2波片(80)，第一光电倍增管(90)，第二光电倍增管(91)，第三光电倍增管(92)，第四光电倍增管(93)，第五光电倍增管(94)，第六光电倍增管(95)，第一放大器(110)，第二放大器(111)，第三放大器(112)，第四放大器(113)，第五放大器(114)，第六放大器(115)，示波器(120)和数据处理模块(140)；

所述光收集模块用于将待测样品表面散射或反射的信号光准直为平行光；

所述第一分束器(40)设置在所述光收集模块的输出光路上，用于将所述平行光分为第一反射光和第一透射光；

所述第二分束器(41)设置在所述第一分束器(40)的透射光路上，用于将所述第一透射光分为第二反射光和第二透射光；

所述第一偏振分束器(60)设置在所述第一分束器(40)的反射光路上，用于将所述第一反射光分为第三反射光和第三透射光；

所述第一光纤准直器(70)的输入端接收所述第三反射光，所述第一光纤准直器(70)的输出端依次通过所述第一光电倍增管(90)和第一放大器(110)连接至所述示波器(120)的第一输入端；

所述第二光纤准直器(71)的输入端接收所述第三透射光，所述第二光纤准直器(71)的输出端依次通过所述第二光电倍增管(91)和第二放大器(111)连接至所述示波器(120)的第二输入端；

所述1/2波片(80)和所述第二偏振分束器(61)依次设置在所述第二分束器(41)的反射光路上，所述第二偏振分束器(61)用于将所述第二反射光分为第四反射光和第四透射光；

所述第三光纤准直器(72)的输入端接收所述第四反射光，所述第三光纤准直器(72)的输出端依次通过所述第三光电倍增管(92)和第三放大器(112)连接至所述示波器(120)的第三输入端；

所述第四光纤准直器(73)的输入端接收所述第四透射光，所述第四光纤准直器(73)的输出端依次通过所述第四光电倍增管(93)和第四放大器(113)连接至所述示波器(120)的第四输入端；

所述1/4波片(50)和第三偏振分束器(62)依次设置在所述第二分束器(41)的透射光路上，所述第三偏振分束器(62)用于将所述第二透射光分为第五反射光和第五透射光；

所述第五光纤准直器(74)的输入端接收所述第五反射光，所述第五光纤准直器(74)的输出端依次通过所述第五光电倍增管(94)和第五放大器(114)连接至所述示波器(120)的第五输入端；

所述第六光纤准直器(75)的输入端接收所述第五透射光，所述第六光纤准直器(75)的输出端依次通过所述第六光电倍增管(95)和第六放大器(115)连接至所述示波器(120)的第六输入端；

所述数据处理模块(140)与所述示波器(120)的输出端连接，用于对所述示波器(120)输出的数据进行处理后获得待测光的斯托克斯向量。

2.如权利要求1所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，所述光收集模块包括：会聚透镜(10)，孔径光阑(20)和准直透镜(30)，所述孔径光阑(20)设置在所述会聚透镜(10)的焦点和所述准直透镜(30)的焦点处。

3.如权利要求2所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，测量面与待测样品的相应出射面是重合的，且待测样品测量区域中心与所述会聚透镜(10)之间的距离大于1倍焦距。

4.如权利要求1所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，还包括：设置在所述第一光纤准直器(70)的输出端与所述第一光电倍增管(90)的输入端之间的第一光纤(100)，设置在所述第二光纤准直器(71)的输出端与所述第二光电倍增管(91)的输入端之间的第二光纤(101)，设置在所述第三光纤准直器(72)的输出端与所述第三光电倍增管(92)的输入端之间的第三光纤(102)，设置在所述第四光纤准直器(73)的输出端与所述第四光电倍增管(93)的输入端之间的第四光纤(103)，设置在所述第五光纤准直器(74)的输出端与所述第五光电倍增管(94)的输入端之间的第五光纤(104)和设置在所述第六光纤准直器(75)的输出端与所述第六光电倍增管(95)的输入端之间的第六光纤(105)。

5.如权利要求1-4任一项所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，还包括：设置在所述示波器(120)的输出端与所述数据处理模块(140)的输入端之间的USB总线(130)。

6.如权利要求1所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，所述第一分束器(40)的分光面与所述平行光呈45°夹角，所述第二分束器(41)的分光面与所述第一分束器(40)的透射光呈45°夹角。

7.如权利要求1所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，第一分束器(40)的透反比为2:1，所述第二分束器(41)的透反比为1:1。

8.如权利要求1所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪，其特征在于，所述第一偏振分束器(60)，所述第二偏振分束器(61)和所述第三偏振分束器(62)的结构相同，均为透射与反射消光比大于10000:1的立方体偏振分束器。

9.一种基于权利要求1所述的六通道分振幅高速斯托克斯偏振仪的参数测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：调节待测光垂直入射到所述六通道分振幅斯托克斯偏振仪中；

S2：同步测得第一分支光束、第二分支光束、第三分支光束中各自p光和s光的光强分别为I_1P、I_1S、I_2P、I_2S、I_3P和I_3S；

S3：利用公式和计算待测光的斯托克斯向量偏振度

其中，由第一分束器(40)、第一偏振分束器(60)、第一和第二光纤准直器(70、71)、第一和第二光纤(100、101)、第一和第二光电倍增管(90、91)组成第一分支光路，第一分支光路包含的两束光合称为第一分支光束；

由第一分束器(40)、第二分束器(41)、第二偏振分束器(61)、1/2波片(80)、第三和第四光纤准直器(72、73)、第三和第四光纤(102、103)、第一和第二光电倍增管(92、93)组成第二分支光路，第二分支光路包含的两束光合称为第二分支光束；

由第一分束器(40)、第二分束器(41)、第三偏振分束器(62)、1/4波片(50)、第三和第四光纤准直器(74、75)、第三和第四光纤(104、105)、第一和第二光电倍增管(94、95)组成第三分支光路，第三分支光路包含的两束光合称为第三分支光束；

I_1P、I_1S分别为在所述第一分支光路中由所述第一光电倍增管(90)和所述第二光电倍增管(91)所测量的光强信号；I_2P、I_2S分别为在第二分支光路中由所述第三光电倍增管(92)和所述第四光电倍增管(93)所测量的光强信号；I_3P、I_3S分别为在第三分支光路中由所述第五光电倍增管(94)和所述第六光电倍增管(95)所测量的光强信号；S为待测光的斯托克斯向量，S₁、S₂、S₃是斯托克斯向量S中第二、第三、第四向量元素，也称为斯托克斯参数，P为偏振度。

10.如权利要求9所述的参数测量方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括出厂前的参数修正步骤：

(1)采用He-Ne激光器、起偏器和1/4波片产生一束线偏振光，起偏器方位角α和1/4波片方位角β可在0°至360°内调节；

(2)将此偏振光直接入射到上述的斯托克斯偏振仪中，并得到相应斯托克斯向量；

(3)不断改变起偏器和1/4波片的方位角时，仪器测量得到斯托克斯向量也相应改变，则可生成斯托克斯参数测量曲线

(4)根据光的偏振理论建立斯托克斯理论模型，该理论模型中以各器件的参数偏差和安装误差值作为拟合参数；

(5)将该理论模型对应的计算曲线S_i(α,β)与测量曲线进行拟合，使得最小，则可反演得到各器件的参数偏差值(δ₁,δ₂…δ_q)和安装误差值

(6)根据所求参数偏差值和安装误差值修正仪器中的器件参数值；

其中，α为起偏器方位角，β为1/2波片方位角；δ为仪器中器件的参数偏差，δ_q表示第q个参数偏差；为仪器中器件的安装误差，表示第l个参数偏差；i＝1,2,3，表示测量的斯托克斯参数S₁、S₂、S₃，下标m表示测量；S_i(α,β)，i＝1,2,3，表示利用理论模型计算得到的斯托克斯参数S₁、S₂、S₃；N为起偏器方位角个数，M为1/4波片方位角个数。