一种矢量光束偏振态检测方法与流程

本发明涉及偏振光偏振态检测技术领域，特别是指一种矢量光束偏振态检测方法。

背景技术：

随着社会信息化程度的提高，对数据传输的需求也急剧增加。为了解决人们日益增加的通信需求，研究人员实现了现有通信技术多个维度上的复用，以提高通信系统容量及频谱效率，如频分复用技术、波分复用技术、偏振复用技术及时分复用技术等。即便如此，现有通信技术依然无法满足人们日益增长的通信需求。

传统偏振光的偏振态是均匀的，因此只有两种正交态，只能将通信速率增加到原来的2倍。不同于传统偏振光束，矢量光束具有非均匀偏振态分布，且具有无限多的正交态，因此作为键控或复用技术应用在光通信系统中可以大大提升通信系统的通信能力。

无论是采用矢量光束进行键控还是复用，首先要解决的问题就是矢量光束的调制和检测。目前，相关研究人员已提出了多种矢量光束的产生方法。但是对于矢量光束检测方法的研究还很不成熟，尤其是缺少矢量光束偏振态高效的检测方法。已有研究人员提出了利用旋转波片或偏振片的方法检测矢量光束的偏振态，但是由于需要多次测量，因此很难应用在高速通信系统中。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述背景技术的不足而提供一种矢量光束偏振态检测方法，具有集成度高、可快速检测的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种矢量光束偏振态检测方法，其包括以下步骤：

利用光束整形系统对待测矢量光束进行光束调整，使得待测矢量光束的大小与强度探测器的孔径相适应；

将四组偏振器件组合放置在矢量光束同一方位上的不同径向位置处，实现对同一方位下矢量光束的不同的偏振变换；每组偏振器件组合均包括一个偏振片和一个1/4波片；

利用强度探测器对经过偏振变换后的矢量光束进行探测，记录不同像素位置的强度值；

将同一方位下各像素位置的强度值作为一组数据，利用坐标变换对该组数据进行偏振求解，得到测量区域内矢量光束的偏振态分布；

根据矢量光束偏振态分布的周期性，得到整个矢量光束的偏振态分布。

可选的，所述光束整形系统为4f整形系统。

可选的，所述强度探测器为ccd。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

本发明利用放置在不同径向位置处的1/4波片和偏振片的组合，同时对待测矢量光束进行偏振态控制，进而通过单次测量便可以得到待测光束的偏振态，相比于以往需要多次测量的方法大大提高了检测效率，更适用于实时测量系统。

附图说明

图1是本发明实施例中四组1/4波片与偏振片组合的分布示意图。

图2是同偏振态元素的选取示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更加清楚、详细的描述，但本发明的保护范围并不局限于此。

一种矢量光束偏振态检测方法，其包括以下步骤：

利用光束整形系统对待测矢量光束进行光束调整，使得待测光束大小与探测器孔径相适应；

将四组不同取向的1/4波片和偏振片的组合放置在矢量光束同一方位、不同径向位置处对待测矢量光束进行偏振变换；

利用强度探测器对经过偏振变换后的矢量光束进行探测，记录不同像素位置的强度值；

将同一方位角下的强度值作为一组数据进行偏振态的计算，假设像素所在位置为，则其方位角为；

利用求逆矩阵的方法求得入射矢量光束的偏振态，即假设四组玻片和偏振片组合的穆勒矩阵的第一行分别为，探测器记录得到同一方位角的强度分别为，则矢量光束的偏振态为。

一般的矢量光束偏振态只取决于光束的方位角，而与径向位置无关。本发明提出的方法是在矢量光束波前的同一方位上、不同径向位置处放置波片和偏振片的不同组合，同时获得四路矢量光束经不同偏振调制后的强度信息，最终通过坐标变换将同一方位下的强度信息进行匹配运算，得到其偏振特性。

在上述技术方案中，强度探测器可以是任意光强探测器，如ccd；

在上述技术方案中，四组波片和偏振片的组合可以是多种类型的组合，但需要保证最终的偏振控制矩阵是满秩矩阵；

在上述技术方案中，利用探测得到的光强度求取待测光束偏振态有多种实现方式，逆矩阵法是常用的方法；

在上述技术方案中，光学整形系统有多种结构可以选择，如4f整形系统。

一种矢量光束偏振态检测方法，如图1所示，在本实施例中，y轴上的四组1/4波片和偏振片的组合分布在待测矢量光束同一方位的不同径向位置处，分别对透过的光束进行偏振调制。假设四组波片和偏振片的组合中，波片快轴与偏振态参考坐标系x轴的夹角分别为，偏振片的透光轴与参考坐标系x轴的夹角分别为，则四组波片和偏振片组合的穆勒矩阵分别为

其中分别代表不同的波片和偏振片的组合。

由于最终只能探测透射光的强度，因此只有穆勒矩阵的第一行是需要的。假设入射光束的斯托克斯矢量为，则经过四组偏振器件组合得到的光强为

假设上式中：

，

则所求得的光束偏振态为

。

对于普通光束偏振态的测量，运用上述的方法便可以得到最终结果。但是，由于矢量光束具有非均匀的偏振态分布，因此不能直接进行上述运算。矢量光束在同一方位角下具有相同的偏振特性，因此可以选择同一方位角上的元素进行求解运算，探测器上的这些元素称为同偏振态元素。

同偏振态元素的选取如图2所示，对于第一组波片和偏振片组合成像区域内的一个元素，其在其他三个区域内对应的同偏振态元素应该满足如下条件：①元素的位置在对应的成像区域内；②元素所在位置的方位角，即，比整个成像区域内其他元素的方位角更接近给定元素的方位角。当四组波片和偏振片的组合大小相同时，径向距离最大位置的组合所覆盖的方位角范围最小，因此应该从最外层的成像区域中选取方位角范围。通过对方位角范围内所有像素点的计算便可以得到一定范围内入射光束偏振态的分布情况，借助矢量光束本身的周期分布特点，可以得到整个光束的偏振态分布。

本发明提出的矢量光束偏振态检测方法的思想是：应用普遍的矢量光束的偏振态随光束方位角变化而变化，却与矢量光束的径向位置无关，基于上述的特点，本发明在矢量光束不同矢量位置处对其进行不同的偏振控制，最终通过坐标变换实现相同偏振态光束的偏振求解，进而得到不同方位角下的矢量光束偏振态。

现有技术中，利用波片和偏振片的组合可以实现任意光束偏振态的检测，但往往需要进行多次测量，因此不适用于实时检测系统。针对常用矢量光束偏振态分布随方位角变化的特点，本发明提出了一种利用四个波片和偏振片组合检测矢量光束偏振态的方法。该方法在矢量光束同一方位不同位置放置不同的四分之一波片和偏振片的组合，进而实现对入射光束不同的偏振调制；利用坐标变换将同一方位下的测量结果作为一组进行求解，得到该方位下的光束偏振态；利用矢量光束偏振态分布的规律性可以求得整个光束的偏振分布。本发明利用四组波片和偏振片组合，只需一次测量便可得到矢量光束偏振态，更适合于高速或实时测量系统。

以上所述仅为本发明在实施例中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明保护范围之内。