本发明属于激光，具体是一种基于庞加莱球的2微米基阶超快激光偏振检测装置及方法。
背景技术：
1、激光偏振特性的检测是激光技术研究和应用中的一个重要方面，具有重要的科学研究和实际应用意义。传统的激光偏振检测方法往往依赖于复杂的光学元件和较长的检测路径，难以满足高精度和快速响应的需求。
2、在超快激光技术中，激光脉冲的持续时间通常在皮秒(10-12秒)或飞秒(10-15秒)量级。超快激光的偏振检测面临着更多的挑战，因为超快激光脉冲的时间分辨要求极高，传统的检测方法难以实现对如此短脉冲的精确测量。
3、庞加莱球(poincarésphere)是一种描述光偏振状态的数学工具。通过庞加莱球，可以将光的任意偏振态表示为球面上的一个点，这种表示方法在分析和研究光偏振特性方面具有直观和简洁的优点。基于庞加莱球的偏振检测方法能够更加直观地反映激光的偏振状态变化，为高效精确的激光偏振检测提供了一条新的途径。
4、传统的偏振检测方法大多需要复杂的光学调整过程，对于超快激光(特别是飞秒激光)而言，这种调整过程不仅耗时耗力，而且容易引入额外的相位噪声，降低测量分辨率。此外，现有的检测设备大多体积庞大，难以实现便携式和在线监测，限制了其在一些特定场景(如野外环境监测、生物医学成像等)的应用。
5、为此，亟需提供一种基于庞加莱球的2-3微米中红外基阶超快激光偏振检测装置，以实现对2微米波段超快激光偏振状态的高效、精确快速检测作业。
技术实现思路
1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于庞加莱球的2微米基阶超快激光偏振检测装置及方法，该装置结构简单紧凑，易于进行操作控制，制造成本低，其能够检测基于庞加莱球的基阶线偏振、椭圆偏振和圆偏振2微米超快激光，可实现对2微米超快激光偏振态的检测；该方法实施过程简单，其能够快速高效地检测线偏振、椭圆偏振和圆偏偏振2微米超快激光。
2、为了实现上述目的，本发明提供一种基于庞加莱球的2微米基阶超快激光偏振检测装置，包括偏振调控模块、功率检测模块和偏振分析模块；
3、所述偏振调控模块包括四分之一波片、电动旋转位移台和偏振分束器；所述四分之一波片用于在正交方向上产生四分之一周期的相位差；所述电动旋转位移台用于固定支撑四分之一波片，同时，用于带动四分之一波片绕光轴以固定角度进行旋转动作；所述偏振分束器设置在四分之一波片的出射光路上，用于限制通过光的偏振态，仅允许具有垂直于分束面的光通过；
4、所述功率检测模块包括功率探测器，功率探测器与偏振分束器连接，用于动态检测每次通过四分之一波片和偏振分束器动态调整后的光强实时数据；
5、所述偏振分析模块包括数据处理器，数据处理器分别与电动旋转位移台和功率探测器连接，用于对电动旋转位移台进行控制，进而改变四分之一波片快轴与x轴正向夹角，以改变入射光的偏振态，同时，用于接收电动旋转位移台的状态参数和功率探测器检测到的光强实时数据，并基于所接收的数据分析输入超快激光的偏振态，推算斯托克斯参量和庞加莱球，完成2微米超快激光偏振检测。
6、作为一种优选，所述四分之一波片为2微米波段可用于调节相位延迟的波片，其在1900～2150nm之间的透过率为>97％，在2700～2950nm之间的透过率为>90％。
7、作为一种优选，所述四分之一波片快轴的初始位置与x轴夹角为0°，其每次绕光轴旋转固定角度为δθ＝22.5°度。
8、进一步，为了能实现对四分之一波片转动角度的精确调整，所述电动旋转位移台包括传动单元、动力单元和反馈单元，所述动作力单元包括蜗轮蜗杆传动机构，其传动比为1:30，模数为1，导程角为20.12°，其中，蜗轮的中心为空心结构，并设置有限位槽，所述四分之一波片安装于涡轮的中心，并通过限位槽进行位置固定，蜗杆的末端设置有手动调节微分筒；所述动力单元包括42两相四线步进电机，42两相四线步进电机的输出轴与蜗杆同轴连接；所述反馈单元包括霍尔传感器，所述霍尔传感器与42两相四线步进电机连接，用于实时采集42两相四线步进电机的旋转角度信息。
9、作为一种优选，所述偏振分束器为2微米波段的偏振分束器，其分束面与x-o-z夹角为45°，能将入射光分成两束偏振态相互垂直的偏振光，并使与分束面相垂直的偏振光沿着z轴输出；同时，所述偏振分束器的光轴与四分之一波片的光轴共线。
10、作为一种优选，所述功率探测器为热电探测器，用于实现ns级超快激光的检测，并能实现全波段的超快激光功率探测。
11、作为一种优选，所述数据处理器为计算机。
12、作为一种优选，所述数据处理器包括驱动控制单元、数据处理单元、偏振态计算单元、显示单元和数据存储单元；
13、所述驱动控制单元用于根据所接收的调整动作信号驱动电动旋转位移台进行动作，以带动四分之一波片绕光轴以固定角度进行旋转动作；
14、所述数据处理单元用于接收电动旋转位移台的状态参数和功率探测器检测到的光强实时数据，并对其进行分析处理得到处理后的数据，再将处理后的数据发送给偏振态计算单元；同时，用于接收斯托克斯参数和偏振态数据，并根据斯托克斯参数和偏振态数据向驱动控制单元发送调整动作信号，同时，用于根据斯托克斯参数和偏振态数据得到偏振态图像，并将偏振态数据和偏振态图像发送给显示单元和数据存储单元；
15、所述偏振态计算单元用于基于处理后的数据和庞加莱球模型计算出激光的斯托克斯参数和偏振态数据，并发送给数据处理单元；
16、所述显示单元用于显示偏振态数据和偏振态图像；
17、所述数据存储单元用于记录和存储偏振态数据和偏振态图像。
18、本发明旨在利用庞加莱球的优势，结合智能控制技术，实现对2微米波段超快激光偏振状态的高效、精确快速检测。采用该装置可以显著提高激光偏振检测的灵敏度和分辨率，为相关领域的研究和应用提供强有力的技术支持，能实现对2微米超快激光偏振态的高效、精准、快速测量作业。该装置通过更换不同波段的四分之一波片和偏振分束器，可实现多波长测量，适用范围广。使用了电动旋转位移台和数据处理器进行控制，可以实现自动化测量，减少人为操作误差，并显著提高了测量效率。数据处理器可以自动处理数据，能够快速计算出斯托克斯参量和绘制庞加莱球，便于用户实时分析和理解激光偏振状态。
19、该装置结构简单紧凑，易于进行操作控制，其能够检测线偏振、椭圆偏振和圆偏振2微米超快激光，实现对2微米超快激光偏振态的检测，成本低。
20、本发明还提供了一种基于庞加莱球的2微米基阶超快激光偏振检测方法，采用一种基于庞加莱球的2微米基阶超快激光偏振检测装置，具体包括如下步骤：
21、步骤一：在x-o-y平面放置电动旋转位移台，并将四分之一波片安装在电动旋转位移台上，同时，保持四分之一波片的快轴与x轴正方向夹角为0°；
22、步骤二：使输入的激光经过自由空间或光纤耦合后与四分之一波片的光轴共线，同时，使用数据处理器通过python平台调节电动旋转位移台进行动作，带动四分之一波片的快轴在初始时与x轴重合，之后每经过0.2s旋转22.5°，直至旋转七次后，四分之一波片的快轴与x轴正方向夹角为157.5°时，反向转动使四分之一波片的快轴与x轴正方向夹角为0°；
23、步骤三：调节偏振分束器在x-o-y平面内的角度，使主轴与z轴平行且分束面与x-o-y平面的夹角为45°，使沿光轴透过的激光的偏振态仅为水平方向；
24、步骤四：在获得相应的偏振光束后，数据处理器通过python平台控制功率检测器采集激光功率，同时，当四分之一波片开始旋转后，每旋转22.5°采集一次数据，每采集八次后通过python平台计算斯托克斯参数和偏振态数据并输出和储存计算数据，同时，进行激光偏振态数据和偏振态图像的显示；
25、其中，斯托克斯参数和偏振态数据的计算过程如下：
26、s41：结合功率探测器(4)所采集的信息，利用公式(1)通过傅立叶分析法算出abcd；
27、
28、s42：根据公式(2)求解出输出激光的全部托克斯参数；
29、
30、s43：以相互正交的s1、s2和s3为轴通过python平台绘制表示激光偏振态的庞加莱球；
31、s44：利用公式(3)，根据斯托克斯参数利用python平台计算偏振度，利用公式(4)计算出椭圆长轴，利用公式(5)计算出椭圆短轴，利用公式(6)计算出椭圆的方位角，
32、并绘制出偏振椭圆；
33、
34、ε＝0.5*arctan(s1*s2) (6)。
35、作为一种优选，所述python平台中集成有数据存储单元，数据存储单元用于记录和存储偏振态数据。
36、本发明旨在提供一种基于庞加莱球的2微米超快激光偏振检测方法，其利用石英晶体的双折射效应、光热探测技术和自动化控制技术，能够快速检测线偏振、椭圆偏振和圆偏偏振2微米超快激光，实现对2微米超快激光偏振态的检测，操作简单；与现有技术相比，其具有以下优点：
37、1、方法的有效性：能直接检测2微米基阶超快激光的偏振态，直观的反映激光的偏振态，兼顾自动化控制，可实现自动矫零、数据采集和偏振态分析过程；
38、2、方法的低成本：装置简单，没有额外的偏振调制器件，易于量产；
39、3、方法的易操作：用户可以通过计算机和python软件编程实现电动位移台控制，数据的收集、处理和存储，偏振态和庞加莱球的显示，操作简便直观。