基于液晶的嵌入式偏振态测量仪

摘要

本发明涉及基于液晶的嵌入式偏振态测量仪。它由探测单元(1)的第一部分的同轴排列的第一液晶型可调相位延迟器(3)和第二液晶型可调相位延迟器(4)、偏振分光棱镜(5)、第一聚光透镜(6)、第一光电探测器(7)；与第一部分正交排列的第二部分的同轴排列的第二聚光透镜(8)和第二光电探测器(9)；控制单元(2)的信号采集与液晶控制模块(10)、数据处理模块(11)、显示模块(12)和RS232串口(13)组成。利用液晶型可调相位延迟器代替旋转波片，精确控制入射光的偏振状态，准确测量Stokes参量来实时地定量偏振态；还克服了机械振动问题；用于从光学元件的准直到光学相位延迟的测量、材料表征、药物研发、通信设备、椭圆偏振仪和光谱应用和空间光通信。

权利要求

1.基于液晶的嵌入式偏振态测量仪，其特征在于，它由探测单元(1)和控制单元(2)两部分组成；所述的探测单元(1)也由两部分组成，第一部分由同轴排列的第一液晶型可调相位延迟器(3)、第二液晶型可调相位延迟器(4)、偏振分光棱镜(5)、第一聚光透镜(6)和第一光电探测器(7)组成，第二部分由同轴排列的第二聚光透镜(8)和第二光电探测器(9)组成，并与第一部分正交排列；所述的控制单元(2)由信号采集与液晶控制模块(10)、数据处理模块(11)、显示模块(12)和RS232串口(13)组成；其中，信号采集与液晶控制模块(10)与第一光电探测器(7)、第二光电探测器(9)电气连接，并将电调制信号施加于第一液晶型可调相位延迟器(3)和第二液晶型可调相位延迟器(4)上；

所述的第一液晶型可调相位延迟器(3)和第二液晶型可调相位延迟器(4)完全相同，均由两块极板以及其间夹含的向列型液晶层构成，液晶分子平行于极板表面排列，但是排列方向在两块之间连续扭转了90°，因而具有旋光效应；

待测光垂直入射到探测单元(1)的接收面上，首先经过第一液晶型可调相位延迟器(3)与第二液晶型可调相位延迟器(4)，由信号采集与液晶控制模块(10)控制第一液晶型可调相位延迟器(3)与第二液晶型可调相位延迟器(4)，改变入射光的延迟度，使之达到相应的延迟状态；

所述的偏振分光棱镜(5)是一种分光镜，将经第一液晶型可调相位延迟器(3)和第二液晶型可调相位延迟器(4)后的入射光分解成两束正交的线偏振光，其一被第二聚光透镜(8)聚焦，由第二光电探测器(9)接收；其二被第一聚光透镜(6)聚焦，由第一光电探测器(7)接收；

所述的第一光电探测器(7)与第二光电探测器(9)，将接收到的光信号转换为电信号，然后将电信号传输给所述的控制单元(2)的信号采集与液晶控制模块(10)；

信号采集与液晶控制模块(10)以单片机为核心，结合A/D转换器与D/A转换器，用于完成对第一光电探测器(7)和第二光电探测器(9)的输出电压信号的数据采集，并将电调制信号施加于探测单元(1)的第一液晶型可调相位延迟器(3)、第二液晶型可调相位延迟器(4)上；信号采集与液晶控制模块(10)将采集到的数字信号经由RS232串口(13)送入上位机中，交由虚拟仪器进行数据处理与显示；同时还将采集到的数字信号送入数据处理模块(11)进行处理；

所述的数据处理模块(11)以ARM微处理器为核心，将接收到的数字信号进行相应的运算处理，之后由显示模块(12)显示。

2.一种如权利要求1所述的基于液晶的嵌入式偏振态测量仪，其特征在于，所述的第一液晶型可调相位延迟器(3)和第二液晶型可调相位延迟器(4)的向列型液晶层为10μm厚。

3.一种如权利要求1所述的基于液晶的嵌入式偏振态测量仪，其特征在于，所述的第一光电探测器(7)与第二光电探测器(9)为PIN硅光电二极管。

4.一种如权利要求1所述的基于液晶的嵌入式偏振态测量仪，其特征在于，所述的显示模块(12)为液晶屏。

说明书

基于液晶的嵌入式偏振态测量仪

技术领域

[0001] 本发明涉及基于液晶的嵌入式偏振态测量仪，属于光学测量技术领域。

背景技术

[0002] 随着激光技术的飞速发展，人们对人造光源的关注从初始的强度考量逐渐上升到对其偏振态的研究。

[0003] 随着光的偏振性和偏振规律不断被人们发现和掌握，相应地在现代生产实践和科学技术中的应用日益广泛。比如，在激光通信中，利用偏振光实现保密通信；在化学工业里，利用偏振光测量溶液的浓度；在机械工业中，我们可以利用偏振光的干涉来分析机件内部应力分布情况等。随着人们对激光偏振特性的关注度的逐渐提高，对激光偏振特性的检测仪器应运而生。目前，国际上仅有少数公司专门生产偏振态检测仪器，如美国的THORLABS公司与Meadowlark公司。前者的检测仪器采用电机带动波片旋转的这种机械运动的设计方案。后者的检测仪器在前者的基础用液晶代替旋转的波片，可以预见这种仪器的需求度将与日俱增，并随着激光技术的发展占有很大的市场空间。分析国际上现有的偏振态测量仪器，成本高、体积大，需要外接计算机，应用不灵活。而随着半导体技术和计算机技术的发展，嵌入式技术逐渐在高端仪器仪表中受到了人们的宠爱，将嵌入式技术与液晶技术融入传统的偏振态检测技术中，研制一种满足现代化工业在线检测需求的嵌入式偏振态测量仪势在必行。(参考文献：(1).Meadowlark Optic，《Polarimetry Using Liquid Crystal Variable Retarders》，2005；(2).Meadowlark Optics，《Stokes Polarimetry Using Liquid-CrystalVariable Retarders》，2005)

发明内容

[0004] 为了克服现有技术的不足，提供了基于液晶的嵌入式偏振态测量仪。如图1所示，基于液晶的嵌入式偏振态测量仪，其特征在于，它由探测单元1和控制单元2两部分组成；所述的探测单元1也由两部分组成：第一部分由同轴排列的第一液晶型可调相位延迟器3、第二液晶型可调相位延迟器4、偏振分光棱镜5、第一聚光透镜6和第一光电探测器7组成，第二部分由同轴排列的第二聚光透镜8和第二光电探测器9组成；第一部分与第一部分正交排列；所述的控制单元2由信号采集与液晶控制模块10、数据处理模块11、显示模块12和RS232串口13组成；

[0005] 所述的第一液晶型可调相位延迟器3和第二液晶型可调相位延迟器4完全相同，均由两块极板以及其间夹含的向列型液晶层构成，其向列型液晶层优选10μm厚，工作波长范围在450～1800nm；液晶分子平行于极板表面排列，但是排列方向在两块之间连续扭转了90°，因而具有旋光效应；

[0006] 所述的第一液晶型可调相位延迟器3和第二液晶型可调相位延迟器4是一种柔性电控可调的延迟器，能够在电场作用下对入射的光信号进行相位延迟。当两个极板上没有电压时，见图2所示，水平线偏振光垂直入射和通过向列型液晶层后，产生二分之一波长的相位延迟，其偏振方向会被液晶扭转90°，变为垂直线偏振光；当两个极板上加有电压V，并达到阈值电压V′时，第一液晶型可调相位延迟器3和第二液晶型可调相位延迟器4的旋光现象消失，液晶分子长轴一律沿电场方向进行再排列，见图3所示，产生0波长的相位延迟，这时通过向列型液晶层的水平线偏振光的偏振方向没有改变，仍然为水平线偏光；具体的延迟情况由所加电压值V的大小决定。

[0007] 待测光垂直入射到探测单元1的接收面上，首先经过第一液晶型可调相位延迟器3与第二液晶型可调相位延迟器4，由信号采集与液晶控制模块10控制第一液晶型可调相位延迟器3与第二液晶型可调相位延迟器4，改变入射光的延迟度，使之达到相应的延迟状态；

[0008] 所述的偏振分光棱镜5是一种分光镜，将经第一液晶型可调相位延迟器3和第二液晶型可调相位延迟器4后的入射光分解成两束正交的线偏振光，其一被第二聚光透镜8聚焦，由第二光电探测器9接收；其二被第一聚光透镜6聚焦，由第一光电探测器7接收；

[0009] 所述的第一光电探测器7与第二光电探测器9，优选采用PIN硅光电二极管，将接收到的光信号转换为电信号，然后将电信号分别传输给所述的控制单元2的信号采集与液晶控制模块10；

[0010] 信号采集与液晶控制模块10以单片机为核心，结合A/D转换器与D/A转换器，用于完成对第一光电探测器7和第二光电探测器9的输出电压信号的数据采集，并将电调制信号施加于探测单元1的第一液晶型可调相位延迟器3、第二液晶型可调相位延迟器4上；信号采集与液晶控制模块10将采集到的数字信号经由RS232串口13送入上位机中，交由虚拟仪器进行数据处理与显示；同时还将采集到的数字信号送入数据处理模块11进行处理；

[0011] 所述的数据处理模块11以ARM微处理器为核心，将接收到的数字信号进行相应的运算处理，之后由显示模块12显示；所述的显示模块12优选液晶屏。

[0012] 动态工作过程如下：

[0013] 在控制单元1中，待测光垂直入射到控制单元1的接收面上，首先经过第一液晶型可调相位延迟器3与第二液晶型可调相位延迟器4，由信号采集与液晶控制模块10控制第一液晶型可调相位延迟器3与第二液晶型可调相位延迟器4使入射光达到相应的延迟状态；然后经过偏振分光棱镜5进行分光，分解的两束正交的线偏振光分别被第一聚光透镜6和第二聚光透镜8聚焦后，再分别被第一光电探测器7和第二光电探测器9接收；

[0014] 其中，第一光电探测器7、第二光电探测器9分别和信号采集与液晶控制模块10电气连接；信号采集与液晶控制模块10将电调制信号施加于第一液晶型可调相位延迟器3、第二液晶型可调相位延迟器4上；

[0015] 在控制单元2中，信号采集与液晶控制模块10首先将两路模拟电信号进行模数转换，然后工作在两种操作模式：其一将数字信号经由RS232串口13送入上位机，交由虚拟仪器进行数据处理与显示；其二将数字信号送入数据处理模块11进行处理，之后由显示模块12显示。

[0016] 有益效果：

[0017] 基于液晶的嵌入式偏振态测量仪，利用液晶型可调相位延迟器代替传统测量技术中的旋转波片，通过改变所加电压控制液晶双折射系数，以精确控制入射光的偏振状态，从而准确测量Stokes参量来实时地定量偏振态。液晶型柔性可调的激光偏振调制技术，克服了传统的旋转波片、马达或其它运动部件带来的磨损问题和由于机械运动而导入的振动源问题，消除了机械误差；现代嵌入式技术的应用实现数据处理与人机接口，增强了系统功耗低、可靠性高、性价比高、实时性强、人机界面丰富等特点。

[0018] 基于液晶的嵌入式偏振态测量仪，用于从光学元件的准直到光学相位延迟的测量，用于材料特性表征、药物研发和质量控制、通信设备生产、椭圆偏振仪和光谱应用等领域。还可以用于高等院校的光电技术实验教学中，做成教学仪器。此外，在空间光通信系统及军事上保密隐身通信中有广阔的应用前景。

附图说明

[0019] 图1是基于液晶的嵌入式偏振态测量仪结构示意图。此图也是说明书摘要的附图。

[0020] 图2是第一液晶型可调相位延迟器3、第二液晶型可调相位延迟器4进行相位延迟的一种状态示意图。

[0021] 图3是第一液晶型可调相位延迟器3、第二液晶型可调相位延迟器4进行相位延迟的一种状态示意图。

具体实施方式

[0022] 实施例1

[0023] 如图1所示，基于液晶的嵌入式偏振态测量仪，它由探测单元1和控制单元2两部分组成；所述的探测单元1也由两部分组成：第一部分由同轴排列的第一液晶型可调相位延迟器3、第二液晶型可调相位延迟器4、偏振分光棱镜5、第一聚光透镜6和第一光电探测器7组成，第二部分由同轴排列的第二聚光透镜8和第二光电探测器9组成；第一部分与第一部分正交排列；所述的控制单元2由信号采集与液晶控制模块10、数据处理模块11、显示模块12和RS232串口13组成；

[0024] 所述的第一液晶型可调相位延迟器3和第二液晶型可调相位延迟器4完全相同，均由两块极板以及其间夹含的向列型液晶层构成，其向列型液晶层10μm厚，工作波长范围在450～1800nm；液晶分子平行于极板表面排列，但是排列方向在两块之间连续扭转了90°，因而具有旋光效应；

[0025] 所述的第一液晶型可调相位延迟器3和第二液晶型可调相位延迟器4是一种柔性电控可调的延迟器，能够在电场作用下对入射的光信号进行相位延迟。当两个极板上没有电压时，见图2所示，水平线偏振光垂直入射和通过向列型液晶层后，产生二分之一波长的相位延迟，其偏振方向会被液晶扭转90°，变为垂直线偏振光；当两个极板上加有电压V，并达到阈值电压V′时，第一液晶型可调相位延迟器3和第二液晶型可调相位延迟器4的旋光现象消失，液晶分子长轴一律沿电场方向进行再排列，见图3所示，产生0波长的相位延迟，这时通过向列型液晶层的水平线偏振光的偏振方向没有改变，仍然为水平线偏光；具体的延迟情况由所加电压值V的大小决定。

[0026] 待测光垂直入射到探测单元1的接收面上，首先经过第一液晶型可调相位延迟器3与第二液晶型可调相位延迟器4，由信号采集与液晶控制模块10控制第一液晶型可调相位延迟器3与第二液晶型可调相位延迟器4，改变入射光的延迟度，使之达到相应的延迟状态；

[0027] 所述的偏振分光棱镜5是一种分光镜，将经第一液晶型可调相位延迟器3和第二液晶型可调相位延迟器4后的入射光分解成两束正交的线偏振光，其一被第二聚光透镜8聚焦，由第二光电探测器9接收；其二被第一聚光透镜6聚焦，由第一光电探测器7接收；

[0028] 所述的第一光电探测器7与第二光电探测器9，优选采用PIN硅光电二极管，型号为S5981，将接收到的光信号转换为电信号，然后将电信号分别传输给所述的控制单元2的信号采集与液晶控制模块10；

[0029] 信号采集与液晶控制模块10以单片机-ATmega128为核心，结合A/D转换器-ICL7135与D/A转换器-MX7536，用于完成对第一光电探测器7和第二光电探测器9的输出电压信号的数据采集，并将电调制信号施加于探测单元1的第一液晶型可调相位延迟器3、第二液晶型可调相位延迟器4上；信号采集与液晶控制模块10将采集到的数字信号经由RS232串口13送入上位机中，交由虚拟仪器进行数据处理与显示；同时还将采集到的数字信号送入数据处理模块11进行处理；

[0030] 所述的数据处理模块11以ARM微处理器为核心，将接收到的数字信号进行相应的运算处理，之后由显示模块12显示；所述的显示模块12为优选液晶屏。

[0031] 动态工作过程如下：

[0032] 在控制单元1中，待测光垂直入射到控制单元1的接收面上，首先经过第一液晶型可调相位延迟器3与第二液晶型可调相位延迟器4，由信号采集与液晶控制模块10控制第一液晶型可调相位延迟器3与第二液晶型可调相位延迟器4使入射光达到相应的延迟状态；然后经过偏振分光棱镜5进行分光，分解的两束正交的线偏振光分别被第一聚光透镜6和第二聚光透镜8聚焦后，再分别被第一光电探测器7和第二光电探测器9接收；

[0033] 其中，第一光电探测器7、第二光电探测器9分别和信号采集与液晶控制模块10电气连接；信号采集与液晶控制模块10将电调制信号施加于第一液晶型可调相位延迟器3、第二液晶型可调相位延迟器4上；

[0034] 在控制单元2中，信号采集与液晶控制模块10首先将两路模拟电信号进行模数转换，然后工作在两种操作模式：其一将数字信号经由RS232串口13送入上位机，交由虚拟仪器进行数据处理与显示；其二将数字信号送入数据处理模块11进行处理，之后由显示模块12显示。