一种利用起偏分束棱镜测量偏振度的方法

摘要

本发明公开了一种利用起偏分束棱镜测量偏振度的方法，测量所需要的器件包括偏振光源、待测器件、起偏分束棱镜以及光功率计；测量方法是：偏振光源经待测器件后射入起偏分束棱镜，被分成o光和e光两束光，分别测量起偏分束棱镜出射的o光和e光的光功率Po[0]和Pe[0]，然后旋转起偏分束棱镜，o光的位置不变，e光随着起偏分束棱镜的旋转而绕o光旋转，当旋转45°后，测量其中o光的光功率值Po[π/4]，则偏振度DOP通过相关公式确定。本发明适用波长范围较大用波长范围较大，结构简单，测量操作方便，在测量偏振度的同时还可以观察光的偏振态的空间分布特性。

权利要求

1.一种利用起偏分束棱镜测量偏振度的方法，测量所需要的器件包括偏振光源、待测器件、起偏分束棱镜以及光功率计，其特征在于测量方法是：偏振光源经待测器件后射入起偏分束棱镜，被分成光o和e光两束光，调节起偏分束棱镜，使出射光分离的两光斑连线水平，分别测量起偏分束棱镜出射的o光和e光的光功率值Po[0]和Pe[0]，然后旋转起偏分束棱镜，o光的位置不变，e光随着起偏分束棱镜的旋转而绕o光旋转，当旋转45°后，测量其中o光的光功率值Po[π/4]，则偏振度DOP通过下式确定：式中，pp是指光束中偏振成分的功率，pu是指光束中非偏振成分的功率。

2.根据权利要求1所述的利用起偏分束棱镜测量偏振度的方法，其特征在于：偏振光源经待测器件后射入起偏分束棱镜之后，通过成像屏或光电转换器件获取偏振态空间分布情况。

3.根据权利要求2所述的利用起偏分束棱镜测量偏振度的方法，其特征在于：所述光电转换器件为CCD。

4.根据权利要求1所述的利用起偏分束棱镜测量偏振度的方法，其特征在于：偏振光源用非偏振光源经起偏器获得。

5.根据权利要求1所述的利用起偏分束棱镜测量偏振度的方法，其特征在于：起偏分束棱镜为洛匈棱镜、渥拉斯顿棱镜或萨那芒特棱镜。

说明书

一种利用起偏分束棱镜测量偏振度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学测量领域。

背景技术

[0002] 偏振度(DOP)是描述光束偏振情况的一个物理量，是光源特性的一个重要参数，偏振度与光器件的特性测量、光传感系统的灵敏度、光通信系统的光信号质量直接相关。光的偏振度定义为偏振光占总光强的比例， 其中，Pp是指光束中偏振成分的功率，Pu是指光束中非偏振成分的功率，DOP表征了一束光中偏振成分的多少。

[0003] 测量偏振度的方法目前有以下几种：

[0004] 1.偏振度的斯托克斯参量测试方法

[0005] 其装置结构如图1所示，光源是偏振度为100％的偏振光，为了测试光通过待测器件后的斯托克斯参量，需要分别插入三块起偏器，当插入0°起偏器时，测得功率为P0；当插入45°起偏器时，测得功率为P45；当插入左旋圆偏光起偏时，测得功率为Pcl；没有插入起偏器时测试的功率为Ptotal。

[0006] 由斯托克斯参量的定义得到S0＝Ptotal，假设偏振光光强为Ptp，非偏振光光强为Pun，非偏振光透过起偏器后的光强为Pmin＝0.5Pun，偏振光光强可分解为两个正交偏振态光强之和。因此可以得到斯托克斯参量为：

[0007] S0＝Ptotal

[0008] S1＝2P0-Ptotal

[0009] S2＝2P45-Ptotal

[0010] S3＝2Pcl-Ptotal

[0011] 用斯托克斯参量表示偏振度的公式是：

[0012]

[0013] 2.偏振度的全偏振态消光比测试法

[0014] 其装置结构如图2所示，通过偏振控制器改变输出光的偏振态，测试在所有偏振态中的最大输出光强Pmax，最小输出光强Pmin。

[0015] 假设偏振光光强为Ptp，非偏振光光强为Pun，偏振光部分通过偏振控制器的作用，通过检偏器后的最大光强为Ptp，最小为0，非偏振光通过检偏器后光强为0.5Pun。因此最大输出光Pmax＝0.5Pun+Ptp，最小输出光强Pmin＝0.5Pun。由偏振度(DOP)的定义，即完全偏振光部分强度与总强度之比。所以可得到：

[0016]

[0017] 3.测量目标在多个偏振方向的光强的方法

[0018] 其装置结构如图3所示，来自目标光的部分偏振光的强度Iin，可以表示为Iin＝In+Ip，式中In为自然光分量的强度，Ip为线偏振光分量的强度。让该部分偏振光垂直正入射通过一个检偏器，则检偏器输出光的强度可以表示为：

[0019]

[0020]

[0021] 式中α为来自目标的部分偏振光的优势振动取向与检偏器透光轴方向间的夹角，A为线偏振光的振幅，Iout为检偏器的输出光强度。在0-π区间改变α的值，，可得到Iout与α间的关系，通过计算，推导，得到

[0022]

[0023]

[0024] 通过测量目标在k个不同方向的偏振光强可以计算出目标光的偏振度。

[0025] 现在测量偏振度的方法，大多用的是偏振度的斯托克斯参量测试方法和偏振度的全偏振态消光比测试法，测量目标在多个偏振方向的光强的方法还用的不多，目前市场上出售的偏振分析仪所采用的测量偏振度的方法基本上用的都是偏振度的斯托克斯参量测试法和偏振度的全偏振态消光比测试法，以及由偏振度的全偏振态消光比测试法改进的采用闭环反馈电路控制构成的极值搜索法，但极值搜索法的本质是偏振度的全偏振态消光比测试法。

[0026] 偏振度的斯托克斯参量测试方法，有较强的波长相关性，但操作比较简单，用的较多；偏振度的全偏振态消光比测试法，操作简单，有波长相关性，测量精度和测量操作有很大关系；测量目标在多个偏振方向的光强的方法，多次测量，比较麻烦、费时；在某些场合，既要测量光的偏振度，又要同时观察光的偏振态的空间分布特性，上面3种方法都不能一边测量光的偏振度，一边同时观察光的偏振态的空间分布特性。

发明内容

[0027] 本发明是一种利用起偏分束棱镜测量偏振度的方法，适用波长范围较大，结构简单，测量操作方便，在测量偏振度的同时还可以观察光的偏振态的空间分布特性。

[0028] 本发明的技术方案如下：

[0029] 一种利用起偏分束棱镜测量偏振度的方法，测量所需要的器件包括偏振光源、待测器件、起偏分束棱镜以及光功率计；测量方法是：偏振光源经待测器件后射入起偏分束棱镜，被分成o光和e光两束光，分别测量起偏分束棱镜出射的o光和e光的光功率值Po[0]和Pe[0]，然后旋转起偏分束棱镜，o光的位置不变，e光随着起偏分束棱镜的旋转而绕着o光旋转，旋转45°后，测量其中o光的光功率值Po[π/4]，则偏振度DOP通过下式确定：

[0030]

[0031] 式中，Pp是指光束中偏振成分的功率，Pu是指光束中非偏振成分的功率。

[0032] 进一步的，偏振光源用非偏振光源经起偏器获得。

[0033] 本发明中，起偏分束棱镜是各种既具有起偏作用，又具有有分束作用的棱镜，例如：洛匈棱镜、渥拉斯顿棱镜、萨那芒特棱镜；在起偏分束棱镜后加个成像屏可以观察光的偏振态的空间分布特性，测不可见光时，需要用CCD或其它光电转换器件观察偏振态空间分布情况；通过光功率计测量到的o光和e光的光功率值代入公式就可以计算出偏振度。对同一待测器件，在同等条件下，本发明方法与偏振度的全偏振态消光比法测得的结果基本相同，二者的相对误差小于1％。

[0034] 本发明的工作原理如下：

[0035] 根据起偏分束棱镜的结构特点，它能够产生两束彼此分开的、振动方向互相垂直的完全线偏振光。退偏后的空间光束可以看作由非偏振光和一部分偏振光组成，其中，非偏振光沿着各个方向振动的强度都相同，按照任意两个正交方向分解为o光、e光，两束光光功率相等，都为非偏振光的一半，即：

[0036]

[0037] 对于残余的偏振部分，设其偏振主轴的取向与空间直角坐标系X轴夹角为θ，起偏分束棱镜第二块晶体光轴与X-Y平面平行，与X轴夹角为α，如图11所示。

[0038] 为计算入射光偏振部分经过起偏分束棱镜后分离为o光、e光的光强，可以首先将偏振光的振幅A0对空间坐标系的X、Y轴投影，得到在X、Y两个方向的振幅为[0039] Ax＝A0 cosθ

[0040] Ay＝A0 sinθ

[0041] 再分别将振幅在X轴、Y轴两个方向的分量根据第二块晶体的光轴方向分解，得到[0042] X轴方向的垂直于主截面的振幅分量：A⊥1＝Axsinα

[0043] Y轴方向的垂直于主截面的振幅分量：A⊥2＝Aycosα

[0044] X轴方向的平行于主截面的振幅分量：A//1＝Axcosα

[0045] Y轴方向的平行于主截面的振幅分量：A//1＝Aysinα

[0046] 对上述振幅分量合成得到o光、e光振动方向振幅强度

[0047] Ao＝A⊥1+A⊥2＝Axsinα+Aycosα＝A0sinαcosθ+A0cosαsinθ＝A0sin(α+θ)[0048] Ae＝A//1+A//2＝Axcosα+Aysinα＝A0cosαcosθ+A0sinαsinθ＝A0cos(α+θ)[0049] 根据光功率与振幅强度的关系

[0050]

[0051] 而且，

[0052] Pp＝Po(p)+Pe(p)

[0053] 那么，偏振部分按照两个正交方向分解为o光、e光光强分别为

[0054] Po(p)＝Ppsin2(α+θ) (2)

[0055] Pe(u)＝Ppcos2(α+θ) (3)

[0056] 因此，可以得到起偏分束棱镜分离后的o光、e光光功率

[0057]

[0058]

[0059] 调节起偏分束棱镜，使出射光分离的两光斑连线水平，此时第二块晶体光轴位于竖直方向，分别测量起偏分束棱镜出射的两束分离光的光功率值，也就是平行、垂直于第二块晶体光轴两个偏振方向的光功率分量

[0060]

[0061]

[0062] 再通过旋转起偏分束棱镜，使得两光斑连线45°，光轴方向也随之改变45°，使光束按照另外两个正交的偏振方向分解，测量其中o光的光功率值

[0063]

[0064] 根据上述(6)、(7)、(8)三组光功率值Po[0]、Pe[0]、Po[π/4]，可以计算求出入射到起偏分束棱镜的光束中偏振成分和非偏振成分的光功率值，进一步可以得到入射光的偏振度。

[0065]

附图说明

[0066] 图1为偏振度的斯托克斯参量测试方法的装置结构示意图；

[0067] 图2为偏振度的全偏振态消光比测试法的装置结构示意图；

[0068] 图3为测量目标在多个偏振方向的光强的测偏振度的方法的装置结构示意图；

[0069] 图4为利用起偏分束棱镜测量偏振度的方法的装置结构示意图；

[0070] 图5为利用起偏分束棱镜测量偏振度时用相对待测器件120°的入射光入射时，CCD记录的o光偏振态空间分布情况；

[0071] 图6为利用起偏分束棱镜测量偏振度时用相对待测器件120°的入射光入射时，CCD记录的e光偏振态空间分布情况；

[0072] 图7为利用起偏分束棱镜测量偏振度时用相对待测器件135°的入射光入射时，CCD记录的o光偏振态空间分布情况；

[0073] 图8为利用起偏分束棱镜测量偏振度时用相对待测器件135°的入射光入射时，CCD记录的e光偏振态空间分布情况；

[0074] 图9为利用起偏分束棱镜测量偏振度时用相对待测器件140°的入射光入射时，CCD记录的o光偏振态空间分布情况；

[0075] 图10为利用起偏分束棱镜测量偏振度时用相对待测器件140°的入射光入射时，CCD记录的e光偏振态空间分布情况；

[0076] 图11为起偏分束棱镜的光轴示意图。

[0077] 在图3中，1、3、6：透镜，2：光阑，4：滤光片，5：检偏器，7：探测器。

具体实施方式

[0078] 按照图4所示装置结构示意图调节好装置，当入射光束时，光通过偏振分束棱镜后，将被分成o光和e光两束光，调节偏振分束棱镜，使出射光分离的两光斑连线水平，分别测量偏振分束棱镜出射的两束分离光的光功率值Po[0]和Pe[0]，再通过旋转偏振分束棱镜，o光的位置不变，e光随着起偏分束棱镜的旋转而绕o光旋转，当旋转45°后，测量其中o光的光功率值Po[π/4]，则偏振度DOP通过下式确定：

[0079]

[0080] 将测出的值代入上式，即可计算出偏振度。