[發明專利]偏振檢測儀及檢測方法

有效

• 申請號: 201410005298.5
• 申請日: 2014-01-06
• 公開（公告）號: CN103698015A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 馬輝;常金濤;曾楠;何永紅;廖然;孫樹清
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: G01J4/00
• 分類號: G01J4/00
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

技術領域

本發明涉及一種光的偏振態的檢測裝置——偏振檢測儀，尤其涉及一種能夠實時高速測量全部斯托克斯向量參數的偏振檢測儀，以及其檢測方法。

技術背景

電磁波是橫波，而光的偏振態是光最重要的幾個基本屬性之一。在各個光學領域中，光的偏振態都是重要的參數。例如在遙感技術中，檢測特定偏振態的光能夠有效識別目標物，在生物醫學光子學中，偏振成像可以提高影像的分辨率，提供病理變化信息，在材料學中，利用偏振光可以測量薄膜的厚度和折射率等參數。

要想確定一束光的所有偏振信息，我們需要測量這束光的斯托克斯向量。斯托克斯向量是表征光的偏振態的通用概念，任意偏振態的光，包括線偏振光，圓偏振光，橢圓偏振光和部分偏振光，都可以用它來表示。

光的斯托克斯向量的測量需要分別測量光經過多種（≥4種）不同偏振元件后的光強。在過去的幾十年間，國內外發明了各式偏振檢測儀，目的就是實現準確而快速的測量。總體來說，偏振檢測儀分為含時性測量和同時性測量兩類。最初的偏振檢測儀一般由轉動的晶體波片和偏振片組成，它結構簡單，理論成熟。但波片或偏振片的轉動需要依靠人力或電機，進行至少四次測量，無法滿足快速測量的要求。另外，波片的轉動會造成光束漂移，整個系統是非靜態的，增加了測量的不確定性。另一種含時的偏振檢測儀使用液晶波片（或電光晶體）代替傳統晶體波片，它利用調制電壓快速改變相位延遲，雖然降低了測量時間，但仍然不能滿足某些快速測量的需求。并且，這種偏振檢測儀往往需要兩個或者更多的液晶（或電光晶體）調制器，成本較高。

因此，偏振態的同時性檢測裝置具有重要意義。同時性偏振檢測儀多是利用分波前和分振幅的方法實現的。分波前裝置往往需要設計至少四個獨立的微型光學元件置于光路中，然后一一探測每個元件對應的信號。而分振幅裝置多使用分光棱鏡將一路光束分成4路以上，每路設計不同，最后探測每路的信號。分波前裝置對微加工工藝的要求較高。分振幅裝置元件較多，往往體積較大，成本較高。而且每種裝置往往對應各式不同測量方法，校準工作復雜。

由上面的陳述可知，現有的偏振檢測儀或多或少存在同時性、成本、穩定性、校準難度等問題。新的偏振檢測儀亟待推出。

發明內容

本發明的目的在于提供一種偏振檢測儀及檢測方法，滿足同時性測量的要求。

為此，本發明提出一種偏振檢測儀，包括外殼，依次設置于光路上的偏振片、成像透鏡、CCD，以及數據處理裝置和連接于CCD與數據處理裝置之間的數據傳輸線，其中偏振片、成像透鏡和CCD至少部分封裝在外殼內，其特征是：還包括具有變雙折射率特性的透鏡，所述具有變雙折射率特性的透鏡可接收被測入射光并使出射的光線產生光場的相位空間分布后進入偏振片，不同相位的光線經過偏振片發生偏振干涉，產生干涉花樣，干涉條紋投射在CCD上記錄下來并傳輸到數據處理裝置；所述數據處理裝置根據不同的干涉花樣形狀對應的不同的入射光偏振態，計算出入射光的偏振態；所述具有變雙折射率特性的透鏡是指有一定相位延遲分布的器件所謂具有變雙折射率特性的透鏡是指有一定雙折射參數有空間相位延遲分布的器件，所述雙折射參數包括雙折射值和光軸方向。

本發明還提出一種偏振檢測方法，其特征是：包括如下步驟：A、使得待測光束進入儀器進光口，入射光線具有一定的偏振態；B、入射光進入具有變雙折射率特性的透鏡，使其產生光場的空間相位調節；C、從具有變雙折射率特性的透鏡出射的光線進入偏振片，不同相位的光線經過偏振片發生偏振干涉，產生干涉花樣；D、光線經過透鏡進入CCD，干涉條紋投射在CCD上記錄下來；E、根據不同的干涉花樣形狀對應不同的入射光偏振態，計算出入射光的偏振態。

本發明人提出上述技術方案是基于發明人在實驗中觀測到偏振光經過自聚焦透鏡或其他具有變雙折射率的材料后會改變原來的偏振態，在自聚焦透鏡的情形，這種改變類似于很多環形微小波片陣列的效果，而這些微小波片的相位延遲分布在0‐180度之間，同時雙折射快軸方向分布在‐90‐90度之間，能夠遍歷所有可能的波片。偏振光經過不同的相位延遲和光軸方向的波片，再經過偏振片后會發生偏振干涉現象，進而會在CCD上形成各種不同的光強花樣分布。而這些花樣和入射的偏振態是一一對應的。本發明可以利用不同的花樣確定不同的入射偏振態，或者從不同的花樣提取參數表征不同的偏振態。