一种一体式测量空间光偏振信息的装置

1.本发明涉及光学元件技术领域，具体涉及一种一体式测量空间光偏振信息的装置。


背景技术：

2.现如今，激光在工业、医疗、科研等众多领域都有广泛的应用。在使用过程中，往往需要特定偏振的激光，因此，对于激光偏振态的测量就变得尤为重要。目前主要的偏振态测量方法有两种：一种是利用偏振调制的光学器件和电机传动，通过改变光学调制器件，来获得不同状态的调制结果，实现偏振态测量的机械调制法(如thorlabs生产的pax5710-t系列)；另一种是利用分光元件将入射光分成多路，每一束光线都包含不同的偏振调制信息，通过四个统一定标的探测器记录结果并计算，能够快速计算出待测光的偏振特性，进行实时测量的分振幅法(如agilent生产的8509系列偏振测量仪(1250nm-1600nm))。
3.以上产品虽然测量精度较高，但是成本昂贵，结构复杂，往往需要配合一台上位机共同工作才能进行测量，针对许多搭建光路的使用环境，我们只需要能够快速测量光的偏振态信息，并不需要很高的测量精度。因此，开发简单实用低成本、偏振态测量结果可视化的一体式偏振分析仪具有很大的实用价值。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种一体式测量空间光偏振信息的装置，具有一体式特点，无需配合上位机即可直接得到测量信息，大大提高实验效率。
5.本发明通过以下技术手段解决上述问题：
6.一种一体式测量空间光偏振信息的装置，包括：线偏振片、光电探测器、电机、单片机和液晶彩屏；
7.所述线偏振片分别与光电探测器、电机连接；
8.所述单片机分别与光电探测器、电机、液晶彩屏连接；
9.对于任意入射光，如果e
x
、ey分别为x和y震动方向上的偏振光的电矢量，定义e
0x
、e
0y
为x和y方向上偏振光振幅的时间t的平均值，即
[0010][0011]
定义其斯托克斯矢量s＝[s
0 s
1 s
2 s3]
t
，则s的计算式为
[0012][0013]
其中δ表示e
x
和ey的相位差，s0表示总光强值，s1表示水平方向或垂直方向上的线偏振光，s2表示+45
°
或-45
°
方向上的线偏振光，s3表示光线中包含的左旋或右旋圆偏振光，s0、s1、s2和s3均为实数；
[0014]
当线偏振片的透射轴方向与参考方向为θ时，线偏振片的穆勒矩阵m
p
表示为：
[0015][0016]
则出射光的斯托克斯矢量s
out
为：
[0017][0018]
其中s
′0表示出射光的总光强值，s
′1表示出射光水平方向或垂直方向上的线偏振光，s
′2表示出射光+45
°
或-45
°
方向上的线偏振光，s
′3表示出射光线中包含的左旋或右旋圆偏振光；
[0019]
得出光电探测器探测到的电信号转换为光强的表达式i与线偏振片的角度关系为：
[0020]
i＝s0+cos 2θs1+sin 2θs2ꢀꢀ
#(5)。
[0022]
作为优选地，所述一体式测量空间光偏振信息的装置的工作模式为偏振测量模式：电机控制线偏振片透光轴每次从水平方向开始，旋转一周，分别在θ取0
°
、45
°
、90
°
时，光电探测器探测到的光强分别为：i1＝s0+s1、i2＝s0+s2、i3＝s
0-s1，联立方程分别解出s0、s1、s2的值，再由方程组(2)，算出s3，得到入射光的斯托克斯矢量参数，通过公式：即能求出偏振度dop等偏振信息；通过单片机运算处理，将偏振信息输出到液晶彩屏显示。
[0023]
作为优选地，所述一体式测量空间光偏振信息的装置的工作模式为消光比测量模式：电机控制线偏振片旋转一周，实时读取光强信息，将采集到的光强最大值p
max
比上光强最小值p
min
，通过公式即能获得消光比er；通过单片机处理数据并进行运算，将消光比er与波片旋转过程中光强输出到液晶彩屏绘制出光强随角度变化的曲线图；单片机将处理数据使电机在光电探测器测得光强最大时控制线偏振片停止旋转，此时线偏振片的透射轴即为入射光的线偏振分量的方向，能通过观察最终线偏振片的透射轴方向来快速判断入射光的线偏振分量的方向。
[0024]
作为优选地，所述光电探测器为光电二极管。
[0025]
作为优选地，所述电机为步进电机。
[0026]
作为优选地，所述液晶彩屏为ips液晶彩屏。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
[0028]
1、装置简单，节省成本：本发明仅由线偏振片、光电二极管、步进电机、单片机和ips液晶彩屏组成，相比于市面上的产品，成本更低，装置也更为简单。
[0029]
2、体积小，适用性高：在很多实验环境中，光学元件之间往往靠的很近，本发明体积更小，除一根电源线外无额外连线，增加了本发明的适用性，可在空间更为狭窄的地方测量激光偏振信息。
[0030]
3、提高效率：本发明具有一体式特点，无需配合上位机即可直接得到测量信息，大大提高实验效率。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1是本发明一体式测量空间光偏振信息的装置的结构示意图；
[0033]
附图标记说明：
[0034]
1、线偏振片；2、光电二极管；3、步进电机；4、单片机；5、ips液晶彩屏。
具体实施方式
[0035]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
如图1所示，本发明提供一种一体式测量空间光偏振信息的装置，包括：线偏振片1、光电二极管2、步进电机3、单片机4和ips液晶彩屏5。
[0037]
所述线偏振片1分别与光电二极管2、步进电机3连接。
[0038]
所述单片机4分别与光电二极管2、步进电机3、ips液晶彩屏5连接。
[0039]
对于任意入射光，如果e
x
、ey分别为x和y震动方向上的偏振光的电矢量，定义e
0x
、e
0y
为x和y方向上偏振光振幅的时间t的平均值，即
[0040][0041]
定义其stoeks矢量s＝[s
0 s
1 s
2 s3]
t
，则s的计算式为
[0042][0043]
其中δ表示e
x
和ey的相位差，s0表示总光强值，s1表示水平方向或垂直方向上的线偏振光，s2表示+45
°
或-45
°
方向上的线偏振光，s3表示光线中包含的左旋或右旋圆偏振光，四个参量均为实数。
[0044]
当线偏振片1的透射轴方向与参考方向为θ时，线偏振片1的mueller矩阵m
p
表示为：
[0045][0046]
则出射光的stokes矢量s
out
为：
[0047][0048]
其中s
′0表示出射光的总光强值，s
′1表示出射光水平方向或垂直方向上的线偏振光，s
′2表示出射光+45
°
或-45
°
方向上的线偏振光，s
′3表示出射光线中包含的左旋或右旋圆偏振光。
[0049]
得出光电二极管2探测到的电信号转换为光强的表达式i与线偏振片1的角度关系为：
[0050]
i＝s0+cos 2θs1+sin 2θs2ꢀꢀ
#(5)
[0051]
基于上述分析，本发明提出了两种实用的工作模式：
[0052]
(1)、偏振测量模式：步进电机3控制线偏振片1透光轴每次从水平方向开始，旋转一周，分别在θ取0
°
、45
°
、90
°
时，光电二极管2探测到的光强分别为：i1＝s0+s1、i2＝s0+s2、i3＝s
0-s1，联立方程可分别解出s0、s1、s2的值，再由方程组(2)，可算出s3，得到入射光的stokes矢量参数，通过公式：即可求出偏振度dop等偏振信息。通过单片机4运算处理，将偏振信息输出到ips液晶彩屏5显示。
[0053]
(2)、消光比测量模式：步进电机3控制线偏振片1旋转一周，实时读取光强信息，将采集到的光强最大值p
max
比上光强最小值p
min
，通过公式即可获得消光比er。通过单片机4处理数据并进行运算，将消光比er与波片旋转过程中光强输出到ips液晶彩屏5绘制出光强随角度变化的曲线图。单片机将处理数据使步进电机3在光电二极管2测得光强最大时控制线偏振片1停止旋转，此时线偏振片1的透射轴即为入射光的线偏振分量的方向，可通过观察最终线偏振片1的透射轴方向来快速判断入射光的线偏振分量的方
向。
[0054]
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
[0055]
1、装置简单，节省成本：本发明仅由线偏振片、光电二极管、步进电机、单片机和ips液晶彩屏组成，相比于市面上的产品，成本更低，装置也更为简单。
[0056]
2、体积小，适用性高：在很多实验环境中，光学元件之间往往靠的很近，本发明体积更小，除一根电源线外无额外连线，增加了本发明的适用性，可在空间更为狭窄的地方测量激光偏振信息。
[0057]
3、提高效率：本发明具有一体式特点，无需配合上位机即可直接得到测量信息，大大提高实验效率。
[0058]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种一体式测量空间光偏振信息的装置，其特征在于，包括：线偏振片、光电探测器、电机、单片机和液晶彩屏；所述线偏振片分别与光电探测器、电机连接；所述单片机分别与光电探测器、电机、液晶彩屏连接；对于任意入射光，如果e
x
、e
y
分别为x和y震动方向上的偏振光的电矢量，定义e
0x
、e
0y
为x和y方向上偏振光振幅的时间t的平均值，即定义其斯托克斯矢量s＝[s
0 s
1 s
2 s3]
t
，则s的计算式为其中δ表示e
x
和e
y
的相位差，s0表示总光强值，s1表示水平方向或垂直方向上的线偏振光，s2表示+45
°
或-45
°
方向上的线偏振光，s3表示光线中包含的左旋或右旋圆偏振光，s0、s1、s2和s3均为实数；当线偏振片的透射轴方向与参考方向为θ时，线偏振片的穆勒矩阵m
p
表示为：则出射光的斯托克斯矢量s
out
为：其中s
′0表示出射光的总光强值，s
′1表示出射光水平方向或垂直方向上的线偏振光，s
′2表示出射光+45
°
或-45
°
方向上的线偏振光，s
′3表示出射光线中包含的左旋或右旋圆偏振光；得出光电探测器探测到的电信号转换为光强的表达式i与线偏振片的角度关系为：i＝s0+cos2θs1+sin2θs2ꢀꢀꢀꢀꢀ
#(5)。2.根据权利要求1所述的一体式测量空间光偏振信息的装置，其特征在于，所述一体式测量空间光偏振信息的装置的工作模式为偏振测量模式：电机控制线偏振片透光轴每次从水平方向开始，旋转一周，分别在θ取0
°
、45
°
、90
°
时，光电探测器探测到的光强分别为：i1＝s0+s1、i2＝s0+s2、i3＝s
0-s1，联立方程分别解出s0、s1、s2的值，再由方程组(2)，算出s3，得到
入射光的斯托克斯矢量参数，通过公式：即能求出偏振度dop等偏振信息；通过单片机运算处理，将偏振信息输出到液晶彩屏显示。3.根据权利要求1所述的一体式测量空间光偏振信息的装置，其特征在于，所述一体式测量空间光偏振信息的装置的工作模式为消光比测量模式：电机控制线偏振片旋转一周，实时读取光强信息，将采集到的光强最大值p
max
比上光强最小值p
min
，通过公式即能获得消光比er；通过单片机处理数据并进行运算，将消光比er与波片旋转过程中光强输出到液晶彩屏绘制出光强随角度变化的曲线图；单片机将处理数据使电机在光电探测器测得光强最大时控制线偏振片停止旋转，此时线偏振片的透射轴即为入射光的线偏振分量的方向，能通过观察最终线偏振片的透射轴方向来快速判断入射光的线偏振分量的方向。4.根据权利要求1所述的一体式测量空间光偏振信息的装置，其特征在于，所述光电探测器为光电二极管。5.根据权利要求1所述的一体式测量空间光偏振信息的装置，其特征在于，所述电机为步进电机。6.根据权利要求1所述的一体式测量空间光偏振信息的装置，其特征在于，所述液晶彩屏为ips液晶彩屏。

技术总结
本发明公开了一种一体式测量空间光偏振信息的装置，包括：线偏振片、光电探测器、电机、单片机和液晶彩屏；所述线偏振片分别与光电探测器、电机连接；所述单片机分别与光电探测器、电机、液晶彩屏连接；得出光电探测器探测到的电信号转换为光强的表达式与线偏振片的角度关系为：I＝S0+cos2θS1+sin2θS2。本发明具有两种工作模式，分别为偏振测量模式和消光比测量模式。本发明成本更低，装置也更为简单。本发明体积更小，除一根电源线外无额外连线，增加了本发明的适用性，可在空间更为狭窄的地方测量激光偏振信息。本发明具有一体式特点，无需配合上位机即可直接得到测量信息，大大提高实验效率。验效率。验效率。


技术研发人员：张善超 蒋韬 梁文谦
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：2022.09.01
技术公布日：2023/1/6