一種光束偏振度測量裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光束偏振度測量裝置和方法，該測量裝置由光學(xué)元件基片，轉(zhuǎn)臺(tái)和兩個(gè)光束強(qiáng)度探測器組成，光學(xué)元件位于轉(zhuǎn)臺(tái)上，待測光入射至光學(xué)元件基片上，通過轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)節(jié)光束入射角，測量光學(xué)元件在不同入射角時(shí)的反射和透射光強(qiáng)度，根據(jù)菲涅耳公式推算得到入射光束的偏振度。本發(fā)明具有測量方法和裝置簡單，成本低，并且測量精度高，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種光束偏振度測量裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光束偏振度測量的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種光束偏振特性測量裝置和 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 光波是一種橫波，其光波矢量的振動(dòng)方向垂直于光的傳播方向。根據(jù)光波矢量振 動(dòng)方向的變化情況，可以將光分成自然光和偏振光，偏振光又可以進(jìn)一步分為線偏光、圓偏 振光、橢圓偏振光。對(duì)于線偏振光，通常把垂直于入射面振動(dòng)的分量稱為s分量（s光），而 把平行于入射面振動(dòng)的分量稱為P分量（P光）。偏振特性是光束的重要特性之一，光的偏 振信息探測已經(jīng)在地物遙感、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
[0003] 光的偏振特性測量方法也很多，例如專利CN 102243104 A，一種實(shí)時(shí)測量偏振光 特性的裝置，它采用非偏振分光棱鏡、半波片、2片偏振分光棱鏡及4路光探測器，通過4路 光功率的測量來實(shí)現(xiàn)入射偏振光特性的實(shí)時(shí)測量，包括偏振光的方位角及偏振消光比信 息。專利CN102435418 A，ArF激光光學(xué)薄膜元件綜合偏振測量裝置及方法，該裝置由ArF準(zhǔn) 分子激光器、ArF準(zhǔn)分子激光擴(kuò)束準(zhǔn)直裝置、可變光闌、起偏器、分束器、樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)支撐臂 組成，可以同時(shí)測量不同形狀的光學(xué)薄膜元件在不同入射角時(shí)的偏振反射率、透射率、反射 退偏度和透射退偏度，而其中的偏振特性測量方法也是采用檢偏器（Rochon棱鏡偏振片） 和探測器聯(lián)合方法進(jìn)行測量。專利CN 102933944 A提出了一種用于測量光束偏振的系統(tǒng) 和方法。該光學(xué)系統(tǒng)包括偏振分束組件和像素矩陣，偏振分束組件由偏振分束器和雙折射 元件組成，用于將輸入光束分成預(yù)定數(shù)目的、彼此之間具有預(yù)定偏振關(guān)系的光束分量。像素 矩陣用于檢測入射到其上的光束內(nèi)的強(qiáng)度分布，分析在每個(gè)輸出光束分量內(nèi)的強(qiáng)度分布， 確定輸入光束的表不偏振式樣的斯托克斯參數(shù)，從而確定輸入光束的偏振特性。
[0004] 綜上所述的光束偏振特性測量方法都采用多個(gè)偏振測量光學(xué)元件和復(fù)雜的測量 結(jié)構(gòu)，具有測量成本高，測量緩慢等缺點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種光束偏振度測量裝置和方法，通過簡單裝置實(shí)現(xiàn)光束偏 振度的高精度測量。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種光束偏振度測量裝置，所述測量裝置包括光學(xué)元 件，角度控制器，第一光強(qiáng)度探測器、第二光強(qiáng)度探測器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述光學(xué)元件安 裝在角度控制器上，通過角度控制器調(diào)節(jié)待測光束的入射角度，由第一光強(qiáng)度探測器和第 二光強(qiáng)度探測器分別測量經(jīng)光學(xué)元件透射和反射的光束強(qiáng)度，分別用Ε τ和Εκ表示；數(shù)據(jù)處 理系統(tǒng)對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行處理得到入射光偏振度信息。
[0007] 所述的光學(xué)元件應(yīng)選擇能夠反射和透射待測光的光學(xué)基片，對(duì)待測光的吸收和散 射損耗已知，光學(xué)基片應(yīng)該薄以減小吸收損耗，可以是3_厚或者更薄，光學(xué)基片尺寸應(yīng)大 于待測光入射至光學(xué)元件上的光斑尺寸的三倍。
[0008] 所述的角度控制器主要用于調(diào)節(jié)待測光束入射角，除采用轉(zhuǎn)臺(tái)外，也可以采用其 他能夠改變?nèi)肷涔饨嵌鹊难b置，如帶有角度調(diào)節(jié)的光學(xué)鏡架或者是固定角度光學(xué)鏡架。
[0009] 所述的第一光強(qiáng)度探測器和第二光強(qiáng)度探測器用于測量經(jīng)光學(xué)元件后的透射光 和反射光強(qiáng)度，從而計(jì)算待測光偏振度，光強(qiáng)度探測器可以是能量計(jì)也可以是激光功率計(jì) 或者其他能測量光束強(qiáng)度的探測器，如光電二極管、光電倍增管等。
[0010] 所述光學(xué)元件前設(shè)置有入射角輔助調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)經(jīng)過小孔的入射光照射至光學(xué)元 件上，反射光同樣經(jīng)過小孔時(shí)入射光角度為零度，除采用小孔外，也可以采用其他方法使入 射角度精確定位至零度，如若通過光學(xué)元件后的透射光沒有干涉條紋時(shí)入射角度為零度， 或者在待測光后加入兩個(gè)小孔，入射光經(jīng)過兩個(gè)小孔，在入射光和鄰近小孔間加入光學(xué)元 件，如果光學(xué)元件透射光同樣經(jīng)過兩個(gè)小孔時(shí)則入射光角度為零度。
[0011] 相同入射角時(shí)可以進(jìn)行多次測量，以有效減小偏振度測量誤差，一般三次測量即 可以滿足要求。
[0012] 通過調(diào)節(jié)安裝有光學(xué)元件的角度控制器，對(duì)不同入射角進(jìn)行多次測量，從而計(jì)算 不同入射角時(shí)測量得到的待測光偏振度，以有效減小偏振度測量誤差。
[0013] 另外，本發(fā)明還提供一種光束偏振度測量方法，其特征在于測量步驟如下：
[0014] 步驟1、調(diào)節(jié)待測光以入射角入射至光學(xué)元件上，01的范圍是〇° < <90°，根據(jù)實(shí)際情況選擇入射角確定值；
[0015] 步驟2、分別通過第一光強(qiáng)度探測器和第二光強(qiáng)度探測器測量光學(xué)元件透射和反 射的待測光強(qiáng)度；
[0016] 步驟3、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)入射角Θ i和第一光強(qiáng)度探測器和第二光強(qiáng)度探測器 測量得到的光學(xué)元件透射和反射的待測光強(qiáng)度結(jié)合偏振度計(jì)算公式，計(jì)算得到待測光偏振 度；
[0017] 步驟4、判斷是否增加一次待測光的透射光和反射光強(qiáng)度測量，是，返回步驟3， 否，繼續(xù)下一步；
[0018] 步驟5、判斷是否增加一個(gè)待測光入射角度的測量，是，返回步驟1，否，結(jié)束。
[0019] 進(jìn)一步的，所述入射角通過角度控制器控制和調(diào)節(jié)，折射角θ2通過以下公式 計(jì)算得到：

【權(quán)利要求】
1. 一種光束偏振度測量裝置，其特征在于，該測量裝置包括光學(xué)元件（1)，角度控制器 (2)，第一光強(qiáng)度探測器（3)，第二光強(qiáng)度探測器（4)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5);所述光學(xué)元件 (1) 安裝在角度控制器（2)上，通過角度控制器（2)調(diào)節(jié)待測光束的入射角度，由第一光強(qiáng) 度探測器（3)和第二光強(qiáng)度探測器（4)分別測量經(jīng)光學(xué)元件（1)透射和反射的光束強(qiáng)度， 分別用Ε τ和Εκ表示；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5)對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行處理得到入射光偏振度信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光束偏振度測量裝置，其特征在于，所述的光學(xué)元件（1) 應(yīng)選擇能夠反射和透射待測光的光學(xué)基片，對(duì)待測光的吸收和散射損耗已知，光學(xué)基片應(yīng) 該薄以減小吸收損耗，可以是3mm厚或者更薄，光學(xué)基片尺寸應(yīng)大于待測光入射至光學(xué)元 件（1)上的光斑尺寸的三倍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光束偏振度測量裝置，其特征在于，所述的角度控制器 (2) 主要用于調(diào)節(jié)待測光束入射角，除采用轉(zhuǎn)臺(tái)外，也可以采用其他能夠改變?nèi)肷涔饨嵌鹊?裝置，具體為帶有角度調(diào)節(jié)的光學(xué)鏡架或者是固定角度光學(xué)鏡架。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光束偏振度測量裝置，其特征在于，所述的第一光強(qiáng)度 探測器（3)和第二光強(qiáng)度探測器（4)用于測量經(jīng)光學(xué)元件（1)后的透射光和反射光強(qiáng)度， 從而計(jì)算待測光偏振度，光強(qiáng)度探測器可以是能量計(jì)也可以是激光功率計(jì)或者其他能測量 光束強(qiáng)度的探測器，具體為光電二極管或光電倍增管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光束偏振度測量裝置，其特征在于，所述光學(xué)元件（1)前 設(shè)置有入射角輔助調(diào)節(jié)裝置（6)，當(dāng)經(jīng)過小孔的入射光照射至光學(xué)元件（1)上，反射光同樣 經(jīng)過小孔（6)時(shí)入射光角度為零度，除采用小孔外，也可以采用其他方法使入射角度精確 定位至零度，如若通過光學(xué)元件（1)后的透射光沒有干涉條紋時(shí)入射角度為零度，或者在 待測光后加入兩個(gè)小孔，入射光經(jīng)過兩個(gè)小孔，在入射光和鄰近小孔間加入光學(xué)元件（1)， 如果光學(xué)元件（1)透射光同樣經(jīng)過兩個(gè)小孔時(shí)則入射光角度為零度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的一種光束偏振度測量裝置，其特征在于，在相同入射 角時(shí)可以進(jìn)行多次測量，以有效減小偏振度測量誤差，具體三次測量即可以滿足要求。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的一種光束偏振度測量裝置，其特征在于，在通過調(diào)節(jié) 安裝有光學(xué)元件（1)的角度控制器（2)，對(duì)不同入射角進(jìn)行多次測量，從而計(jì)算不同入射角 時(shí)測量得到的待測光偏振度，以有效減小偏振度測量誤差。
8. -種光束偏振度測量方法，其特征在于，測量步驟如下： 步驟1、調(diào)節(jié)待測光以入射角射至光學(xué)元件⑴上，01的范圍是〇° < <90°，根據(jù)實(shí)際情況選擇入射角確定值； 步驟2、分別通過第一光強(qiáng)度探測器（3)和第二光強(qiáng)度探測器（4)測量光學(xué)元件（1)透 射和反射的待測光強(qiáng)度； 步驟3、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（5)根據(jù)入射角Θ i和第一光強(qiáng)度探測器（3)和第二光強(qiáng)度探測 器（4)測量得到的光學(xué)元件（1)透射和反射的待測光強(qiáng)度結(jié)合偏振度計(jì)算公式，計(jì)算得到 待測光偏振度； 步驟4、判斷是否增加一次待測光的透射光和反射光強(qiáng)度測量，是，返回步驟3,否，繼 續(xù)下一步； 步驟5、判斷是否增加一個(gè)待測光入射角度的測量，是，返回步驟1，否，結(jié)束。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種光束偏振度測量方法，其特征在于，所述入射角通過 角度控制器（2)控制和調(diào)節(jié)，折射角θ2通過以下公式計(jì)算得到： 6^=sin '(-sin(^))〇 ηΛ
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種光束偏振度測量方法，其特征在于，待測光偏振度計(jì)算 方法如下： (1) 將待測光分解成垂直于入射面振動(dòng)的分量和平行于入射面振動(dòng)的分量，通常把垂 直于入射面振動(dòng)的分量稱為S光，而把平行于入射面振動(dòng)的分量稱為Ρ光，則待測光強(qiáng)度表 示為： I = Is+Ip (2) 計(jì)算入射角為時(shí)的光學(xué)元件1對(duì)待測光的反射和透射系數(shù)，所述的待測光波長 為λ，光學(xué)元件（1)在該波長下的折射率為^，待測光束傳播介質(zhì)折射率為n，光束入射至 光學(xué)元件（1)的入射角度為，折射角為θ 2，則根據(jù)菲涅耳定律，待測光的s光和ρ光在 光學(xué)元件（1)入射面的透射率和反射率表示為： 一 sin2(<9丨-6>2) Ts~ ?η\θ,+θ2) _ tan2(6^, -θ2) Γρ~ tan2{θ,+θ2) _ sin 2Θ^ sin 2Θ2s~ ?η\θ,+θ2) sin 26^, sin26^2 'sin2+Θ?)cos:(6^, - θ2) 其中，ts為S光的在光學(xué)元件（1)入射面的透射率；tp為ρ光在光學(xué)元件（1)入射面 的透射率；rs為s光在光學(xué)兀件（1)入射面的反射率；rp為ρ光在光學(xué)兀件（1)入射面的 反射率； (3) 計(jì)算入射角為Θ i時(shí)的光學(xué)元件（1)對(duì)待測光的總的反射率和總透射率，光學(xué)元件 ⑴厚度為山根據(jù)光的傳播原理，經(jīng)過光學(xué)元件⑴的總透射率和總反射率表示為 ： Rs=rs+tsY,rs2" 1 /=1 Rp=rP+tlf,rr /=1 i=l η i=\ Rs+ts = l Rp+Tp = 1 其中，Ts為s光經(jīng)過光學(xué)元件（1)的總透射率；Tp為p光經(jīng)過光學(xué)元件（1)的總透射 率；Rs為S光經(jīng)過光學(xué)元件（1)的總反射率；Rp為P光經(jīng)過光學(xué)元件（1)的總反射率； (4)根據(jù)計(jì)算得到的入射角為Θ i時(shí)光學(xué)元件⑴對(duì)待測光反射率和透射率，以及測量 得到的反射光能量和透射光能量，得到待測光偏振度；經(jīng)過光學(xué)元件（1)透射和反射的光 束強(qiáng)度表示為： ET = ISXTS+IPXTP Ee = ISXRS+IPXRP 其中，ET經(jīng)過光學(xué)元件（1)透射的光束強(qiáng)度；EK經(jīng)過光學(xué)元件（1)反射的光束強(qiáng)度； 因此根據(jù)偏振度定義得到入射光偏振度P表示為： Ε?{Κ+Κρ)-ΕΙ{{Τ+Τ ρ) ^ I 、Rr- .RJ、E.r + εα)
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種光束偏振度測量方法，其特征在于偏振度計(jì)算過程中 可以考慮光學(xué)兀件（1)的表面散射損耗S和光學(xué)吸收損耗Α，則考慮光學(xué)兀件損耗后的s光 和Ρ光總透射率與總反射率表示為： Rs = r (1 -S) + 1 (1 - 5')2,?Ι(1 - A)21 =rp(l-S) + - 5)2i 11 (1 - Af i=\ T = c(l - ^)(1 - sf + cX/f (1 - 5)2,,ll)(l - A)21'1 ^ = ^(1-^)(1-5)2+^^(1-5)2<,||)(1-^)2(11 J=1 Rs+Ts+S+A = 1 Rp+Tp+S+A = 1 則光束偏振度P計(jì)算公式如下： P_\is-Ip\ _ [ΕΛΚ + )-er(T + )](1 -5-^) I (R^-RJJiE. + E,) °
【文檔編號(hào)】G01J4/00GK104296875SQ201410503691
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月25日
【發(fā)明者】劉衛(wèi)靜, 李斌誠, 邢廷文, 林嫵媚 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所