一種基于共路數字全息的偏振態參量測量裝置與方法制造方法及圖紙

本發明專利技術提供一種基于共路數字全息的偏振態參量測量裝置與方法，屬于偏振態參量測量領域。本發明專利技術包括光源、偏振調制系統、準直擴束系統、第一透鏡、非偏振分光棱鏡、小孔反射鏡、偏振分光棱鏡、第一角反射鏡、第二角反射鏡、第二透鏡、圖像傳感器、計算機。入射光分成參考光和物光后，參考光照射在小孔反射鏡上并被反射；物光經過偏振分光棱鏡后分成兩束偏振態正交的物光，并被第一角反射鏡和第二角反射鏡反射回偏振分光棱鏡合成一束物光；物光和參考光匯合后，調整第一角反射鏡和第二角反射鏡，可在圖像傳感器上生成載頻方向正交的全息圖；分別曝光采集+45°和?45°線偏振光入射時的全息圖，通過計算機獲得Stokes矩陣參量和Jones矩陣參量。

【技術實現步驟摘要】
一種基于共路數字全息的偏振態參量測量裝置與方法
本專利技術涉及一種基于共路數字全息的偏振態參量測量裝置與方法，屬于偏振態參量測量領域。
技術介紹
偏振態是描述光波波前特征的重要參量之一，可用Stokes矩陣參量、Jones矩陣參量等表征，對其測量在生物光子學、非線性光學、化學和礦物質學等領域具有重要的科學意義和應用價值。但傳統的偏振態測量裝置只能提供待測波前傳播方向上固定位置處的偏振信息，且由于不具備二維采樣特性，需頻繁調整光路和多次曝光來實現偏振態參量的測量。為了提高偏振態參量參量的測量效率，國內外學者作了很多有益嘗試，其中，數字全息由于采用干涉方法記錄待測波前的振幅和相位信息，并通過數字方法完成重構，為光束的偏振態參量全場快速測量提供了可能，從而引起廣泛關注。美國伊利諾伊大學香檳分校的GabrielPopescu等(ZhuoWang,LarryJ.Millet,MarthaU.Gillette,andGabrielPopescu,"Jonesphasemicroscopyoftransparentandanisotropicsamples,"Opt.Lett.33,1270-1272(2008))利用離軸數字全息實現了Jones矩陣測量，但該技術需要四次曝光采集才能實現Jones矩陣參量測量，測量速度受限；同時因為采用分離光路結構，抗干擾能力差。韓國的YongKeunPark等(YoungchanKim,JoonwooJeong,JaeduckJang,MahnWonKim,andYongKeunPark,"Polarizationholographicmicroscopyforextractingspatio-temporallyresolvedJonesmatrix,"Opt.Express20,9948-9955(2012))等利用共路數字全息生成載頻正交的全息圖，進而通過兩次曝光采集實現了Jones矩陣參量測量，在提高抗干擾能力的同時，提高了測量效率。但是該方法需要二維光柵和孔陣列匹配，并輔以偏振正交的兩塊偏振片，不僅結構復雜，而且調整困難。專利CN104198040B“一種二維瓊斯矩陣參量的全息測量方法及實施裝置”利用雙二維光柵分光技術，結合頻譜復用技術，通過一次曝光可實現Jones矩陣參量測量，但該裝置不僅進一步增加了系統復雜度，而且光利用率，同時因為采用采用分離光路結構，抗干擾能力差。南京師范大學的袁操今等(馬駿，袁操今，馮少彤，聶守平，“基于數字全息及復用技術的全場偏振態測試方法”，物理學報.22,224204(2013))利用偏振和角分復用技術，通過一次曝光可實現Stokes矩陣參量和Jones矢量測量，但是因為采用采用分離光路結構，抗干擾能力差；同時受結構限制，偏振態正交的頻譜在頻譜空間分離有限，進而造成串擾，影響偏振態參量的測量精度。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對上述技術的不足之處，將偏振分光調制技術、頻譜正交復用技術和共路技術相結合，提供一種結構簡單，系統穩定的基于共路數字全息的偏振態參量測量裝置，且還提供一種滿足和適用上述方法的基于共路數字全息的偏振態參量測量方法。本專利技術的目的是這樣實現的：包括波長為λ的光源、偏振調制系統、準直擴束系統、待測物體、第一透鏡、非偏振分光棱鏡、小孔反射鏡、第二透鏡、圖像傳感器和計算機，還包括偏振分光棱鏡、第一角反射鏡和第二角反射鏡，光源發射的光束經偏振態調制系統調制成線偏振光后依次經過準直擴束系統、待測物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在小孔反射鏡上并被反射，物光經過偏振分光棱鏡后分成兩束偏振態正交的物光，且兩束偏振態正交的物光分別照射在第一角反射鏡和第二角反射鏡上并被反射，再次經過偏振分光棱鏡后匯合成一束物光；經過反射的參考光和物光再次經過非偏振分光棱鏡匯合成一束后通過第二透鏡；調整第一角反射鏡和第二角反射鏡，使兩束偏振態正交的物光與參考光生成的全息圖載頻方向正交，并用圖像傳感器采集全息圖上傳到計算機中；所述小孔反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上，且反射面大小與波長λ在傅里葉平面產生的艾里斑直徑大小d一致，其中：d<1.22λf/D、f為第一透鏡的焦距、D為圖像傳感器的視場寬度；第一角反射鏡和第二角反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上，且滿足第一角反射鏡調整物光在水平方向與光軸成θa角、第二角反射鏡調整物光在垂直方向與光軸成θb角；或滿足第一角反射鏡調整物光在垂直方向與光軸成θa角、第二角反射鏡調整物光在水平方向與光軸成θb角。本專利技術還包括這樣一些結構特征：1.偏振態調制系統由旋轉線偏振片或線偏振片與1/4波片組合實現。2.偏振分光棱鏡按照分光面與光軸法平面成45°設置。3.待測物體和第一透鏡之間還依次設置顯微物鏡和校正物鏡。4.一種基于共路數字全息的偏振態參量測量方法，包括所述的基于共路數字全息的偏振態參量測量裝置，步驟如下：(1)打開光源，射出波長為λ的光束經偏振態調制系統調制后形成線偏振光，依次經過準直擴束系統、待測物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在小孔反射鏡上并被反射；物光經過偏振分光棱鏡后分成兩束偏振態正交的物光，分別照射在第一角反射鏡和第二角反射鏡上并被反射，再次經過偏振分光棱鏡后合成一束物光；經過反射的參考光和兩束物光經非偏振分光棱鏡匯合成一束后通過第二透鏡；調整第一角反射鏡和第二角反射鏡，使兩束偏振態正交的物光與參考光生成的全息圖載頻方向正交，并用圖像傳感器采集全息圖上傳到計算機中；(2)測量Stokes矩陣參量時，調整偏振態調制系統，使輸入光束形成+45°或-45°線偏振光，采集獲得一幅載頻正交全息圖I，計算待測物體的復振幅分布可得：Ai(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fi}}其中：i＝x、y，Fi表示濾波器，FT表示傅里葉變換，IFT表示逆傅里葉變換，C表示頻譜置中操作；得到Stokes參量矩陣為：其中：為待測波面水平方向和垂直方向的相位差；(3)測量Jones矩陣參量時，調整偏振態調制系統，使輸入光束形成+45°或-45°線偏振光，第一次曝光采集獲得第一幅載頻正交全息圖I1；再次調整偏振態調制系統，使輸入光束形成-45°或+45°線偏振光，第二次曝光采集獲得第二幅載頻正交全息圖I2；計算待測物體的復振幅分布可得：Ani(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·Fni}}其中：n＝1、2，i＝x、y，Fni表示濾波器，FT表示傅里葉變換，IFT表示逆傅里葉變換，C表示頻譜置中操作；則待測物體的Jones矩陣參量為：與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：1.在反射式載波點衍射共路結構基礎上，引入偏振分光調制技術和頻譜復用技術，形成載頻正交的全息圖，并可利用同一裝置完成Stokes矩陣參量和Jones矩陣參量測量，在保證抗干擾能力的同時，不需要二維光柵、空間濾波器陣列等特殊光學元件，方法簡單易行，這是區別于現有技術的創新點之一；2.通過偏振分光調制技術將一束45°線偏振光物光分成偏振態正交的兩束物光，只需利用雙角反射鏡放置不同姿態即可在兩束物光中引入正交載頻，不僅方便靈活，而且可最大限度的避免頻譜間串擾，這是區別本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于共路數字全息的偏振態參量測量裝置，包括波長為λ的光源、偏振調制系統、準直擴束系統、待測物體、第一透鏡、非偏振分光棱鏡、小孔反射鏡、第二透鏡、圖像傳感器和計算機，其特征在于：還包括偏振分光棱鏡、第一角反射鏡和第二角反射鏡，光源發射的光束經偏振態調制系統調制成線偏振光后依次經過準直擴束系統、待測物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在小孔反射鏡上并被反射，物光經過偏振分光棱鏡后分成兩束偏振態正交的物光，且兩束偏振態正交的物光分別照射在第一角反射鏡和第二角反射鏡上并被反射，再次經過偏振分光棱鏡后匯合成一束物光；經過反射的參考光和物光再次經過非偏振分光棱鏡匯合成一束后通過第二透鏡；調整第一角反射鏡和第二角反射鏡，使兩束偏振態正交的物光與參考光生成的全息圖載頻方向正交，并用圖像傳感器采集全息圖上傳到計算機中；所述小孔反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上，且反射面大小與波長λ在傅里葉平面產生的艾里斑直徑大小d一致，其中：d<1.22λf/D、f為第一透鏡的焦距、D為圖像傳感器的視場寬度；第一角反射鏡和第二角反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上，且滿足第一角反射鏡調整物光在水平方向與光軸成θa角、第二角反射鏡調整物光在垂直方向與光軸成θb角；或滿足第一角反射鏡調整物光在垂直方向與光軸成θa角、第二角反射鏡調整物光在水平方向與光軸成θb角。...

【技術特征摘要】
1.一種基于共路數字全息的偏振態參量測量裝置，包括波長為λ的光源、偏振調制系統、準直擴束系統、待測物體、第一透鏡、非偏振分光棱鏡、小孔反射鏡、第二透鏡、圖像傳感器和計算機，其特征在于：還包括偏振分光棱鏡、第一角反射鏡和第二角反射鏡，光源發射的光束經偏振態調制系統調制成線偏振光后依次經過準直擴束系統、待測物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在小孔反射鏡上并被反射，物光經過偏振分光棱鏡后分成兩束偏振態正交的物光，且兩束偏振態正交的物光分別照射在第一角反射鏡和第二角反射鏡上并被反射，再次經過偏振分光棱鏡后匯合成一束物光；經過反射的參考光和物光再次經過非偏振分光棱鏡匯合成一束后通過第二透鏡；調整第一角反射鏡和第二角反射鏡，使兩束偏振態正交的物光與參考光生成的全息圖載頻方向正交，并用圖像傳感器采集全息圖上傳到計算機中；所述小孔反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上，且反射面大小與波長λ在傅里葉平面產生的艾里斑直徑大小d一致，其中：d<1.22λf/D、f為第一透鏡的焦距、D為圖像傳感器的視場寬度；第一角反射鏡和第二角反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上，且滿足第一角反射鏡調整物光在水平方向與光軸成θa角、第二角反射鏡調整物光在垂直方向與光軸成θb角；或滿足第一角反射鏡調整物光在垂直方向與光軸成θa角、第二角反射鏡調整物光在水平方向與光軸成θb角。2.根據權利要求1所述的一種基于共路數字全息的偏振態參量測量裝置，其特征在于：偏振態調制系統由旋轉線偏振片或線偏振片與1/4波片組合實現。3.根據權利要求2所述的一種基于共路數字全息的偏振態參量測量裝置，其特征在于：偏振分光棱鏡按照分光面與光軸法平面成45°設置。4.根據權利要求3所述的一種基于共路數字全息的偏振態參量測量裝置，其特征在于：待測物體和第一透鏡之間還依次設置顯微物鏡和校正物鏡。5.一種基于共路數字全息的偏振態參量測量方法，包括權利要求4所述的基于共路數字全息的偏振態參量測量裝置，步驟如下：(1)打...

【專利技術屬性】
技術研發人員：單明廣，劉磊，鐘志，劉彬，張雅彬，
申請(專利權)人：哈爾濱工程大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江,23