一種光束偏振度測量裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種光束偏振度測量裝置和方法，該測量裝置由光學元件基片，轉臺和兩個光束強度探測器組成，光學元件位于轉臺上，待測光入射至光學元件基片上，通過轉臺調節光束入射角，測量光學元件在不同入射角時的反射和透射光強度，根據菲涅耳公式推算得到入射光束的偏振度。本發明具有測量方法和裝置簡單，成本低，并且測量精度高，應用范圍廣等優點。
【專利說明】一種光束偏振度測量裝置和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光束偏振度測量的【技術領域】，具體涉及一種光束偏振特性測量裝置和 方法。
【背景技術】
[0002] 光波是一種橫波，其光波矢量的振動方向垂直于光的傳播方向。根據光波矢量振 動方向的變化情況，可以將光分成自然光和偏振光，偏振光又可以進一步分為線偏光、圓偏 振光、橢圓偏振光。對于線偏振光，通常把垂直于入射面振動的分量稱為s分量（s光），而 把平行于入射面振動的分量稱為P分量（P光）。偏振特性是光束的重要特性之一，光的偏 振信息探測已經在地物遙感、天文學、醫學和軍事應用等領域得到廣泛應用。
[0003] 光的偏振特性測量方法也很多，例如專利CN 102243104 A，一種實時測量偏振光 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 光功率的測量來實現入射偏振光特性的實時測量，包括偏振光的方位角及偏振消光比信 息。專利CN102435418 A，ArF激光光學薄膜元件綜合偏振測量裝置及方法，該裝置由ArF準 分子激光器、ArF準分子激光擴束準直裝置、可變光闌、起偏器、分束器、樣品臺旋轉支撐臂 組成，可以同時測量不同形狀的光學薄膜元件在不同入射角時的偏振反射率、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） 和探測器聯合方法進行測量。專利CN 102933944 A提出了一種用于測量光束偏振的系統 和方法。該光學系統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定數目的、彼此之間具有預定偏振關系的光束分量。像素 矩陣用于檢測入射到其上的光束內的強度分布，分析在每個輸出光束分量內的強度分布， 確定輸入光束的表不偏振式樣的斯托克斯參數，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偏振測量光學元件和復雜的測量 結構，具有測量成本高，測量緩慢等缺點。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是設計一種光束偏振度測量裝置和方法，通過簡單裝置實現光束偏 振度的高精度測量。
[0006] 本發明采用的技術方案為：一種光束偏振度測量裝置，所述測量裝置包括光學元 件，角度控制器，第一光強度探測器、第二光強度探測器和數據處理系統；所述光學元件安 裝在角度控制器上，通過角度控制器調節待測光束的入射角度，由第一光強度探測器和第 二光強度探測器分別測量經光學元件透射和反射的光束強度，分別用Ε τ和Εκ表示；數據處 理系統對測量結果進行處理得到入射光偏振度信息。
[0007] 所述的光學元件應選擇能夠反射和透射待測光的光學基片，對待測光的吸收和散 射損耗已知，光學基片應該薄以減小吸收損耗，可以是3_厚或者更薄，光學基片尺寸應大 于待測光入射至光學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節待測光束入射角，除采用轉臺外，也可以采用其 他能夠改變入射光角度的裝置，如帶有角度調節的光學鏡架或者是固定角度光學鏡架。
[0009] 所述的第一光強度探測器和第二光強度探測器用于測量經光學元件后的透射光 和反射光強度，從而計算待測光偏振度，光強度探測器可以是能量計也可以是激光功率計 或者其他能測量光束強度的探測器，如光電二極管、光電倍增管等。
[0010] 所述光學元件前設置有入射角輔助調節裝置，當經過小孔的入射光照射至光學元 件上，反射光同樣經過小孔時入射光角度為零度，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，如若通過光學元件后的透射光沒有干涉條紋時入射角度為零度， 或者在待測光后加入兩個小孔，入射光經過兩個小孔，在入射光和鄰近小孔間加入光學元 件，如果光學元件透射光同樣經過兩個小孔時則入射光角度為零度。
[0011] 相同入射角時可以進行多次測量，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] 通過調節安裝有光學元件的角度控制器，對不同入射角進行多次測量，從而計算 不同入射角時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、調節待測光以入射角入射至光學元件上，01的范圍是〇° < <90°，根據實際情況選擇入射角確定值；
[0015] 步驟2、分別通過第一光強度探測器和第二光強度探測器測量光學元件透射和反 射的待測光強度；
[0016] 步驟3、數據處理系統根據入射角Θ i和第一光強度探測器和第二光強度探測器 測量得到的光學元件透射和反射的待測光強度結合偏振度計算公式，計算得到待測光偏振 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度測量，是，返回步驟3， 否，繼續下一步；
[0018] 步驟5、判斷是否增加一個待測光入射角度的測量，是，返回步驟1，否，結束。
[0019] 進一步的，所述入射角通過角度控制器控制和調節，折射角θ2通過以下公式 計算得到：
【權利要求】
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元件（1)，角度控制器 (2)，第一光強度探測器（3)，第二光強度探測器（4)和數據處理系統（5);所述光學元件 (1) 安裝在角度控制器（2)上，通過角度控制器（2)調節待測光束的入射角度，由第一光強 度探測器（3)和第二光強度探測器（4)分別測量經光學元件（1)透射和反射的光束強度， 分別用Ε τ和Εκ表示；數據處理系統（5)對測量結果進行處理得到入射光偏振度信息。
2. 根據權利要求1所述的一種光束偏振度測量裝置，其特征在于，所述的光學元件（1) 應選擇能夠反射和透射待測光的光學基片，對待測光的吸收和散射損耗已知，光學基片應 該薄以減小吸收損耗，可以是3mm厚或者更薄，光學基片尺寸應大于待測光入射至光學元 件（1)上的光斑尺寸的三倍。
3. 根據權利要求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) 主要用于調節待測光束入射角，除采用轉臺外，也可以采用其他能夠改變入射光角度的 裝置，具體為帶有角度調節的光學鏡架或者是固定角度光學鏡架。
4. 根據權利要求1所述的一種光束偏振度測量裝置，其特征在于，所述的第一光強度 探測器（3)和第二光強度探測器（4)用于測量經光學元件（1)后的透射光和反射光強度， 從而計算待測光偏振度，光強度探測器可以是能量計也可以是激光功率計或者其他能測量 光束強度的探測器，具體為光電二極管或光電倍增管。
5. 根據權利要求1所述的一種光束偏振度測量裝置，其特征在于，所述光學元件（1)前 設置有入射角輔助調節裝置（6)，當經過小孔的入射光照射至光學元件（1)上，反射光同樣 經過小孔（6)時入射光角度為零度，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，如若通過光學元件（1)后的透射光沒有干涉條紋時入射角度為零度，或者在 待測光后加入兩個小孔，入射光經過兩個小孔，在入射光和鄰近小孔間加入光學元件（1)， 如果光學元件（1)透射光同樣經過兩個小孔時則入射光角度為零度。
6. 根據權利要求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 角時可以進行多次測量，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. 根據權利要求1-5任一所述的一種光束偏振度測量裝置，其特征在于，在通過調節 安裝有光學元件（1)的角度控制器（2)，對不同入射角進行多次測量，從而計算不同入射角 時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、調節待測光以入射角射至光學元件⑴上，01的范圍是〇° < <90°，根據實際情況選擇入射角確定值； 步驟2、分別通過第一光強度探測器（3)和第二光強度探測器（4)測量光學元件（1)透 射和反射的待測光強度； 步驟3、數據處理系統（5)根據入射角Θ i和第一光強度探測器（3)和第二光強度探測 器（4)測量得到的光學元件（1)透射和反射的待測光強度結合偏振度計算公式，計算得到 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度測量，是，返回步驟3,否，繼 續下一步； 步驟5、判斷是否增加一個待測光入射角度的測量，是，返回步驟1，否，結束。
9. 根據權利要求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)控制和調節，折射角θ2通過以下公式計算得到： 6^=sin '(-sin(^))〇 ηΛ
10.根據權利要求9所述的一種光束偏振度測量方法，其特征在于，待測光偏振度計算 方法如下： (1) 將待測光分解成垂直于入射面振動的分量和平行于入射面振動的分量，通常把垂 直于入射面振動的分量稱為S光，而把平行于入射面振動的分量稱為Ρ光，則待測光強度表 示為： I = Is+Ip (2) 計算入射角為時的光學元件1對待測光的反射和透射系數，所述的待測光波長 為λ，光學元件（1)在該波長下的折射率為^，待測光束傳播介質折射率為n，光束入射至 光學元件（1)的入射角度為，折射角為θ 2，則根據菲涅耳定律，待測光的s光和ρ光在 光學元件（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光的在光學元件（1)入射面的透射率；tp為ρ光在光學元件（1)入射面 的透射率；rs為s光在光學兀件（1)入射面的反射率；rp為ρ光在光學兀件（1)入射面的 反射率； (3) 計算入射角為Θ i時的光學元件（1)對待測光的總的反射率和總透射率，光學元件 ⑴厚度為山根據光的傳播原理，經過光學元件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光經過光學元件（1)的總透射率；Tp為p光經過光學元件（1)的總透射 率；Rs為S光經過光學元件（1)的總反射率；Rp為P光經過光學元件（1)的總反射率； (4)根據計算得到的入射角為Θ i時光學元件⑴對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；經過光學元件（1)透射和反射的光 束強度表示為： ET = ISXTS+IPXTP Ee = ISXRS+IPXRP 其中，ET經過光學元件（1)透射的光束強度；EK經過光學元件（1)反射的光束強度； 因此根據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.根據權利要求10所述的一種光束偏振度測量方法，其特征在于偏振度計算過程中 可以考慮光學兀件（1)的表面散射損耗S和光學吸收損耗Α，則考慮光學兀件損耗后的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計算公式如下： P_\is-Ip\ _ [ΕΛΚ + )-er(T + )](1 -5-^) I (R^-RJJiE. + E,) °
【文檔編號】G01J4/00GK104296875SQ201410503691
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月25日 優先權日:2014年9月25日
【發明者】劉衛靜, 李斌誠, 邢廷文, 林嫵媚 申請人:中國科學院光電技術研究所
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
