基於四路分光模塊的偏振光特性實時測量裝置及方法
2023-07-21 23:14:51
專利名稱：基於四路分光模塊的偏振光特性實時測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉單光子探測技術和偏振光特性測量技術，具體涉及一種基於四路分光模塊的偏振光特性實時測量裝置和方法，它適用於偏振光學系統、橢圓偏振測量領域、雷射技術和量子通信等與偏振相關的測量與檢測領域。
背景技術：
隨著人們對光的偏振現象認識與研究的不斷深入，偏振信息已逐漸應用於對目標的探測。通過探測目標反射光的偏振信息反演出待測目標的相關信息，可以將待測目標的可測信息量從原有的維數再增加三維，偏振信息已經在地物遙感探測、大氣探測、水下探測、天文探測、醫學診斷、目標檢測、圖像處理和軍事應用等領域得到廣泛應用。
隨著單光子探測技術的日趨成熟，高效率的單光子探測器已經在技術上可以實現，單光子探測技術的發展導致單光子偏振應用領域的快速發展，目前基於偏振編碼的自由空間量子保密通信就是單光子偏振的一種重要應用之一。在量子光接收、基失標定和基失校正過程中，均會用到量子光偏振檢測的手段。傳統意義上的偏振態檢測設備，實際上是一種光束偏振態分析儀，只是在經典光下檢測光束的偏振態，同時在檢測的過程中需要旋轉某些相位延遲器件，無法實時的測量出未知入射光的偏振特性。這就需要研究一種能以單光子檢測為手段，並且不需要旋轉相位延遲器件就能實時檢測量子光偏振的方法。中國科學院上海技術物理研究所於2011年研製的基於量子接收模塊的實時測量偏振光特性的裝置，其分光光路對被測光源的偏振特性會造成較大影響；並且光路複雜，安裝難度比較大；實時偏振檢測算法也相對複雜。本專利提出的基於四路分光的實時偏振光特性檢測裝置光路相對較簡單，基於能量分光對被測光源偏振特性影響較小，而且由線性偏正器能量透過率推導出來的實時檢測算法比較簡單，從而在偏振光特性實時測量性能上有所提聞。本專利基於偏振光理論，利用能量分光對被測光源的偏振特性造成影響比較小的特性，將被測光源進行能量分光後經過兩組正交基的偏振片，對透過偏振片後的分光能量進行計算，獲得被測光源的偏振方位角及橢圓率角，從而實現對偏振光特性的測量；由於該方法中對四路偏振光的測量是同時進行的，所以可以實現對被測光源偏振特性的實時測量；並且由於該裝置中的功率檢測模塊可以在經典光和單光子兩種兩級中切換，所以可以實現不同能級被測光源的檢測。
發明內容
本專利的目的是提供一種基於四路分光模塊的實時測量偏振光方位角和橢圓率角的裝置及方法，克服了現有偏振測量裝置在測量過程中耗時較長的問題，測量過程實時性強；並且利用能量分光的方式，避免了分光過程中對被測光源偏振特性的影響；該裝置的功率測量模塊可以使用經典光功率測量模塊，也可以換做單光子功率測量模塊，可用於經典光偏振特性實時檢測，也可以應用於量子通信中對量子光偏振特性的實時檢測；該檢測系統的可移植性較強，應用範圍較廣。本專利利用入射直線偏振片的橢圓偏振光的能量透射率K來計算橢圓偏振光的偏振特性，假設入射橢圓偏振光的橢圓率角為曰，方位角為Q1，直線偏振片的長軸方向與水平夾角為02，那麼橢圓偏振光與直線偏振片之間的相對方位角Q = Q1-Q2，由入射直線偏振片橢圓偏振光的能量透射率公式
權利要求
1.一種基於四路分光模塊的偏振光特性實時測量裝置，它包括四路分光模塊(2)、功率檢測模塊(3)和數據處理模塊(4)，其特徵在於 1)所述的四路分光模塊(2)由第一分光稜鏡(2-1)、第二分光稜鏡(2-2)、第三分光稜鏡(2-3)和O。偏振片(2-4)、90°偏振片(2-5)、45°偏振片(2-6)、-45°偏振片(2-7)組成；分光稜鏡的反射率和透射率均為0. 5,反射方向的相位延時小於0.1度；偏振片米用直線偏振片，安裝偏振方位角精度0.1度； 2)所述的功率檢測模塊(3)是四路光功率計組成的經典光功率檢測模塊，或者是四路單光子探測器和計數器構成的單光子功率檢測模塊；功率檢測模塊可以分別在經典光量級或單光子量級下，同時檢測四路光源的功率，檢測速率0. 5s,檢測精度0. 1% ； 3)所述的數據處理模塊(4)主要包含硬體和軟體兩個部分；硬體部分採用電腦或者具有浮點運算功能的可編程器件；軟體部分是實時偏振測量軟體，主要包括實時數據採集，實時偏振測量算法，數據保存和顯示等功能； 測量裝置各部件之間連接方式如下 A)四路分光模塊(2)與被測光源(I)採用空間耦合方式連接；被測光源(I)經第一分光稜鏡(2-1)分為兩路、一路經第二分光稜鏡(2-2)分成兩路光並分別入射至0°偏振片(2-4)和90°偏振片(2-5)，另一路經第三分光稜鏡(2-3)分成兩路光並分別入射至45°偏振片(2-6)和-45°偏振片(2-7)，由此被測光源被分為四路能量相同、偏振特性不變的光線；0°偏振片(2-4)、90°偏振片(2-5)、45°偏振片(2-6)和-45°偏振片(2-7)分別按照0°、90°、45°和-45°方位角安裝好，偏振片的平面與四路分光光路方向垂直，偏振方位角安裝精度達0.1度； B)四路分光模塊(2)輸出的四路偏振光，經耦合鏡耦合到四根光纖上，並通過光纖連接到功率檢測模塊(3)； C)功率檢測模塊(3)所採集的能量數據通過USB數據線連接到數據處理模塊(4)的硬體上。
2.一種基於權利要求1所述的基於四路分光模塊的偏振光特性實時測量裝置的偏振光特性實時測量方法，其特徵在於包括以下步驟 1)測量四路分光模塊(2)中光學兀件分光稜鏡、偏振片和光纖I禹合效率的參數以及功率檢測模塊(3)的功率檢測效率，測量精度0. 1% ;並將測量參數填入數據處理模塊(4)中的實時測量軟體中； 2)根據被測光源(I)能量量級選擇功率檢測模塊(3)，如果被測光源是經典光則選擇經典光功率檢測模塊，如果被測光源是量子光則選擇單光子功率檢測模塊； 3)根據被測光源的能量量級選擇數據處理模塊(4)的數據採集模式，並且設定實時偏振特性測量時長,實時測量速率可達0. 5s ；4)數據處理模塊(4)軟體部分中的實時偏振特性測量算法利用入射直線偏振片的橢圓偏振光的能量透射率來計算橢圓偏振光的偏振特性；功率檢測模塊(3)檢測到四路分光模塊(2)中四路偏振光能量分別為E1,E2，E3和E4，E1,E2, E3和E4是四路光功率計測量的能量值，或者是單光子探測器測量的單光子個數，通過以下公式可以計算出入射光偏振方位角0和橢圓率角3
全文摘要
本發明公開了一種基於四路分光模塊的偏振光特性實時測量裝置及方法。該系統利用三片分光稜鏡將偏振光平均分為四路，再通過功率檢測模塊實時檢測四路光通過四個不同方位角的偏振片後的能量，利用偏振片能量透過率公式可計算出入射光的偏振方位角和橢圓率角，從而達到實時測量的目的。該系統適用於偏振光學系統、橢圓偏振測量領域、雷射技術和量子通信等與偏振相關的測量與檢測領域。
文檔編號G01J4/00GK103017908SQ20121050692
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者張明, 王建宇, 賈建軍, 吳金才, 張亮, 陳爽, 劉軍 申請人:中國科學院上海技術物理研究所