高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統的製作方法

2024-02-01 10:43:15

專利名稱：高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種快速獲得目標光譜偏振信息的光譜偏振探測光譜偏振儀，尤 其涉及一種高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統。
背景技術：
光譜偏振儀能夠獲得光譜中每個譜段的偏振態，光譜偏振態的一般測量方法中需 要有由線偏振器、旋轉器和相位延遲器等組成的偏振分析光學系統，為了對每一個譜段的 偏振態測量，需要對偏振分析光學系統進行多種不同的設置，並對每一種設置下的光強進 行測量，為測量光譜偏振態，光譜儀和偏振分析光學系統都要進行一個掃描過程，實時性大 大降低。進行偏振分析光學系統偏振控制的光學部件還包含旋轉分析儀或彈光調製器等， 通常包含機械或主動部件，因此，儀器的穩定性大大降低。日本學者Kazuhiko Oka提出一種新型光譜偏振技術—— channeledspectropolarimetry [Kazuhiko Oka and Takayuki Kato. "Spectroscopic polarimetrywith a channeled spectrum，， Optics Letters, Vol.24, No. 21,1475 1477(1999)，該方法是在光譜儀前方加入由兩個相位延遲器和一個線偏振器組成的偏振 光譜調製模塊，將全斯託克斯偏振信息調製到光譜的不同波數(波長的倒數)上去，最後通 過傅立葉變換將偏振光譜信息解調出來。這種方法的最大優點是與靜態光譜儀結合時沒有 運動部件，所有的光譜偏振信息能夠在一次測量中獲得，缺點是需要光譜儀的光譜解析度 較高，而且在偏振光譜解調中需要進行兩次傅立葉變換，運算量較大且會弓I入較多誤差。在Kazuhiko Oka提出的光譜偏振測量方法的基礎上，Michael ff. Kudenov等人 提出採用傅立葉變換光譜技術Michael ff. Kudenow, Nathan A. Hagen, Haitao Luo, et al. "Polarization acquisition using a commercial Fouriertransform spectrometer in the MWIR」，Proc. of SPIE Vol. 6295，2950A(2006)，傅立葉變換光譜技術具有高通 量和多通道的優勢，更重要的是傅立葉變換光譜儀的輸出幹涉圖直接就是入射光的傅裡 葉變換，與channeledspectropolarimetry相結合時，得到的幹涉光譜數據就是經偏振光 譜調製後的光束的傅立葉變換，在數據處理中可以直接從幹涉圖中分離出各斯託克斯分 量，分別對其進行傅立葉變換就可以復原出輸入光的全斯託克斯偏振光譜信息。Michael W. Kudenov等採用了麥可遜式傅立葉變換光譜儀，該光譜儀採用時間調製的方式獲得光 譜，速度較慢，穩定性和實時性較差，在對光譜偏振參數迅速變化和測量速度要求高的條件 下受到了限制。

實用新型內容為了解決背景技術中存在的上述技術問題，本實用新型提供了一種可簡化數據處 理過程、降低誤差，穩定性好且可近實時進行光譜偏振測量的高速轉鏡傅立葉變換光譜偏 振測量系統。本實用新型的技術解決方案是一種高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統，其特殊之處在於所述高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統包括準直鏡、偏振光譜調製模 塊、分束器、第一反射系統、第二反射系統、會聚透鏡以及設置於會聚透鏡焦面上的探測器； 所述準直鏡、偏振光譜調製模塊和分束器依次設置於同一光軸上；所述第一反射系統設置 於分束器的反射光路上，經第一反射系統反射的反射光射入分束器形成第一束光；所述第 二反射系統設置於分束器的透射光路上，經第二反射系統反射的反射光射入分束器形成第 二束光；所述會聚透鏡設置在第一束光與第二束光相重合的光路上。上述偏振光譜調製模塊包括第一相位延遲器、第二相位延遲器以及線偏振器；所 述第一相位延遲器、第二相位延遲器以及線偏振器依次設置於準直鏡和分束器之間，並與 準直鏡和分束器同處於同一光軸上。上述第一相位延遲器的快軸和慢軸組成的平面以及第二相位延遲器的快軸和慢 軸組成的平面分別垂直於光軸；所述第一相位延遲器的快軸方向與線偏振器的偏振方向一 致；所述第二相位延遲器的快軸方向相對於第一相位延遲器的快軸方向逆時針旋轉45°。上述第一反射系統包括轉鏡、角反射體以及第一平面反射鏡；所述轉鏡設置於分 束器的反射光路上；所述角反射體以及第一平面反射鏡依次設置於轉鏡的反射光路上。上述第二反射系統包括第二平面反射鏡；所述第二平面反射鏡設置於分束器的透 射光路上。上述第一相位延遲器和第二相位延遲器均由單軸雙折射晶體材料製成。上述探測器是單元探測器或紅外單元探測器。上述轉鏡由圓柱體的斜端面構成。本實用新型具有以下優點1、提高了偏振態測量速度。本實用新型利用靜態的偏振光譜調製模塊將全斯託克 斯偏振態信息調製到光譜的波數上，通過光譜儀和計算機數據處理解調出光譜偏振信息， 大大提高了偏振態測量速度。2、直接對幹涉光譜圖進行濾波。本實用新型是光譜偏振調製與傅立葉變換光譜技 術相結合，可以直接對幹涉光譜圖進行濾波和傅立葉變換得到全斯託克斯光譜偏振信息。3、掃描效率高、可實現高頻掃描，且穩定性好。轉鏡以一個圓柱體的具有一定斜度 的端面作為反射面，在電機的帶動下轉動，無空掃現象，掃描效率高，採用轉鏡式動鏡，系統 運行連續，當掃描速度很高時，由於慣性的作用，旋轉伺服系統仍能保持較好的穩定性。4、抗幹擾能力強、應用範圍廣。本實用新型由於獲得幹涉圖的時間極短，系統對振 動敏感度降低，機械振動頻率一般對光譜圖的質量無影響，實時性好，解析度高，工作範圍 寬，尤其適用於紅外光譜偏振測量，結構簡單，體積小，重量輕。

圖1為本實用新型的結構原理示意圖；圖2為本實用新型實施例的結構示意圖；圖3為光譜偏振模塊示意圖；其中1-準直鏡，2-第一相位延遲器，3-第二相位延遲器，4-線偏振器，5-偏振光 譜調製模塊，6-分束器，7-轉鏡，8-電機，9-角反射器，10-平面反射鏡，11-平面反射鏡， 12-會聚透鏡，13-探測器，14-計算機處理系統，15-前置光學系統，50-系統光軸，51-第一相位延遲期快軸，52-第一相位延遲器慢軸，53-第二相位延遲器快軸，54-第二相位延遲器 慢軸，55-線偏振器偏振方向。
具體實施方式
參見附圖1和圖2，本實用新型的光學系統主要由準直鏡1、偏振光譜調製模塊5、 分束器6、轉鏡7、角反射器9、平面反射鏡10-11、會聚透鏡12構成；偏振光譜調製模塊5由 第一相位延遲器2、第二相位延遲器3和線偏振器4構成；計算機處理系統14為信息處理 系統。本實用新型的工作原理為準直鏡1後的由第一相位延遲器2、第二相位延遲器3 和線偏振器4組成的偏振光譜調製模塊5將入射光的全斯託克斯光譜偏振信息調製到光譜 的不同波數上，然後進入幹涉光譜儀。在轉鏡7靜止時，主光軸上的光被分束器6分成兩束 光，分別是反射光束IF和透射光IT，該兩束光的光程相等，當轉鏡7在電機8的帶動下轉動 時，被分束器6第一次分出的反射光束IF，經轉鏡7與角反射器9和平面反射鏡10多次反 射後，回到分束器6，再到達會聚透鏡12的第一束光的光程會發生變化。而被分束器6第一 次分出的透射光IT，經平面反射鏡11反射回分束器6，再被分束器反射到達會聚透鏡12的 第二束光的光程不變，兩束光最後到達探測器13的光程不再相等，從而產生光程差，成為 兩束相干光，在探測器上產生幹涉。隨著轉鏡7的轉動，兩束光的光程差不斷變化，由此獲 得幹涉光譜圖，此時的幹涉圖已經調製進了偏振信息，各偏振分量處在不同的光程差範圍 內。幹涉圖再經過計算機處理系統14進行濾波和傅立葉變換後，可得到輸入光的各斯託克 斯偏振分量的光譜。轉鏡7在電機8的帶動下高速轉動，即可實現高速掃描。該轉鏡由圓 柱體的斜端面構成。參見圖3，本實用新型的偏振光譜模塊5中第一相位延遲器2和第二相位延遲器3 均由單軸雙折射晶體材料製成，第一相位延遲器2、第二相位延遲器3和線偏振器按順序粘 接在一起，其位置和方向滿足1)第一相位延遲器2、第二相位延遲器3和線偏振器4沿系統光軸50依次放置；2)第一相位延遲器2的快軸51和慢軸52組成的平面與系統光軸50垂直，且快軸 51的方向與線偏振器4的偏振方向55 —致；3)第二相位延遲器3的快軸53和慢軸54組成的平面與系統光軸50垂直，快軸方 向相對於相位延遲器2的快軸方向逆時針旋轉45° (沿光束傳播方向看去)；第一相位延遲器2的厚度為L」第二相位延遲器3的厚度為L2，通過設置k和L2 的比例來實現對偏振光譜的調製。準直鏡的1的軸線和偏振光譜調製模塊5都位於前置光學系統的軸線上。分束器 6的位置應確保既能接收到由偏振光譜調製模塊5出射的光束，又能接收到轉鏡7和平面反 射鏡11反射的光束。轉鏡7的初始位置和角反射體9，以及平面反射鏡10-11的位置應滿 足當轉鏡7在某一位置定位時，1)光軸上的光束被分束器6分出的反射光數；為第一束光，其經轉鏡7、角反射 體9和平面反射鏡10的多次反射，再回到分束器6，經過傅立葉變換透鏡12會聚到探測器 13上形成的第一束光的光程；2)光軸上的光束被分束器6分出的透射光IT為第二束光，其經過平面反射鏡11
5反射後再回到分束器6，通過會聚透鏡12會聚到探測器13形成的第二束光的光程；3)第一束光再回到分束器6的交點與第二束光再回到分束器6的交點相重合；4)第一束光被分束器6再次分出的透射光束Ift和第二束光被分束器6再次分出 的反射光束Ift光路重合；5)第一束光的光程與第二束光的光程相等；會聚透鏡12的光軸位於第一束光的透射光束Ift與第二束光的反射光束Itf相重 合的光路上。
本實用新型偏振光譜調製與解調過程
1.經準直的入射光的偏振光譜為Sin= (s0, S1, S2, S3)
2.經過第一相位延遲器2後的偏振光譜為 ^oail2
3.經過第二相位延遲器3後的偏振光譜為 rX 0 0 0 Yl 0 0
4.經過線偏振器4後的偏振光譜為
波數ο的函數，由式⑷確定δ (σ) = 23 Δησ(4)上式中，d為延遲器材料的厚度，Δη為尋常光和異常光的折射率之差5.將式(1)中的矩陣相乘得到 由於探測器本身只對光強度信號有響應，而對偏振態無響應，探測器接收到的fi 號為透過線偏振器的光的全部強度，對應於輸出斯託克斯向量的第一個元素。因此，探測器 接收到的光強是波數的函數，如下式。[0051] 上述等式描述了偏振光譜調製模塊將隨波數變化的全斯託克斯分量調製進光譜 的機理。經調製後的光束經過幹涉以後得到的光強分布為 上式中δ ζ = 2 π Δ ζ σ，為幹涉儀產生的相位差，Δ ζ為幹涉儀產生的光程差。對式(7)進行整理得到(式中去掉了與傅立葉變換無關的直流分量)I ( σ，ζ) κ 由式(7)可以直探測器接收到的強度包含有7個基於延遲器的不同的通道0、 士 δ 2、士( δ 2+ δ J和士( δ 2- δ》。如果兩個探測器採用同樣的材料，當第二相位延遲器3 的厚度是第一相位延遲器2的兩倍時，那麼上述七個通道將會在幹涉圖的光程差上等間隔 分開。將每個通道進行分離，經過逆傅立葉變換即可得到s0( σ )、Sl( ο )、s2( ο )和s3( ο )。本實用新型光的傳輸過程1、來自目標的光束經過前置光學系統15到達準直鏡，準直鏡1將目標光束轉換成 平行光束；平行光束投射到偏振光譜調製模塊5上；2、偏振光譜調製模塊5將輸入光的四個斯託克斯分量調製到光譜的不同波數上；3、分束器6將經過調製的光分為反射光束If和透射光束Ιτ。其中3. 1)分束器6分出的反射光束If a經轉鏡7反射到角反射體9，角反射體9把入射的光沿與入射方向平行的方向反 射迴轉鏡7;b反射迴轉鏡7的光又被轉鏡7反射到平面反射鏡10上，平面反射鏡10把入射光 反射回到反射轉鏡7上；c轉鏡7再次將光反射到角反射體9上，角反射體9再次將入射的光沿與入射光方 向平行方向反射迴轉鏡6;d轉鏡7將光反射回分束器6 ；e反射回分束器6的光再次被分為反射光束Iff和透射光束IFT。3. 2)被分束器6分出的透射光束It a被平面反射鏡11沿入射方向返回分束器6 ;b反射回分束器6的光再次被分為 反射光束Itf和透射光束Itt。[0075]4、被分束器6分出的反射光束IF再次被分束器6分出的透射光束IFT，經過會聚透 鏡12，被位於會聚透鏡12焦面上的探測器13接收。5、被分束器6分出的透射光束IT再次被分束器6分出的反射光束ITF，經過會聚透 鏡12，被位於會聚透鏡12焦面上的探測器13接收。6、分束器6第一次分出的反射光束IF經轉鏡7、角反射器9和平面反射鏡10的多 次反射，再回到分束器6，通過會聚透鏡12會聚到探測器13形成第一束光的光程；分束器6 第一次分出的透射光束IT，到達平面反射鏡11後原路反射回到分束器6，通過會聚透鏡12 會聚到探測器13形成第二束光的光程；該兩束光產生光程差，成為兩束相干光，在探測器 13上發生幹涉。轉鏡7在電機8的帶動下轉動，光程差發生變化，探測器上可以得到不同光 程差的幹涉序列，形成幹涉圖。7、幹涉光譜圖經計算機處理系統14進行濾波和傅立葉變換，得到復原的光譜偏 振曲線。
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權利要求一種高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統，其特徵在於所述高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統包括準直鏡、偏振光譜調製模塊、分束器、第一反射系統、第二反射系統、會聚透鏡以及設置於會聚透鏡焦面上的探測器；所述準直鏡、偏振光譜調製模塊和分束器依次設置於同一光軸上；所述第一反射系統設置於分束器的反射射光路上，經第一反射系統反射的反射光射入分束器形成第一束光；所述第二反射系統設置於分束器的透射光路上，經第二反射系統反射的反射光射入分束器形成第二束光；所述會聚透鏡設置在第一束光與第二束光相重合的光路上。
2.根據權利要求1所述的高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統，其特徵在於所述 偏振光譜調製模塊包括第一相位延遲器、第二相位延遲器以及線偏振器；所述第一相位延 遲器、第二相位延遲器以及線偏振器依次設置於準直鏡和分束器之間，並與準直鏡和分束 器同處於同一光軸上。
3.根據權利要求2所述的高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統，其特徵在於所述 第一相位延遲器的快軸和慢軸組成的平面以及第二相位延遲器的快軸和慢軸組成的平面 分別與垂直於光軸；所述第一相位延遲器的快軸的方向與線偏振器的偏振方向一致；所述 第二相位延遲器的快軸方向相對於第一相位延遲器的快軸方向逆時針旋轉45°。
4.根據權利要求1或2或3所述的高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統，其特徵在 於所述第一反射系統包括轉鏡、角反射體以及第一平面反射鏡；所述轉鏡設置於分束器 的反射光路上；所述角反射體以及第一平面反射鏡依次設置於轉鏡的反射光路上。
5.根據權利要求4所述的高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統，其特徵在於所述 第二反射系統包括第二平面反射鏡；所述第二平面反射鏡設置於分束器的透射光路上。
6.根據權利要求5所述的高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統，其特徵在於所述 第一相位延遲器和第二相位延遲器均由單軸雙折射晶體材料製成。
7.根據權利要求1所述的高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統，其特徵在於所述 探測器是單元探測器或紅外單元探測器。
8.根據權利要求4所述的高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統，其特徵在於所述 轉鏡由圓柱體的斜端面構成。
專利摘要本實用新型涉及一種高速轉鏡傅立葉變換光譜偏振探測系統，該系統包括準直鏡、偏振光譜調製模塊、分束器、第一反射系統、第二反射系統、會聚透鏡以及設置於會聚透鏡焦面上的探測器；準直鏡、偏振光譜調製模塊和分束器依次設置於同一光軸上；偏振光譜調製模塊由兩個相位延遲器和一個線偏振器組成；第一反射系統設置於分束器的反射光路上，經第一反射系統反射的反射光射入分束器形成第一束光；第二反射系統設置於分束器的透射光路上，經第二反射系統反射的反射光射入分束器形成第二束光；會聚透鏡設置在第一束光與第二束光相重合的光路上。本實用新型具有可簡化數據處理過程、降低誤差，穩定性好且可近實時進行光譜偏振測量的優點。
文檔編號G02B7/00GK201622115SQ201020020528
公開日2010年11月3日 申請日期2010年1月21日 優先權日2010年1月21日
發明者周錦松, 張 林, 景娟娟, 王新全, 胡亮 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所