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一种光束偏振度测量装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种光束偏振度测量装置和方法，该测量装置由光学元件基片，转台和两个光束强度探测器组成，光学元件位于转台上，待测光入射至光学元件基片上，通过转台调节光束入射角，测量光学元件在不同入射角时的反射和透射光强度，根据菲涅耳公式推算得到入射光束的偏振度。本发明具有测量方法和装置简单，成本低，并且测量精度高，应用范围广等优点。
【专利说明】一种光束偏振度测量装置和方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及光束偏振度测量的【技术领域】，具体涉及一种光束偏振特性测量装置和 方法。

【背景技术】
[0002] 光波是一种横波，其光波矢量的振动方向垂直于光的传播方向。根据光波矢量振 动方向的变化情况，可以将光分成自然光和偏振光，偏振光又可以进一步分为线偏光、圆偏 振光、椭圆偏振光。对于线偏振光，通常把垂直于入射面振动的分量称为s分量（s光），而 把平行于入射面振动的分量称为P分量（P光）。偏振特性是光束的重要特性之一，光的偏 振信息探测已经在地物遥感、天文学、医学和军事应用等领域得到广泛应用。
[0003] 光的偏振特性测量方法也很多，例如专利CN 102243104 A，一种实时测量偏振光 特性的装置，它采用非偏振分光棱镜、半波片、2片偏振分光棱镜及4路光探测器，通过4路 光功率的测量来实现入射偏振光特性的实时测量，包括偏振光的方位角及偏振消光比信 息。专利CN102435418 A，ArF激光光学薄膜元件综合偏振测量装置及方法，该装置由ArF准 分子激光器、ArF准分子激光扩束准直装置、可变光阑、起偏器、分束器、样品台旋转支撑臂 组成，可以同时测量不同形状的光学薄膜元件在不同入射角时的偏振反射率、透射率、反射 退偏度和透射退偏度，而其中的偏振特性测量方法也是采用检偏器（Rochon棱镜偏振片） 和探测器联合方法进行测量。专利CN 102933944 A提出了一种用于测量光束偏振的系统 和方法。该光学系统包括偏振分束组件和像素矩阵，偏振分束组件由偏振分束器和双折射 元件组成，用于将输入光束分成预定数目的、彼此之间具有预定偏振关系的光束分量。像素 矩阵用于检测入射到其上的光束内的强度分布，分析在每个输出光束分量内的强度分布， 确定输入光束的表不偏振式样的斯托克斯参数，从而确定输入光束的偏振特性。
[0004] 综上所述的光束偏振特性测量方法都采用多个偏振测量光学元件和复杂的测量 结构，具有测量成本高，测量缓慢等缺点。


【发明内容】

[0005] 本发明的目的是设计一种光束偏振度测量装置和方法，通过简单装置实现光束偏 振度的高精度测量。
[0006] 本发明采用的技术方案为：一种光束偏振度测量装置，所述测量装置包括光学元 件，角度控制器，第一光强度探测器、第二光强度探测器和数据处理系统；所述光学元件安 装在角度控制器上，通过角度控制器调节待测光束的入射角度，由第一光强度探测器和第 二光强度探测器分别测量经光学元件透射和反射的光束强度，分别用Ε τ和Εκ表示；数据处 理系统对测量结果进行处理得到入射光偏振度信息。
[0007] 所述的光学元件应选择能够反射和透射待测光的光学基片，对待测光的吸收和散 射损耗已知，光学基片应该薄以减小吸收损耗，可以是3_厚或者更薄，光学基片尺寸应大 于待测光入射至光学元件上的光斑尺寸的三倍。
[0008] 所述的角度控制器主要用于调节待测光束入射角，除采用转台外，也可以采用其 他能够改变入射光角度的装置，如带有角度调节的光学镜架或者是固定角度光学镜架。
[0009] 所述的第一光强度探测器和第二光强度探测器用于测量经光学元件后的透射光 和反射光强度，从而计算待测光偏振度，光强度探测器可以是能量计也可以是激光功率计 或者其他能测量光束强度的探测器，如光电二极管、光电倍增管等。
[0010] 所述光学元件前设置有入射角辅助调节装置，当经过小孔的入射光照射至光学元 件上，反射光同样经过小孔时入射光角度为零度，除采用小孔外，也可以采用其他方法使入 射角度精确定位至零度，如若通过光学元件后的透射光没有干涉条纹时入射角度为零度， 或者在待测光后加入两个小孔，入射光经过两个小孔，在入射光和邻近小孔间加入光学元 件，如果光学元件透射光同样经过两个小孔时则入射光角度为零度。
[0011] 相同入射角时可以进行多次测量，以有效减小偏振度测量误差，一般三次测量即 可以满足要求。
[0012] 通过调节安装有光学元件的角度控制器，对不同入射角进行多次测量，从而计算 不同入射角时测量得到的待测光偏振度，以有效减小偏振度测量误差。
[0013] 另外，本发明还提供一种光束偏振度测量方法，其特征在于测量步骤如下：
[0014] 步骤1、调节待测光以入射角入射至光学元件上，01的范围是〇° < <90°，根据实际情况选择入射角确定值；
[0015] 步骤2、分别通过第一光强度探测器和第二光强度探测器测量光学元件透射和反 射的待测光强度；
[0016] 步骤3、数据处理系统根据入射角Θ i和第一光强度探测器和第二光强度探测器 测量得到的光学元件透射和反射的待测光强度结合偏振度计算公式，计算得到待测光偏振 度；
[0017] 步骤4、判断是否增加一次待测光的透射光和反射光强度测量，是，返回步骤3， 否，继续下一步；
[0018] 步骤5、判断是否增加一个待测光入射角度的测量，是，返回步骤1，否，结束。
[0019] 进一步的，所述入射角通过角度控制器控制和调节，折射角θ2通过以下公式 计算得到：

【权利要求】
1. 一种光束偏振度测量装置，其特征在于，该测量装置包括光学元件（1)，角度控制器 (2)，第一光强度探测器（3)，第二光强度探测器（4)和数据处理系统（5);所述光学元件 (1) 安装在角度控制器（2)上，通过角度控制器（2)调节待测光束的入射角度，由第一光强 度探测器（3)和第二光强度探测器（4)分别测量经光学元件（1)透射和反射的光束强度， 分别用Ε τ和Εκ表示；数据处理系统（5)对测量结果进行处理得到入射光偏振度信息。
2. 根据权利要求1所述的一种光束偏振度测量装置，其特征在于，所述的光学元件（1) 应选择能够反射和透射待测光的光学基片，对待测光的吸收和散射损耗已知，光学基片应 该薄以减小吸收损耗，可以是3mm厚或者更薄，光学基片尺寸应大于待测光入射至光学元 件（1)上的光斑尺寸的三倍。
3. 根据权利要求1所述的一种光束偏振度测量装置，其特征在于，所述的角度控制器 (2) 主要用于调节待测光束入射角，除采用转台外，也可以采用其他能够改变入射光角度的 装置，具体为带有角度调节的光学镜架或者是固定角度光学镜架。
4. 根据权利要求1所述的一种光束偏振度测量装置，其特征在于，所述的第一光强度 探测器（3)和第二光强度探测器（4)用于测量经光学元件（1)后的透射光和反射光强度， 从而计算待测光偏振度，光强度探测器可以是能量计也可以是激光功率计或者其他能测量 光束强度的探测器，具体为光电二极管或光电倍增管。
5. 根据权利要求1所述的一种光束偏振度测量装置，其特征在于，所述光学元件（1)前 设置有入射角辅助调节装置（6)，当经过小孔的入射光照射至光学元件（1)上，反射光同样 经过小孔（6)时入射光角度为零度，除采用小孔外，也可以采用其他方法使入射角度精确 定位至零度，如若通过光学元件（1)后的透射光没有干涉条纹时入射角度为零度，或者在 待测光后加入两个小孔，入射光经过两个小孔，在入射光和邻近小孔间加入光学元件（1)， 如果光学元件（1)透射光同样经过两个小孔时则入射光角度为零度。
6. 根据权利要求1-5任一所述的一种光束偏振度测量装置，其特征在于，在相同入射 角时可以进行多次测量，以有效减小偏振度测量误差，具体三次测量即可以满足要求。
7. 根据权利要求1-5任一所述的一种光束偏振度测量装置，其特征在于，在通过调节 安装有光学元件（1)的角度控制器（2)，对不同入射角进行多次测量，从而计算不同入射角 时测量得到的待测光偏振度，以有效减小偏振度测量误差。
8. -种光束偏振度测量方法，其特征在于，测量步骤如下： 步骤1、调节待测光以入射角射至光学元件⑴上，01的范围是〇° < <90°，根据实际情况选择入射角确定值； 步骤2、分别通过第一光强度探测器（3)和第二光强度探测器（4)测量光学元件（1)透 射和反射的待测光强度； 步骤3、数据处理系统（5)根据入射角Θ i和第一光强度探测器（3)和第二光强度探测 器（4)测量得到的光学元件（1)透射和反射的待测光强度结合偏振度计算公式，计算得到 待测光偏振度； 步骤4、判断是否增加一次待测光的透射光和反射光强度测量，是，返回步骤3,否，继 续下一步； 步骤5、判断是否增加一个待测光入射角度的测量，是，返回步骤1，否，结束。
9. 根据权利要求8所述的一种光束偏振度测量方法，其特征在于，所述入射角通过 角度控制器（2)控制和调节，折射角θ2通过以下公式计算得到： 6^=sin '(-sin(^))〇 ηΛ
10.根据权利要求9所述的一种光束偏振度测量方法，其特征在于，待测光偏振度计算 方法如下： (1) 将待测光分解成垂直于入射面振动的分量和平行于入射面振动的分量，通常把垂 直于入射面振动的分量称为S光，而把平行于入射面振动的分量称为Ρ光，则待测光强度表 示为： I = Is+Ip (2) 计算入射角为时的光学元件1对待测光的反射和透射系数，所述的待测光波长 为λ，光学元件（1)在该波长下的折射率为^，待测光束传播介质折射率为n，光束入射至 光学元件（1)的入射角度为，折射角为θ 2，则根据菲涅耳定律，待测光的s光和ρ光在 光学元件（1)入射面的透射率和反射率表示为： 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为S光的在光学元件（1)入射面的透射率；tp为ρ光在光学元件（1)入射面 的透射率；rs为s光在光学兀件（1)入射面的反射率；rp为ρ光在光学兀件（1)入射面的 反射率； (3) 计算入射角为Θ i时的光学元件（1)对待测光的总的反射率和总透射率，光学元件 ⑴厚度为山根据光的传播原理，经过光学元件⑴的总透射率和总反射率表示为 ： Rs=rs+tsY,rs2" 1 /=1 Rp=rP+tlf,rr /=1 i=l η i=\ Rs+ts = l Rp+Tp = 1 其中，Ts为s光经过光学元件（1)的总透射率；Tp为p光经过光学元件（1)的总透射 率；Rs为S光经过光学元件（1)的总反射率；Rp为P光经过光学元件（1)的总反射率； (4)根据计算得到的入射角为Θ i时光学元件⑴对待测光反射率和透射率，以及测量 得到的反射光能量和透射光能量，得到待测光偏振度；经过光学元件（1)透射和反射的光 束强度表示为： ET = ISXTS+IPXTP Ee = ISXRS+IPXRP 其中，ET经过光学元件（1)透射的光束强度；EK经过光学元件（1)反射的光束强度； 因此根据偏振度定义得到入射光偏振度P表示为： Ε?{Κ+Κρ)-ΕΙ{{Τ+Τ ρ) ^ I 、Rr- .RJ、E.r + εα)
11.根据权利要求10所述的一种光束偏振度测量方法，其特征在于偏振度计算过程中 可以考虑光学兀件（1)的表面散射损耗S和光学吸收损耗Α，则考虑光学兀件损耗后的s光 和Ρ光总透射率与总反射率表示为： 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 则光束偏振度P计算公式如下： P_\is-Ip\ _ [ΕΛΚ + )-er(T + )](1 -5-^) I (R^-RJJiE. + E,) °
【文档编号】G01J4/00GK104296875SQ201410503691
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】刘卫静, 李斌诚, 邢廷文, 林妩媚 申请人:中国科学院光电技术研究所