專利名稱：基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖系統(tǒng)中測量光器件的全部物理偏振參數(shù)的方法。特別涉及一種基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置和方法，利用Mokes偏振分析儀實現(xiàn)光器件所有物理偏振參數(shù)的測量。
背景技術：
光通信、傳感、測量系統(tǒng)中，各種光子器件、子系統(tǒng)的偏振轉換特性、都直接影響系統(tǒng)的工作性能，因此檢測各種光學系統(tǒng)中任意部分系統(tǒng)或器件的偏振轉換特性是實現(xiàn)高性能光通信、光傳感及測量系統(tǒng)的關鍵之一。此外在材料科學的研究和研制過程中，大多數(shù)的通光材料的偏振特性會伴隨材料的生長周期、濃度以及外界環(huán)境條件，如溫度、應力、濕度等因素的變化而變化，因此實時準確地檢測材料的偏振轉化特性在材料研制、生產(chǎn)，以及作為傳感測量等領域，具有重要的作用。光器件的偏振轉換特性分別包括三方面的偏振效應與散射相關的退偏效應、與偏振相關的損耗或增益效應以及雙折射效應。雙折射效應包括圓雙折射和線雙折射，表示參量有圓雙折射延遲、線雙折射延遲和線雙折射主軸方位角，共3個自由度。偏振相關衰減反映了器件在某個矢量軸方向?qū)ζ駲E圓度的影響。表示的物理參量有衰減矢量和非偏振通光衰減，共有4個自由度。而退偏效應則包含退偏和起偏兩方面；起偏表示光的能量分別向兩個正交線偏方向以及一個圓偏方向的轉移分配，由偏振矢量表示，包含了 3個自由度；而退偏則表示了在某三個正交軸上的光能量的減少，從數(shù)學角度反應的一是正交軸與系統(tǒng)的正交主軸的Euler旋轉角度，以及各正交軸上能量的減少，共有9個自由度。因此， 描述光子器件偏振性質(zhì)的全部物理參量有16個。關于光器件的物理偏振參數(shù)的測量國內(nèi)外已有大量的研究報道。大部分是針對個別或部分參數(shù)的測量研究，如針對偏振損耗的基于偏振態(tài)掃描和偏振態(tài)定點檢測等方案，參見 “Polarization dependent loss measurement of passive optical components application notes,，，。針對線雙折射導致的偏振相位延遲檢測的研究報道，參見張志勇等，“幾種波片相位延遲的測量方法的比較”，Vol. 15，no. 11光學精密工程，2007。J.F.Lin，et al, “The optical linear birefringence measurement using a Zeeman Laser,，，Optics Communications, Vol274, 153-158， 2007。 Kun Yang, et al， “Method for measuring retardation of a quarter-wave plate based on normalized secondary harmonic component" Optik- International Journal for Light and Electron Optics, 120(10), 2009。以及針對圓雙折射的測量方法，參見
J. F. Lin, et al, “A new electro-optical modular circular heterodyne interferometer for measurement the rotation angle in a chiral medium,，，，Optics and Laser in Engineering Vol. 47, 39-44，2009。
B. D. Cameronand and G. L. Cote, "Noninvasive Glucose sensing utilizing a digital closed-loop polarimetric approach, ” IEEE Transaction on Biomedical Engineering, 44(12)， 1221—1227， 1997。最近幾年的研究趨于同時檢測被測材料或器件的偏振轉換參數(shù)中的多個參數(shù)， 例如扭轉液晶陣列的圓雙折射和線雙折射參數(shù)的同時測量，參見Vincent Duran, et al, "Equivalent retarder-rotator approach to on-state twisted nematic liquid crystal displays，” J. Applied Phy.，99(11)，2006。由輸入某幾個特殊光偏振態(tài)與 Mueller矩陣參數(shù)的關系，實現(xiàn)了圓雙折射和線雙折射參數(shù)的同時測量以及線偏振參數(shù)和偏振相關損耗系數(shù)的同時測量，參見
J. F. Lin, "Concurrent measurement of linear and circular birefringence using rotating wave plate Stokes polarimeter,，，Applied Optics, 47(25)，4529-4539， 2008。[9] P. C. Chen, et al, "Measurement of linear birefringence and diattenuation properties of optical samples using polarimeter and Stokes parameters,，，Express Optics, 17(18), 15860-15884，2010.。而對于器件的全部物理偏振參數(shù)的測量，目前的主要方法是基于首先測出器件的 Mueller矩陣，而后由Mueller矩陣與各物理偏振參數(shù)之間的關系，求得全部物理偏振參數(shù)，參見
S.Manhas, etal, "Mueller matrix approach for determination of optical rotation in chiral turbid media in backscattering geometry,，，Optical Express, 14(1)，190-201，2006.
N. Ghosh and M. Wood, "Mueller matrix decomposition for extraction of individual polarization parameters from complex turbid media exhibiting multiple scattering, optical activity,and linear birefringence, " J. of Biomedical Optics, 11(4), 041105,2008。以上方案，最大的特點是導出了由各種特定系統(tǒng)設置條件下，針對某些特定的輸入偏振態(tài)，得到測量值和被檢測量的函數(shù)解析式。因此測試系統(tǒng)一般需要嚴格的偏振準直校準；且被測參數(shù)少時可行，而若從系統(tǒng)整體而言，無法導出多參數(shù)的直接解析表達式。本發(fā)明基于系統(tǒng)估計的思想，首先建立起被測系統(tǒng)參數(shù)的解析結果與實驗測試結果比較建立的系統(tǒng)估計方程，進而采用最小二乘(LSQ)優(yōu)化得出系統(tǒng)未知參數(shù)的方法。本發(fā)明提出的方法，首先由偏振分析儀檢測出偏振發(fā)生器在一組驅(qū)動電壓作用下的輸出偏振態(tài)；其次在偏振發(fā)生器之后接上被測器件，再由偏振分析儀檢測出對應于相同的控制電壓下器件的輸出偏振態(tài)。之后，根據(jù)器件輸入輸出偏振態(tài)與器件的Mueller矩陣的關系， 以及Muller矩陣與物理偏振參數(shù)的關系，建立起基于兩組偏振態(tài)測量值的系統(tǒng)方程組；該方程組為關于16個物理偏振參量的非線性方程組。采用LSQ優(yōu)化算法可以數(shù)值解出被測器件的16個物理偏振參量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提供一種基于最小二乘法的全部物理偏振參數(shù)的測量裝置和方法。首先通過偏振分析儀檢測出偏振發(fā)生器在一組驅(qū)動電壓作用下的輸出偏振態(tài)，以及在輸入該偏振狀態(tài)時，對應的被測器件的輸出偏振態(tài)，其次根據(jù)器件輸入輸出偏振態(tài)與器件的Mueller矩陣的關系，以及Muller矩陣與物理偏振參數(shù)的關系，建立起基于兩組偏振態(tài)測量值的系統(tǒng)方程組。通過采用最小二乘數(shù)值算法，同時準確地得到被測器件的全部物理偏振參數(shù)。為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案
一種基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置，包括激光器、起偏器、兩級級聯(lián)相位調(diào)制器、被測器件、偏振分析儀、光電相位調(diào)制器的電壓控制器以及計算機。所述激光器的輸出光經(jīng)過所述起偏器和兩級相位調(diào)制器后，輸出到被測器件，被測器件的輸出聯(lián)接到所述的偏振分析儀，所述計算機連接所述偏振分析儀和電壓控制器，所述電壓控制器的輸出連接到所述兩級級聯(lián)相位調(diào)制器；激光器產(chǎn)生的光進入起偏器，輸出線偏振光進入兩級級聯(lián)相位調(diào)制器，調(diào)制器相位由電壓控制器控制，之后光經(jīng)過被測器件，由偏振分析儀測試被測器件輸出光的Mokes參量。在上述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置中，所述起偏器和兩級級聯(lián)相位調(diào)制器構成偏振發(fā)生器；偏振發(fā)生器中不要求嚴格的偏振準直，而要求起偏器的偏振主軸與第一級相位調(diào)制器快軸間夾角不能為0°或90°，兩級聯(lián)相位調(diào)制器的偏振主軸間夾角不能為0°或90° ；其余的準直狀態(tài)都可已完成參數(shù)的測量估值；但準直狀態(tài)影響參數(shù)的估值精度。一般設置起偏器的偏振軸與第一級相位調(diào)制器主軸的夾角為 30° -60°之間、兩級級聯(lián)相位調(diào)制器主軸夾角在45° -60°范圍。在上述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置中，所述偏振發(fā)生器為避免光纖尾纖在測量中引起的光偏振態(tài)擾動，偏振發(fā)生器輸入輸出應為法蘭端口。在上述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置中，所述電壓控制器用于控制兩級級聯(lián)光電相位調(diào)制器的相位；提供兩路電壓輸出，輸出電壓要求穩(wěn)定，且在 0-6V范圍內(nèi)可變。一種基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量方法，利用上述基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置進行測量，操作步驟如下
1)測量被測器件的輸入偏振態(tài)的Mokes參量；
2)測量被測器件的輸出偏振態(tài)的Mokes參量；
3)根據(jù)被測器件輸出偏振態(tài)與輸入偏振態(tài)和器件的物理偏振參數(shù)之間的系統(tǒng)方程，采用最小二乘優(yōu)化算法求出16個物理偏振參數(shù)。在上述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量方法中，所述步驟 1)完成被測器件輸入偏振態(tài)的測量。激光器產(chǎn)生的光進入偏振發(fā)生器，將偏振發(fā)生器的輸出光直接送至偏振分析儀；測量中設置電壓控制器的輸出的控制電壓為
V=K V3 ..義...Fj,其中巧=(、, )分別為給兩個級聯(lián)相位調(diào)制器提供的控制電壓， 且Oivli<v2i <, Fls和L分別為兩級相位調(diào)制器的半波電
壓。對應η個控制電壓& = (VlijV2i)，由偏振測試儀測得偏振發(fā)生器對應的輸出偏振態(tài)的Stokes參量SmcO71) , Sfsg(F2) , "U) ‘“ Efm(Vn),其中S棚鞏)為控制電壓在Vi = (Vli5V2-)時偏振發(fā)生器的輸出偏振態(tài)的Mokes參數(shù)，即被測器件的輸入偏振狀態(tài)的 Stokes 參量。在上述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量方法中，所述步驟2~)完成被測器件輸出偏振態(tài)的測量激光器產(chǎn)生的光經(jīng)過偏振發(fā)生器之后，進入被測器件，其輸出光進入偏振分析儀；測量中設置電壓控制器的輸出的控制電壓設置同步驟1);對應第i個
控制電壓Fi = (Vli5V2),由偏振測試儀測出被測器件的輸出偏振態(tài)的Mokes矢量Siw(F1)
，S^ur(F2),…S靈劣)-Sm7(Fx),其中S15pr(G)為控制電壓在巧=(Vli5V2)時被測器件的輸出偏振態(tài)的Mokes參數(shù)。在上述基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量方法中，所述步驟幻完成被測器件的全部物理偏振參數(shù)的優(yōu)化估值；其中優(yōu)化估值的系統(tǒng)方程為
權利要求
1.一種基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置，包括激光器(1)、起偏器 (2)、兩級級聯(lián)相位調(diào)制器(3)、被測器件(4)、偏振分析儀(5)、光電相位調(diào)制器的電壓控制器(6)以及計算機(7)，其特征在于所述激光器(1)的輸出光經(jīng)過所述起偏器( 和兩級級聯(lián)相位調(diào)制器C3)后，輸出到被測器件(4)，被測器件(4)的輸出連接到所述的偏振分析儀(5 )，所述計算機(7 )連接所述偏振分析儀(5 )和電壓控制器(6 )，所述電壓控制器(6 ) 的輸出連接到所述兩級級聯(lián)相位調(diào)制器(3);激光器(1)產(chǎn)生的光進入起偏器(2)，輸出線偏振光進入兩級級聯(lián)相位調(diào)制器(3)，調(diào)制器相位由電壓控制器(6)控制，之后光經(jīng)過被測器件(4)，由偏振分析儀(5)測試被測器件輸出光的Mokes參量。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置，其特征在于所述起偏器(2)和兩級級聯(lián)相位調(diào)制器(3)構成偏振發(fā)生器(8)；偏振發(fā)生器(8)中不要求嚴格的偏振準直，而要求起偏器(2)的偏振軸與第一級相位調(diào)制器主軸間夾角不能為0°或90°，兩級級聯(lián)相位調(diào)制器(3)的主軸夾角不能為0°或90° ；其余的準直狀態(tài)都可已完成參數(shù)的測量估值，但準直狀態(tài)會影響參數(shù)的估值精度。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于最小二乘優(yōu)化的券物理偏振參數(shù)的測量裝置，起特征在于所述起偏器(2)的偏振軸與第一級相位調(diào)制器主軸的夾角為30° -60°之間、兩級級聯(lián)相位調(diào)制器(3)主軸夾角在45° -60°范圍。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置，其特征在于所述偏振發(fā)生器(8)為避免光纖尾纖在測量中引起的偏振態(tài)擾動，偏振發(fā)生器(8)的輸入輸出端應為法蘭端口。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置，其特征在于所述電壓控制器(6)用于控制兩級級聯(lián)光電相位調(diào)制器(3)的相位；提供兩路電壓輸出，輸出電壓穩(wěn)定，且在0-6伏范圍內(nèi)可變。
6.一種基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量方法，采用權利要求1所述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置進行測量，其特征在于操作步驟如下a.測量被測器件(4)的輸入偏振態(tài)的Mokes參量；b.測量被測器件(4)的輸出偏振態(tài)WMokes參量；c.根據(jù)被測器件輸出偏振態(tài)與輸入偏振態(tài)和器件的物理偏振參數(shù)之間的系統(tǒng)方程，采用最小平方優(yōu)化算法求出16個物理偏振參數(shù)。
7.根據(jù)權利要求6所述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量方法，其特征在于所述步驟a完成被測器件輸入偏振態(tài)的測量，激光器(1)產(chǎn)生的光進入偏振發(fā)生器 (8)，將偏振發(fā)生器的輸出光直接送至偏振分析儀(5)；測量中設置電壓控制器的輸出的控制電壓為V=K ^ -^t- ^J，其中Vi = 6 , )分別為給兩個級聯(lián)相位調(diào)制器(3)提供的控制電壓，且
8.根據(jù)權利要求6所述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量方法，其特征在于所述步響:2)完Pl被測器件輸出鐘振態(tài)》測靈激光Iltt)產(chǎn)生_光§過《遍發(fā)生器 (Si之f§.道入被丨則器件真輸出光進入鎮(zhèn)振分ft儀CSh 測靈申設靈電Jl控制Il的輸出》控制_壓設霣_步靈Ds對覆苐1個控制電tt『I = ivIi ^ ν2ι . 由《振_試儀(5》測出被獲_件__出《振態(tài)的矢重^DOT『I), Swr『2) ·…Spcrri.K)…S￡WT《r,+),冥申為控制電Ii在I Σ =Uij^v2l it!￠1111114《4) _輸出 SSW Stofees^icο
9.根據(jù)權利要求8所述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量方法，其特征在于所述步驟；3)完成被測器件的全部物理偏振參數(shù)的優(yōu)化["M(X)S 棚(F1) = S歴(F1)MfXlS (I,、= S (V ) 估值；其中優(yōu)化估值的系統(tǒng)方程為、^1 ρ —“，方程中[M(X)S^7(Ts) = S皿(Fs) 1 = (.,Pi’P2,PiAb,c/i,e,f, , γ, ρ -ραΑ^.)為所求的 16 個物理偏振參數(shù)；分別包括表示起偏效應的三個參數(shù)(^14243)、表示退偏效應的六個參數(shù)(《力,de,/)、表示器件偏振衰減效應的四個參數(shù)(^j1W2W3)和表示器件雙折射效應的三個參數(shù)( 釓5)。
10.根據(jù)權利要求9所述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量方法，其特征在于所述步驟c中采用最小二乘優(yōu)化方法求解權利要求8中所述的系統(tǒng)方程，優(yōu)化算法流程為首先給《-(^，/^^-^-, ^,/,取斗名減減武句設置一組初始值 和公差ε ；然后帶入系■為e,求出Σ INx。>spsg —sDUTcνι I后，判ι 1 2 iff Σ 1Μ{Χβ ν } ^ sDOT iVi>ll — 是否威立.Λ黑■立，翻 ,為 4■■ν ρ* ^^邏W；全 Ii理《振參黢 如巢不成立.計霄《化步長s‘-- J (3k ,》 ^ DUX^ PSJ C ^ υυγ pgg》 M _》s B,中 J sk ..................,為SX.WX ι = _lfodfitt JtCObian Ρ$ X-X0 . SSXi = 2" +ΔΧ 靈新鬱N2Α方程計^v |Μ Χβ . ■《、 )-SdotCTjI ,狐mM; _此_碰代， ·ΙOη‘盧至&ΙΙ足^i^Xd^KGi1^)—SDDT《Vl| -Cs _簿止迭代，輸出此ι IY*時的χ·.為》求KJtwtffi全_理讓擺參黢
11.根據(jù)權利要求6所述的基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量方法，其特征在于所述步驟和2)中被測器件(4)的輸入輸出偏振態(tài)的測量點數(shù)取決于電壓控制器(6) 的輸出控制電壓組數(shù)η，為保證系統(tǒng)方程的解唯一，要求η > 4 ；為得到較高測試精度并兼顧優(yōu)化程序的計算量，一般要求10<n<30。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于最小二乘優(yōu)化的全物理偏振參數(shù)的測量裝置和方法。測試裝置由激光器、起偏器、兩級級聯(lián)相位調(diào)制器、被測器件和偏振分析儀構成。由激光器產(chǎn)生的光經(jīng)過起偏器輸出線偏振光后進入兩級級聯(lián)相位調(diào)制器，調(diào)制器輸出直接或經(jīng)過被測器件后進入偏振分析儀，由偏振分析儀測出該兩種情況下，對應同一組光電調(diào)制器調(diào)制電壓，被測器件的輸入和輸出光偏振態(tài)的Stokes參量。根據(jù)被測器件輸入輸出偏振態(tài)和反映被測器件的退偏特性、偏振相關損耗特性以及雙折射特性的Mueller矩陣的關系，建立包含全部16個描述器件偏振性質(zhì)的物理參數(shù)的系統(tǒng)方程組。通過最小二乘法數(shù)值求解該方程組，便可優(yōu)化得出所求的16個物理偏振參數(shù)。
文檔編號G01M11/02GK102519713SQ20111044083
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權日2011年12月26日
發(fā)明者何星劍, 劉濤, 李力, 王春華, 黃肇明 申請人:上海大學