本發(fā)明屬于偏振檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種偏振態(tài)時(shí)間分辨譜的檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，磁光理論獲得了相當(dāng)大的發(fā)展，磁光效應(yīng)在光電子學(xué)和光子學(xué)方面、計(jì)算機(jī)和信息處理方面、科學(xué)研究方面以及磁性測(cè)量等方面都應(yīng)用廣泛。目前已發(fā)現(xiàn)的磁光效應(yīng)包括塞曼效應(yīng)、磁光法拉第效應(yīng)、科頓-穆頓效應(yīng)和磁光克爾效應(yīng)等。這些效應(yīng)均起源于物質(zhì)的磁化，反映了光與物質(zhì)磁性間的聯(lián)系。

對(duì)這些效應(yīng)的檢測(cè)主要是從入射光以及出射光的偏振態(tài)來(lái)進(jìn)行研究。對(duì)于法拉第效應(yīng)，當(dāng)磁場(chǎng)不是非常強(qiáng)時(shí)，偏振面旋轉(zhuǎn)的角度α與光波在介質(zhì)中的路程L及介質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度在光的傳播方向的分量B成正比，即：α＝VBL。比例系數(shù)V由物質(zhì)和工作波長(zhǎng)決定，表征物質(zhì)的磁光特性，這個(gè)系數(shù)稱為維爾德常數(shù)。根據(jù)這一關(guān)系，對(duì)于變化的磁場(chǎng)B，測(cè)得其偏轉(zhuǎn)角度α，即可得到磁場(chǎng)調(diào)制作用下的維爾德系數(shù)。

目前對(duì)偏振態(tài)的測(cè)量方法中，主要有兩種：一種是傳統(tǒng)的偏振片正交式測(cè)量方法，首先需要對(duì)起始偏振態(tài)進(jìn)行記錄，即將偏振片正交放置，這樣剛好達(dá)到消光的目的，在加入磁光介質(zhì)后，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，使得輸出光再次達(dá)到消光的效果，記錄此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度即為該介質(zhì)的法拉第旋轉(zhuǎn)角，這種方法光路比較簡(jiǎn)單且不需要復(fù)雜的計(jì)算處理，但是由于需要人為旋轉(zhuǎn)偏振片，因此實(shí)時(shí)性不好，無(wú)法滿足偏振連續(xù)變化的系統(tǒng)；另一種方法則是根據(jù)斯托克斯四個(gè)分量將光路分為四路分別經(jīng)過(guò)偏振片和波片的作用，由光電探測(cè)器測(cè)得四條光路上的光強(qiáng)，再經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算即可得到偏振態(tài)信息，并可將其直接反映到邦加球上，這種方法更加精準(zhǔn)，且光強(qiáng)的數(shù)學(xué)計(jì)算可交給計(jì)算機(jī)處理，因此更具實(shí)時(shí)性，但缺點(diǎn)就是光路相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)光路的準(zhǔn)直性要求較高。

然而，對(duì)于材料的磁光效應(yīng)在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)情況下的檢測(cè)還缺乏相應(yīng)的方法。而隨著光子技術(shù)的迅速發(fā)展，這種基于時(shí)間統(tǒng)計(jì)的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)不能滿足器件設(shè)計(jì)的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種針對(duì)偏振光束與磁光材料作用下偏振態(tài)時(shí)間分辨譜的檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)Ψɡ诖殴庑?yīng)的時(shí)間微分進(jìn)行真實(shí)地測(cè)量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種針對(duì)偏振光束與磁光材料作用下偏振態(tài)時(shí)間分辨譜的檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括高壓脈沖發(fā)生器、火花隙、電光Q開(kāi)關(guān)、連續(xù)激光器、飛秒激光器、聚光透鏡、第一偏振棱鏡、第二偏振棱鏡和偏振測(cè)量?jī)x，其中，

所述高壓脈沖發(fā)生器分別與所述火花隙和所述電光Q開(kāi)關(guān)連接；

所述連續(xù)激光器用于產(chǎn)生連續(xù)激光并且使所述連續(xù)激光以布魯斯特角入射到第一偏振棱鏡上；

所述第一偏振棱鏡用于使所述連續(xù)激光的P偏振光通過(guò)，通過(guò)的所述P偏振光作為測(cè)量光束；

所述飛秒激光器用于產(chǎn)生脈沖激光，所述脈沖激光通過(guò)透鏡聚焦到火花隙中，火花隙擊穿后由高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)1/4波長(zhǎng)的電壓，使得電光Q開(kāi)關(guān)被打開(kāi)，從而讓所述測(cè)量光束依次穿過(guò)電光Q開(kāi)關(guān)、第二偏振棱鏡后和環(huán)繞有線圈并且線圈內(nèi)通有電流的磁光晶體后，再進(jìn)入所述偏振測(cè)量?jī)x，進(jìn)而通過(guò)所述偏振測(cè)量?jī)x獲得所述磁光晶體的時(shí)間譜。

優(yōu)選地，所述電光Q開(kāi)關(guān)和第二偏振棱鏡之間設(shè)置有反射鏡組，以使測(cè)量光束經(jīng)反射后進(jìn)入第二偏振棱鏡。

優(yōu)選地，所述飛秒激光器與所述聚焦透鏡之間設(shè)置有反射鏡。

優(yōu)選地，所述偏振測(cè)量?jī)x包括光線分束器、四個(gè)1/4波片、四個(gè)偏振片、四個(gè)光電探測(cè)器、CCD相機(jī)和上位機(jī)，所述光線分束器分別與一個(gè)1/4波片連接，每個(gè)所述1/4波片依次連接一個(gè)偏振片和一個(gè)光電探測(cè)器，所述上位機(jī)分別與一個(gè)光電探測(cè)器連接，所述CCD相機(jī)與所述光線分束器連接，所述光線分束器用于將入射光分為強(qiáng)度相同的五路光束，其中四路光束對(duì)應(yīng)于斯托克斯偏振測(cè)量方法中的四個(gè)分量并且這四路光束經(jīng)過(guò)不同角度的1/4波片和偏振片后由光電探測(cè)器采集并傳到上位機(jī)，以獲得磁光晶體的時(shí)間譜，另外一路光束由CCD相機(jī)接收，以用于觀察脈沖激光處于不同偏振態(tài)時(shí)的光子分布。

優(yōu)選地，所述磁光晶體采用磁光材料制成。

優(yōu)選地，所述磁光晶體優(yōu)選采用稀土鐵石榴石制成。

優(yōu)選地，所述飛秒激光器產(chǎn)生的脈沖激光中，一個(gè)脈沖包含一個(gè)或多個(gè)周期的光波，以獲得磁光晶體的法拉第效應(yīng)的時(shí)間微分響應(yīng)機(jī)理。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

1)本發(fā)明采用飛秒激光器和連續(xù)激光器共同發(fā)射激光，飛秒激光器發(fā)出的脈沖激光通過(guò)由偏振棱鏡和電光Q開(kāi)關(guān)等器件組成的光路裝置對(duì)連續(xù)激光進(jìn)行調(diào)制，輸出單一脈沖入射到待測(cè)的磁光材料中，由光電探測(cè)器對(duì)其輸出光譜進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)偏振測(cè)量?jī)x處理分析后得到偏振態(tài)信息；

2)磁光材料上環(huán)繞的線圈中的電流作為可調(diào)變量，多次采集后即可得到電流與材料偏振特性的關(guān)系曲線，并且通過(guò)多次連續(xù)采集，可獲得不同磁場(chǎng)條件下偏振相關(guān)的磁光光譜；

3)本發(fā)明建立一套基于脈沖激光的脈沖開(kāi)關(guān)調(diào)制的與磁光材料作用后光束偏振態(tài)的時(shí)間譜的測(cè)量系統(tǒng)，能得到不同時(shí)間量級(jí)的脈沖以及不同磁場(chǎng)水平調(diào)制下的時(shí)間片段及時(shí)間連續(xù)磁光光譜，通過(guò)用飛秒光脈沖對(duì)連續(xù)傳輸激光進(jìn)行控制，用時(shí)間分辨率在納秒量級(jí)的光電探測(cè)器完成了飛秒量級(jí)時(shí)間分辨率的偏振態(tài)測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中偏振測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

參照?qǐng)D1(圖1中的虛線表示光線路徑)，一種針對(duì)偏振光束與磁光材料作用下偏振態(tài)時(shí)間分辨譜的檢測(cè)系統(tǒng)，包括高壓脈沖發(fā)生器1、火花隙2、電光Q開(kāi)關(guān)3、連續(xù)激光器4、飛秒激光器5、聚光透鏡6、第一偏振棱鏡7、第二偏振棱鏡8和偏振測(cè)量?jī)x9，其中，

所述高壓脈沖發(fā)生器1分別與所述火花隙2和所述電光Q開(kāi)關(guān)3連接；

所述連續(xù)激光器4用于產(chǎn)生連續(xù)激光并且使所述連續(xù)激光以布魯斯特角入射到第一偏振棱鏡7上；

所述第一偏振棱鏡7用于使所述連續(xù)激光的P偏振光通過(guò)，通過(guò)的所述P偏振光作為測(cè)量光束；

所述飛秒激光器5用于產(chǎn)生脈沖激光，所述脈沖激光通過(guò)聚光透鏡6聚焦到火花隙2中，火花隙2擊穿后由高壓脈沖發(fā)生器1產(chǎn)生一個(gè)1/4波長(zhǎng)的電壓，使得電光Q開(kāi)關(guān)3被打開(kāi)，從而讓所述測(cè)量光束依次穿過(guò)電光Q開(kāi)關(guān)3、第二偏振棱鏡8后和環(huán)繞有線圈11并且線圈11內(nèi)通有電流的磁光晶體10后，再進(jìn)入所述偏振測(cè)量?jī)x9，進(jìn)而通過(guò)所述偏振測(cè)量?jī)x9獲得所述磁光晶體10的時(shí)間譜，其中，磁光晶體10采用磁光材料制成。

進(jìn)一步，所述電光Q開(kāi)關(guān)3和第二偏振棱鏡8之間設(shè)置有反射鏡組12，以使測(cè)量光束經(jīng)反射后進(jìn)入第二偏振棱鏡8，此處使用反射鏡組12可以節(jié)省檢測(cè)設(shè)備的長(zhǎng)度空間。

進(jìn)一步，所述飛秒激光器5與所述聚焦聚光透鏡6之間設(shè)置有反射鏡13，此處使用反射鏡13可以有效節(jié)省檢測(cè)設(shè)備的長(zhǎng)度空間。

進(jìn)一步，參照?qǐng)D2，所述偏振測(cè)量?jī)x9包括光線分束器91、四個(gè)1/4波片92、四個(gè)偏振片93、四個(gè)光電探測(cè)器94、CCD相機(jī)95和上位機(jī)96，所述光線分束器91分別與一個(gè)1/4波片92連接，每個(gè)所述1/4波片92依次連接一個(gè)偏振片93和一個(gè)光電探測(cè)器94，所述上位機(jī)96分別與一個(gè)光電探測(cè)器94連接，所述CCD相機(jī)95與所述光線分束器91連接，所述光線分束器91用于將入射光分為強(qiáng)度相同的五路光束，其中四路光束對(duì)應(yīng)于斯托克斯偏振測(cè)量方法中的四個(gè)分量并且這四路光束經(jīng)過(guò)不同角度的1/4波片92和偏振片93后由光電探測(cè)器94采集并傳到上位機(jī)96，以獲得磁光晶體10的時(shí)間譜，另外一路光束由CCD相機(jī)95接收，以用于觀察脈沖激光處于不同偏振態(tài)時(shí)的光子分布。

進(jìn)一步，所述磁光晶體10采用磁光材料制成，譬如稀土鐵石榴石。

進(jìn)一步，所述飛秒激光器5產(chǎn)生的脈沖激光中，一個(gè)脈沖包含一個(gè)或多個(gè)周期的光波，以獲得磁光晶體10的法拉第效應(yīng)的時(shí)間微分響應(yīng)。

工作時(shí)，首先由連續(xù)激光器4出射的連續(xù)激光穿過(guò)第一偏振棱鏡7，此時(shí)電光Q開(kāi)關(guān)3上未加電壓，因此沒(méi)有光波透過(guò)，而當(dāng)飛秒激光器5產(chǎn)生短脈沖，通過(guò)聚焦聚光透鏡6聚焦到火花隙2中，火花隙2被擊穿后由高壓脈沖發(fā)生器1產(chǎn)生一個(gè)1/4波長(zhǎng)的電壓，使得電光Q開(kāi)關(guān)3被打開(kāi)，電光Q開(kāi)關(guān)3可以使穿過(guò)第一偏振棱鏡7后的測(cè)量光束的偏振面旋轉(zhuǎn)90°，測(cè)量光束經(jīng)過(guò)反射鏡組12后，再穿過(guò)第二偏振棱鏡8，第二偏振棱鏡8的擺放位置應(yīng)該能讓經(jīng)過(guò)電光Q開(kāi)關(guān)3后的測(cè)量光束能透過(guò)該第二偏振棱鏡8，由于電光Q開(kāi)關(guān)3打開(kāi)的持續(xù)時(shí)間就是飛秒激光器5發(fā)出的脈沖激光的持續(xù)時(shí)間，通過(guò)飛秒激光器5的脈沖激光的作用，電光Q開(kāi)關(guān)3不斷地打開(kāi)和關(guān)閉，連續(xù)激光器4發(fā)出的連續(xù)激光就能穿過(guò)或不能穿過(guò)電光Q開(kāi)關(guān)3，這樣就完成了飛秒激光器5對(duì)連續(xù)激光器4發(fā)出的連續(xù)激光的調(diào)制，穿過(guò)電光Q開(kāi)關(guān)3和第二偏振棱鏡8的激光然后入射到磁光晶體10中，由偏振測(cè)量?jī)x9對(duì)其進(jìn)行采集，并在偏振測(cè)量?jī)x9的上位機(jī)96中進(jìn)行分析及在CCD相機(jī)95中進(jìn)行觀察。通過(guò)此套設(shè)備，不僅可以得到磁光晶體10在不同外部磁場(chǎng)作用下的偏振光譜，還能測(cè)量在飛秒激光器5的多種時(shí)間長(zhǎng)度下連續(xù)多幀的脈沖激光與磁光晶體10作用的磁光效應(yīng)時(shí)分譜。

本檢測(cè)設(shè)備可以用于分析磁光材料做成的磁光晶體10受磁場(chǎng)調(diào)制的維爾德系數(shù)，為高速光學(xué)下測(cè)量磁光材料的特性以及微觀偏振測(cè)量提供參考方案，測(cè)量精度高，采用脈沖激光來(lái)調(diào)制連續(xù)激光器4的輸出，脈沖穩(wěn)定，且利用脈沖激光的脈沖寬度可調(diào)的性質(zhì)，可分別對(duì)納秒、皮秒以及飛秒量級(jí)的脈沖進(jìn)行采集測(cè)量。

使用光電探測(cè)器94可以對(duì)飛秒激光器5發(fā)出的超短脈沖進(jìn)行采集，光電探測(cè)器94的時(shí)間分辨率通常在納秒級(jí)，更好的可以在皮秒級(jí)，如果用探測(cè)器直接對(duì)激光器輸出的連續(xù)脈沖進(jìn)行測(cè)量，則測(cè)得的依然是宏觀的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，在控制單一脈沖后，一個(gè)脈沖內(nèi)只包含一個(gè)或多個(gè)周期的光波，這樣就能測(cè)得法拉第效應(yīng)的時(shí)間微觀響應(yīng)。

利用脈沖激光的超短脈沖的性質(zhì)，將時(shí)域上的偏振問(wèn)題變換到更加直觀的空域問(wèn)題上，更具有實(shí)時(shí)性，利用的是斯托克斯參量法求取偏振態(tài)，利用光線分束器91將光分為四路強(qiáng)度相等的光束，依據(jù)1/4波片92和偏振片93的選擇，由光電探測(cè)器94分別求出斯托克斯四個(gè)分量，數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)96進(jìn)行計(jì)算而且光路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，且時(shí)間精度和計(jì)算精度高。

采用飛秒激光器5的脈沖激光來(lái)調(diào)制連續(xù)激光器4的連續(xù)激光，脈沖激光輸出高強(qiáng)度脈沖，通過(guò)聚焦聚光透鏡6打到火花隙2中，火花隙2被擊穿后產(chǎn)生高壓，由高壓脈沖發(fā)生器1產(chǎn)生一個(gè)1/4波長(zhǎng)的電壓脈沖，作用在電光Q開(kāi)關(guān)3的兩端，在沒(méi)有電壓時(shí)，連續(xù)激光可直接穿過(guò)電光Q開(kāi)關(guān)3，連續(xù)激光在外加有電壓時(shí)便可通過(guò)第一偏振棱鏡7和第二偏振棱鏡8，且其通過(guò)時(shí)間由電光Q開(kāi)關(guān)3兩端電壓的作用時(shí)間決定，也即是由脈沖激光的持續(xù)時(shí)間來(lái)決定。因?yàn)槊}沖激光的脈沖寬度可調(diào)(即是調(diào)節(jié)脈沖在一個(gè)周期內(nèi)的占空比)，所以可分別對(duì)納秒、皮秒以及飛秒量級(jí)長(zhǎng)度的脈沖進(jìn)行采集測(cè)量，以此來(lái)觀察在不同微觀調(diào)節(jié)其偏振變化的具體情況。之所以使用脈沖激光通過(guò)光開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)制連續(xù)激光，一是利用飛秒激光器5超短脈沖且脈寬可調(diào)的性質(zhì)，二是脈沖激光輸出強(qiáng)度太大，與磁光物質(zhì)作用會(huì)有其他的非線性效應(yīng)來(lái)影響測(cè)量，而連續(xù)激光器4輸出強(qiáng)度有限，且相比脈沖激光來(lái)說(shuō)，輸出光要穩(wěn)定的多。

使用光電探測(cè)器94對(duì)超短脈沖光波進(jìn)行測(cè)量，且每次測(cè)量對(duì)單一脈沖進(jìn)行接收，由于目前光電探測(cè)器94采集信號(hào)的時(shí)間分辨率一般都還是納秒級(jí)，那么在其采集一次信號(hào)的過(guò)程中，會(huì)有很多個(gè)脈沖進(jìn)入到光電探測(cè)器94中，這樣的話其輸出圖像依然是大量光子在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)共同作用的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，因此需要脈沖激光的脈沖周期要大于光電探測(cè)器94的最小采集間隔時(shí)間，這樣的話就能保證每次采集到的只有一個(gè)脈沖，而對(duì)于飛秒激光器5，一個(gè)脈沖內(nèi)僅包含一個(gè)或多個(gè)周期的光波，這樣用少數(shù)光子在某一時(shí)刻的響應(yīng)代替大量光子長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)平均的結(jié)果，就能測(cè)得法拉第效應(yīng)的微觀作用。

利用激光輸出脈沖極短的特性，將時(shí)域上的偏振問(wèn)題轉(zhuǎn)換到更加直觀的空域上來(lái)觀測(cè)，通常的偏振測(cè)量方法中測(cè)得的都是連續(xù)光波所表現(xiàn)出的偏振態(tài)，而本發(fā)明中采用的飛秒激光器5發(fā)出的是超短脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間僅在一個(gè)到幾個(gè)周期以內(nèi)，由偏振測(cè)量?jī)x9得到的偏振信息是少量光子在超短響應(yīng)時(shí)間內(nèi)與磁光物質(zhì)作用的結(jié)果，因?yàn)楣庾臃植季哂须S機(jī)性，經(jīng)過(guò)連續(xù)多幀的采集，理論上其響應(yīng)應(yīng)該各不相同，通過(guò)對(duì)多幀磁光光譜進(jìn)行分析，可以知道微觀條件下磁光效應(yīng)粗略的作用過(guò)程，這種方法將時(shí)域偏振問(wèn)題轉(zhuǎn)換到了空域上來(lái)分析。

本檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)具有實(shí)時(shí)性，而本發(fā)明采用的斯托克斯法表征偏振態(tài)，無(wú)需人為對(duì)光路進(jìn)行調(diào)整，只需要記錄每次在改變外加磁場(chǎng)時(shí)由光電探測(cè)器94測(cè)量得到的光強(qiáng)信息即可，不僅實(shí)時(shí)性高，而且不再是人為去辨別光強(qiáng)的強(qiáng)弱，精度也相較之前的方法高了很多。

本檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，且時(shí)間精度和計(jì)算精度高，其采用斯托克斯法來(lái)進(jìn)行偏振特性的測(cè)量，但只是用到了1/4波片92和偏振片93進(jìn)行組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)由于光電探測(cè)器94是對(duì)光子數(shù)量直接進(jìn)行響應(yīng)的，因此在控制了激光脈沖的周期和數(shù)量后，盡管光電探測(cè)器94自身的響應(yīng)度不夠，但其采集到的也只有一個(gè)時(shí)間脈沖內(nèi)的光子數(shù)，這樣也就保證了它的采集的時(shí)間分辨度可以在飛秒量級(jí)。

本發(fā)明磁光晶體10優(yōu)選由維爾德系數(shù)較高的稀土鐵石榴石(或者其他磁光材料)制成，由于其自身的法拉第效應(yīng)，光波的偏振態(tài)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從光的量子特性上看，其偏振態(tài)可以表征為大量自旋光子的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，而振幅則是反映了大量光子的密度信息，因此在脈沖持續(xù)時(shí)間極短的情況下，光子的分布不會(huì)再呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)平均后的結(jié)果，而是直接表現(xiàn)出單光子與磁光介質(zhì)作用后的結(jié)果，其偏振信息也就能直接的從CCD相機(jī)95采集到的光子分布圖像以及斯托克斯法測(cè)量的偏振態(tài)得到。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。