本發(fā)明涉及一種基于共路數(shù)字全息的偏振態(tài)參量測量裝置與方法，屬于偏振態(tài)參量測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

偏振態(tài)是描述光波波前特征的重要參量之一，可用stokes矩陣參量、jones矩陣參量等表征，對其測量在生物光子學、非線性光學、化學和礦物質(zhì)學等領(lǐng)域具有重要的科學意義和應用價值。但傳統(tǒng)的偏振態(tài)測量裝置只能提供待測波前傳播方向上固定位置處的偏振信息，且由于不具備二維采樣特性，需頻繁調(diào)整光路和多次曝光來實現(xiàn)偏振態(tài)參量的測量。為了提高偏振態(tài)參量參量的測量效率，國內(nèi)外學者作了很多有益嘗試，其中，數(shù)字全息由于采用干涉方法記錄待測波前的振幅和相位信息，并通過數(shù)字方法完成重構(gòu)，為光束的偏振態(tài)參量全場快速測量提供了可能，從而引起廣泛關(guān)注。

美國伊利諾伊大學香檳分校的gabrielpopescu等(zhuowang,larryj.millet,marthau.gillette,andgabrielpopescu,"jonesphasemicroscopyoftransparentandanisotropicsamples,"opt.lett.33,1270-1272(2008))利用離軸數(shù)字全息實現(xiàn)了jones矩陣測量，但該技術(shù)需要四次曝光采集才能實現(xiàn)jones矩陣參量測量，測量速度受限；同時因為采用分離光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力差。

韓國的yongkeunpark等(youngchankim,joonwoojeong,jaeduckjang,mahnwonkim,andyongkeunpark,"polarizationholographicmicroscopyforextractingspatio-temporallyresolvedjonesmatrix,"opt.express20,9948-9955(2012))等利用共路數(shù)字全息生成載頻正交的全息圖，進而通過兩次曝光采集實現(xiàn)了jones矩陣參量測量，在提高抗干擾能力的同時，提高了測量效率。但是該方法需要二維光柵和孔陣列匹配，并輔以偏振正交的兩塊偏振片，不僅結(jié)構(gòu)復雜，而且調(diào)整困難。

專利cn104198040b“一種二維瓊斯矩陣參量的全息測量方法及實施裝置”利用雙二維光柵分光技術(shù)，結(jié)合頻譜復用技術(shù)，通過一次曝光可實現(xiàn)jones矩陣參量測量，但該裝置不僅進一步增加了系統(tǒng)復雜度，而且光利用率，同時因為采用采用分離光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力差。

南京師范大學的袁操今等(馬駿，袁操今，馮少彤，聶守平，“基于數(shù)字全息及復用技術(shù)的全場偏振態(tài)測試方法”，物理學報.22,224204(2013))利用偏振和角分復用技術(shù)，通過一次曝光可實現(xiàn)stokes矩陣參量和jones矢量測量，但是因為采用采用分離光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力差；同時受結(jié)構(gòu)限制，偏振態(tài)正交的頻譜在頻譜空間分離有限，進而造成串擾，影響偏振態(tài)參量的測量精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述技術(shù)的不足之處，將偏振分光調(diào)制技術(shù)、頻譜正交復用技術(shù)和共路技術(shù)相結(jié)合，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定的基于共路數(shù)字全息的偏振態(tài)參量測量裝置，且還提供一種滿足和適用上述方法的基于共路數(shù)字全息的偏振態(tài)參量測量方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：包括波長為λ的光源、偏振調(diào)制系統(tǒng)、準直擴束系統(tǒng)、待測物體、第一透鏡、非偏振分光棱鏡、小孔反射鏡、第二透鏡、圖像傳感器和計算機，還包括偏振分光棱鏡、第一角反射鏡和第二角反射鏡，光源發(fā)射的光束經(jīng)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制成線偏振光后依次經(jīng)過準直擴束系統(tǒng)、待測物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在小孔反射鏡上并被反射，物光經(jīng)過偏振分光棱鏡后分成兩束偏振態(tài)正交的物光，且兩束偏振態(tài)正交的物光分別照射在第一角反射鏡和第二角反射鏡上并被反射，再次經(jīng)過偏振分光棱鏡后匯合成一束物光；經(jīng)過反射的參考光和物光再次經(jīng)過非偏振分光棱鏡匯合成一束后通過第二透鏡；調(diào)整第一角反射鏡和第二角反射鏡，使兩束偏振態(tài)正交的物光與參考光生成的全息圖載頻方向正交，并用圖像傳感器采集全息圖上傳到計算機中；所述小孔反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上，且反射面大小與波長λ在傅里葉平面產(chǎn)生的艾里斑直徑大小d一致，其中：d<1.22λf/d、f為第一透鏡的焦距、d為圖像傳感器的視場寬度；第一角反射鏡和第二角反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上，且滿足第一角反射鏡調(diào)整物光在水平方向與光軸成θa角、第二角反射鏡調(diào)整物光在垂直方向與光軸成θb角；或滿足第一角反射鏡調(diào)整物光在垂直方向與光軸成θa角、第二角反射鏡調(diào)整物光在水平方向與光軸成θb角。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)線偏振片或線偏振片與1/4波片組合實現(xiàn)。

2.偏振分光棱鏡按照分光面與光軸法平面成45°設置。

3.待測物體和第一透鏡之間還依次設置顯微物鏡和校正物鏡。

4.一種基于共路數(shù)字全息的偏振態(tài)參量測量方法，包括所述的基于共路數(shù)字全息的偏振態(tài)參量測量裝置，步驟如下：

(1)打開光源，射出波長為λ的光束經(jīng)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制后形成線偏振光，依次經(jīng)過準直擴束系統(tǒng)、待測物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在小孔反射鏡上并被反射；物光經(jīng)過偏振分光棱鏡后分成兩束偏振態(tài)正交的物光，分別照射在第一角反射鏡和第二角反射鏡上并被反射，再次經(jīng)過偏振分光棱鏡后合成一束物光；經(jīng)過反射的參考光和兩束物光經(jīng)非偏振分光棱鏡匯合成一束后通過第二透鏡；調(diào)整第一角反射鏡和第二角反射鏡，使兩束偏振態(tài)正交的物光與參考光生成的全息圖載頻方向正交，并用圖像傳感器采集全息圖上傳到計算機中；

(2)測量stokes矩陣參量時，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°或-45°線偏振光，采集獲得一幅載頻正交全息圖i，計算待測物體的復振幅分布可得：

ai(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fi}}

其中：i＝x、y，fi表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作；

得到stokes參量矩陣為：

其中：為待測波面水平方向和垂直方向的相位差；

(3)測量jones矩陣參量時，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°或-45°線偏振光，第一次曝光采集獲得第一幅載頻正交全息圖i1；再次調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成-45°或+45°線偏振光，第二次曝光采集獲得第二幅載頻正交全息圖i2；

計算待測物體的復振幅分布可得：

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中：n＝1、2，i＝x、y，fni表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作；

則待測物體的jones矩陣參量為：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：1.在反射式載波點衍射共路結(jié)構(gòu)基礎上，引入偏振分光調(diào)制技術(shù)和頻譜復用技術(shù)，形成載頻正交的全息圖，并可利用同一裝置完成stokes矩陣參量和jones矩陣參量測量，在保證抗干擾能力的同時，不需要二維光柵、空間濾波器陣列等特殊光學元件，方法簡單易行，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之一；2.通過偏振分光調(diào)制技術(shù)將一束45°線偏振光物光分成偏振態(tài)正交的兩束物光，只需利用雙角反射鏡放置不同姿態(tài)即可在兩束物光中引入正交載頻，不僅方便靈活，而且可最大限度的避免頻譜間串擾，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之二。

本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，不需任何二維光柵、空間濾波器陣列等特殊光學元件；本發(fā)明裝置采用反射式點衍射構(gòu)成共光路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)抗干擾能力強，穩(wěn)定性好。

附圖說明

圖1為基于共路數(shù)字全息的偏振態(tài)參量測量裝置示意圖；

圖2為基于共路數(shù)字全息的偏振態(tài)參量測量顯微裝置示意圖；

圖3a和圖3b為本測量裝置測量45°線偏振片所得兩幅全息圖；

圖4a、圖4b、圖4c、圖4d分別為本測量裝置測量45°線偏振片所得jxx、jxy、jyx、jyy的振幅示意圖；

圖中：1光源，2偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，3準直擴束系統(tǒng)，4待測物體，5第一透鏡，6非偏振分光棱鏡，7小孔反射鏡，8偏振分光棱鏡，9第一角反射鏡，10第二角反射鏡，11第二透鏡，12圖像傳感器，13計算機，14顯微物鏡和15校正物鏡。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。

結(jié)合圖1至圖4c，本發(fā)明的基于共路數(shù)字全息的偏振態(tài)參量測量裝置，包括波長為λ的光源、偏振調(diào)制系統(tǒng)、準直擴束系統(tǒng)、第一透鏡、非偏振分光棱鏡、小孔反射鏡、第二透鏡、圖像傳感器、計算機，本發(fā)明還設有偏振分光棱鏡、第一角反射鏡和第二角反射鏡。光源1發(fā)射的光束經(jīng)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)2調(diào)制成線偏振光，依次經(jīng)過準直擴束系統(tǒng)3、待測物體4、第一透鏡5和非偏振分光棱鏡6后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在小孔反射鏡7上并被反射；物光經(jīng)過偏振分光棱鏡8后分成兩束偏振態(tài)正交的物光，分別照射在第一角反射鏡9和第二角反射鏡10上并被反射，再次經(jīng)過偏振分光棱鏡8后匯合成一束物光；經(jīng)過反射的參考光和物光再次經(jīng)過非偏振分光棱鏡6匯合成一束后，通過第二透鏡11形成一幅載頻正交全息圖，被圖像傳感器12采集到計算機中；調(diào)整第一角反射鏡9和第二角反射鏡10，使兩束偏振態(tài)正交的物光與參考光生成的全息圖載頻方向正交，并用圖像傳感器12采集全息圖上傳到計算機中；所述的小孔反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上，且反射面大小與波長λ在傅里葉平面產(chǎn)生的艾里斑直徑大小d一致，其中d<1.22λf/d、f為第一透鏡的焦距、d為圖像傳感器的視場寬度；第一角反射鏡和第二角反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上，且第一角反射鏡調(diào)整物光在水平方向與光軸成θa角，第二角反射鏡調(diào)整物光在垂直方向與光軸成θb角，或第一角反射鏡調(diào)整物光在垂直方向與光軸成θa角，第二角反射鏡調(diào)整物光在水平方向與光軸成θb角。

偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)可由旋轉(zhuǎn)線偏振片或線偏振片與1/4波片組合實現(xiàn)。

偏振分光棱鏡按照分光面與光軸法平面成45°放置。

待測物體和第一透鏡之間還可依次放置顯微物鏡和校正物鏡。

基于共路數(shù)字全息的偏振態(tài)參量測量方法，包括如下步驟：

(1)調(diào)整整個光學系統(tǒng)，打開光源，射出波長為λ的光束經(jīng)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制后形成線偏振光，依次經(jīng)過準直擴束系統(tǒng)、待測物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在小孔反射鏡上并被反射；物光經(jīng)過偏振分光棱鏡后分成兩束偏振態(tài)正交的物光，分別照射在第一角反射鏡和第二角反射鏡上并被反射，再次經(jīng)過偏振分光棱鏡后合成一束物光；經(jīng)過反射的參考光和兩束物光經(jīng)非偏振分光棱鏡匯合成一束后通過第二透鏡；調(diào)整第一角反射鏡和第二角反射鏡，使兩束偏振態(tài)正交的物光與參考光生成的全息圖載頻方向正交，并用圖像傳感器采集全息圖上傳到計算機中；

(2)測量stokes矩陣參量時，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，采集獲得一幅載頻正交全息圖i。

計算待測物體的復振幅分布可得：

ai(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fi}}

其中，i＝x、y，fi表示濾波器，ft{}表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c{}表示頻譜置中操作。

從而可得stokes參量矩陣為：

其中，為待測波面水平方向和垂直方向的相位差。

(3)測量jones矩陣參量時，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，第一次曝光采集獲得第一幅載頻正交全息圖i1；再次調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成-45°(或+45°)線偏振光，第二次曝光采集獲得第二幅載頻正交全息圖i2；

計算待測物體的復振幅分布可得：

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中，n＝1、2，i＝x、y，fni表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作。

從而可得待測物體的jones矩陣參量為：

下面結(jié)合圖1至圖4d對本發(fā)明的實施實例作詳細說明。

本發(fā)明的裝置包括：光源1、偏振態(tài)調(diào)制結(jié)構(gòu)2、準直擴束系統(tǒng)3、待測物體4、第一透鏡5、非偏振分光棱鏡6、小孔反射鏡7、偏振分光棱鏡8、第一角反射鏡9、第二角反射鏡10、第二透鏡11、圖像傳感器12，其中光源1為波長632.8nm激光器；待測物體4位于第一透鏡5的前焦面上；小孔反射鏡7、第一角反射鏡9和第二角反射鏡10位于第一透鏡2第二透鏡11的共軛焦平面上；第一透鏡5和第二透鏡11的焦距均為f＝200mm；圖像傳感器12位于第二透鏡11的后焦面上；小孔反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上，且反射面大小與波長λ在傅里葉平面產(chǎn)生的艾里斑直徑大小d一致，其中d<1.22λf/d、f為第一透鏡的焦距、d為圖像傳感器的視場寬度；待測物體4和第一透鏡5之間還可以依次放置顯微物鏡和校正物鏡，該方法可應用于顯微測量中。

本發(fā)明的檢測方法的具體實施方式如下：

打開光源1，射出波長為λ的光束經(jīng)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)2調(diào)制后形成線偏振光，依次經(jīng)過準直擴束系統(tǒng)3、待測物體4、第一透鏡5和非偏振分光棱鏡6后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在小孔反射鏡7上并被反射；物光經(jīng)過偏振分光棱鏡8后分成兩束偏振態(tài)正交的物光，分別照射在第一角反射鏡9和第二角反射鏡10上并被反射，再次經(jīng)過偏振分光棱鏡8后合成一束物光；經(jīng)過反射的參考光和兩束物光經(jīng)非偏振分光棱鏡匯合成一束后通過第二透鏡11；調(diào)整第一角反射鏡9和第二角反射鏡10，使兩束偏振態(tài)正交的物光與參考光生成的全息圖載頻方向正交，并用圖像傳感器12采集全息圖上傳到計算機13中；

(2)測量stokes矩陣參量時，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，采集獲得一幅載頻正交全息圖i。

計算待測物體的復振幅分布可得

ai(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fi}}

其中，i＝x、y，fi表示濾波器，ft{}表示傅里葉變換，ift{}表示逆傅里葉變換，c{}表示頻譜置中操作。

從而可得stokes參量矩陣為

其中，為待測波面水平方向和垂直方向的相位差。

(3)測量jones矩陣參量時，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，第一次曝光采集獲得第一幅載頻正交全息圖i1；再次調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成-45°(或+45°)線偏振光，第二次曝光采集獲得第二幅載頻正交全息圖i2；

計算待測物體的復振幅分布可得

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中，n＝1、2，i＝x、y，fni表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作。

從而可得待測物體的jones矩陣參量為

綜上，本發(fā)明提供了基于共路數(shù)字全息的偏振態(tài)參量測量裝置與方法，屬于偏振態(tài)參量測量領(lǐng)域。本發(fā)明包括光源、偏振調(diào)制系統(tǒng)、準直擴束系統(tǒng)、第一透鏡、非偏振分光棱鏡、小孔反射鏡、偏振分光棱鏡、第一角反射鏡、第二角反射鏡、第二透鏡、圖像傳感器、計算機。入射光分成參考光和物光后，參考光照射在小孔反射鏡上并被反射；物光經(jīng)過偏振分光棱鏡后分成兩束偏振態(tài)正交的物光，并被第一角反射鏡和第二角反射鏡反射回偏振分光棱鏡合成一束物光；物光和參考光匯合后，調(diào)整第一角反射鏡和第二角反射鏡，可在圖像傳感器上生成載頻方向正交的全息圖；分別曝光采集+45°和-45°線偏振光入射時的全息圖，通過計算機獲得stokes矩陣參量和jones矩陣參量。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，不需任何二維光柵、空間濾波器陣列等特殊光學元件；本發(fā)明裝置采用反射式點衍射構(gòu)成共光路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)抗干擾能力強，穩(wěn)定性好。