[发明专利]一种基于共路数字全息的偏振态参量测量装置与方法

权利要求书

1.一种基于共路数字全息的偏振态参量测量装置，包括波长为λ的光源、偏振调制系统、准直扩束系统、待测物体、第一透镜、非偏振分光棱镜、小孔反射镜、第二透镜、图像传感器和计算机，其特征在于：还包括偏振分光棱镜、第一角反射镜和第二角反射镜，光源发射的光束经偏振态调制系统调制成线偏振光后依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜和非偏振分光棱镜后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜上并被反射，物光经过偏振分光棱镜后分成两束偏振态正交的物光，且两束偏振态正交的物光分别照射在第一角反射镜和第二角反射镜上并被反射，再次经过偏振分光棱镜后汇合成一束物光；经过反射的参考光和物光再次经过非偏振分光棱镜汇合成一束后通过第二透镜；调整第一角反射镜和第二角反射镜，使两束偏振态正交的物光与参考光生成的全息图载频方向正交，并用图像传感器采集全息图上传到计算机中；所述小孔反射镜位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，且反射面大小与波长λ在傅里叶平面产生的艾里斑直径大小d一致，其中：d<1.22λf/D、f为第一透镜的焦距、D为图像传感器的视场宽度；第一角反射镜和第二角反射镜位于第一透镜和第二透镜的共轭焦平面上，且满足第一角反射镜调整物光在水平方向与光轴成θ_a角、第二角反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θ_b角；或满足第一角反射镜调整物光在垂直方向与光轴成θ_a角、第二角反射镜调整物光在水平方向与光轴成θ_b角。

2.根据权利要求1所述的一种基于共路数字全息的偏振态参量测量装置，其特征在于：偏振态调制系统由旋转线偏振片与1/4波片组合实现。

3.根据权利要求2所述的一种基于共路数字全息的偏振态参量测量装置，其特征在于：偏振分光棱镜按照分光面与光轴法平面成45°设置。

4.根据权利要求3所述的一种基于共路数字全息的偏振态参量测量装置，其特征在于：待测物体和第一透镜之间还依次设置显微物镜和校正物镜。

5.一种根据权利要求4所述的基于共路数字全息的偏振态参量测量装置的偏振态参量测量方法，其特征在于：步骤如下：

(1)打开光源，射出波长为λ的光束经偏振态调制系统调制后形成线偏振光，依次经过准直扩束系统、待测物体、第一透镜和非偏振分光棱镜后形成聚焦的参考光和物光；参考光照射在小孔反射镜上并被反射；物光经过偏振分光棱镜后分成两束偏振态正交的物光，分别照射在第一角反射镜和第二角反射镜上并被反射，再次经过偏振分光棱镜后合成一束物光；经过反射的参考光和两束物光经非偏振分光棱镜汇合成一束后通过第二透镜；调整第一角反射镜和第二角反射镜，使两束偏振态正交的物光与参考光生成的全息图载频方向正交，并用图像传感器采集全息图上传到计算机中；

(2)测量Stokes矩阵参量时，调整偏振态调制系统，使输入光束形成+45°或-45°线偏振光，采集获得一幅载频正交全息图I，计算待测物体的复振幅分布可得：

A_i(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·F_i}}

其中：i＝x、y，F_i表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C表示频谱置中操作；

得到Stokes参量矩阵为：

其中：为待测波面水平方向和垂直方向的相位差；

(3)测量Jones矩阵参量时，调整偏振态调制系统，使输入光束形成+45°或-45°线偏振光，第一次曝光采集获得第一幅载频正交全息图I₁；再次调整偏振态调制系统，使输入光束形成-45°或+45°线偏振光，第二次曝光采集获得第二幅载频正交全息图I₂；

计算待测物体的复振幅分布可得：

A_ni(x,y)＝IFT{C{FT{I(x,y)}·F_ni}}

其中：n＝1、2，i＝x、y，F_ni表示滤波器，FT表示傅里叶变换，IFT表示逆傅里叶变换，C表示频谱置中操作；

则待测物体的Jones矩阵参量为：