[发明专利]一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法及光路

说明书

本发明涉及一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法及光路，基于几何相位理论提出了同时测量任意光束的偏振态和相位的方法，以及实现该方法的光路。测量过程中只需一次同时采集两幅干涉图，通过对干涉图进行全息数值重建，提取其中的相位、振幅信息，即可计算出被测量光束的偏振和相位分布。本发明不仅可用于测量任意光束的偏振态和相位分布，也可用于检测偏振光学元件。

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法及光路。

背景技术

偏振态是光场的一个重要特征，在基础科学研究和工程应用中扮演着重要的角色。传统光束的偏振态为空间均匀分布，常称为标量光束。当对光束进行空间偏振调制后，会产生空间非均匀偏振的光束——矢量光束。最典型的矢量光束是偏振态在空间坐标体系中呈现轴对称分布的柱矢量光束，经高数值孔径透镜聚焦后可以获得特殊的焦场分布，如径向矢量光束可产生超衍射极限的焦斑，进一步经光学元件调制后会产生诸多奇异的结构焦场，如光针、光笼、光链等。矢量光束独特的紧聚焦特性和偏振特性，使其在超精细加工、等离子体聚焦、超分辨成像等方面具有广阔的应用前景。

斯托克斯(Stokes)参量可全面描述光场偏振态。目前最常用的测量方法为利用一个四分之一波片和一个偏振片组合，记录不同角度对应的强度图后数值分析可得到相应的斯托克斯参量。这种测量方法在测量过程中需旋转四分之一波片和偏振片依次记录不同角度的强度分布，因此测量过程复杂、缓慢。而且波片的非均匀透过率也会造成一定系统误差。此外，利用这些方法测量矢量光场的相位分布时，需要更加复杂的操作和算法。为了同步测量光束的偏振态和相位，有研究人员提出利用干涉相移法测量光束的偏振态和相位，但此方法只能用于测量局域偏振态为线偏振的光束，具有一定的局限性，且此方法也需采集多幅图像，过程复杂缓慢。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法及光路。

技术方案

一种高效同步测量任意光束的偏振态和相位的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将参考光束与被测量光束进行叠加干涉，形成干涉光束；

步骤2：将干涉光束分解为两个正交偏振分量，得到两幅干涉图；

步骤3：采用CCD相机同时采集两幅干涉图；

步骤4：通过数字全息术提取两幅干涉图中的复振幅信息，分别表示为E_p和E_p'；

步骤5：计算被测量光束的偏振态在庞加莱球上的球坐标(2ψ_i,2χ_i)：

其中：i＝1和2分别对应偏振分束系统中是否包含四分之一波片；

步骤6：计算被测量光束的偏振态的归一化斯托克斯参量(S₁,S₂,S₃)：

步骤7：计算被测量光束的相位

其中，

所述步骤1和步骤2以下述步骤替换：

步骤1：将被测量光束分解为两个正交偏振分量，得到两束干涉光；

步骤2：将参考光束分别与两束干涉光进行叠加干涉，得到两幅干涉图；

然后继续步骤3～步骤7。