[发明专利]一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法

说明书

本发明属于偏振检测技术领域，公开了一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法。待测光源发出的偏振态未知的光波经四分之一波片后入射至零级涡旋半波片，零级涡旋半波片将入射光场转化为矢量偏振光场，此矢量偏振光场经检偏器作用后形成亮暗呈楔形分布的光强图像。在检测时，通过前后两次调整四分之一波片的角度，使光强图像亮区分别到达两种特定的方位并采集光强图像，将两次采集的光强图像进行图像分析处理，并结合两次测量中四分之一波片的角度即可解算出待测光波的偏振态。本发明操作便捷、检测精度高，检测结果对光源的功率和波长变化不敏感。

技术领域

本发明涉及偏振检测技术领域，进一步是涉及一种利用矢量偏振光场调制与数字图像处理技术实现光波偏振态检测的方法。

背景技术

偏振是光波最基本的特征之一，偏振态的检测在很多领域中都有重要的应用，如在遥感探测中，可以从目标反射光的偏振状态中得知目标的方向朝向、形状、表面粗糙度等信息；在大容量、高速率、远距离光纤通信系统中需要对光纤中的偏振效应(如偏振模色散，偏振相关调制及损耗等)做出及时的检测、抑制与补偿，以提高信息的传输质量与传输距离；在生物医学领域，偏振检测可以用于皮肤癌的诊断、荧光偏振免疫分析等；在光学检测领域，可以利用椭偏仪检测出光波经薄膜样品透射或反射前后偏振态的变化，解算出薄膜样品的厚度与折射率等光学特性。因此实现对光波偏振态快速准确的检测具有重要的应用价值与实际意义。

目前实现偏振检测的方法主要有：调制型、分光型和干涉型三类。调制型检测系统通过旋转光路中的光学元件(如偏振片，波片等)或在光路中引入调制器件(如电光调制，磁光调制等)对光强进行调制，测量调制后的光强而得到斯托克斯参量。这类检测系统结构简单，但其一般适用于测量偏振态变化较慢的光波，且光学元件的机械旋转和光源功率的波动会引入测量误差。分光型检测方法进一步可分为分振幅和分波前两种方法，分振幅法利用部分反射镜或其它分光器件将待测光分为设置有不同检偏器件的多路，利用多个光电探测器同时测量各路功率，进而得到某一时刻光波的斯托克斯参量；分波前法通常是用同尺寸的多个光阑将光波的波前按功率等分为多路，然后对每路光信号进行相互关联的调制，再同时对各路光强进行探测并解算得到斯托克斯参量。分光型检测系统采用多通道同时测量的方法，有效地提高了测量速度，适用于实时检测场合，但降低了能量利用率并牺牲部分空间分辨率，且对各通道的空间配准要求较高。干涉型检测系统通过构造干涉光路，将多路调制有偏振信息的光束汇聚在探测面使其发生干涉，通过分析干涉图像获得光波的偏振状态，该方法仅适用于单波长或窄线宽光波的偏振检测，且从干涉图像中提取偏振信息的运算量较大。

近年来广泛研究的偏振态检测方法，基本都可归结为以上三类。调制型如对比文件1中公布的(中国发明专利，201310176136.3)“光波偏振态高速静态测量装置及测量方法”，对铌酸锂晶体进行横向电光调制来实现光波偏振态的静态测量，测量过程中没有任何机械旋转，系统稳定性好，测量速度快，但其缺点是晶体自然双折射的存在会导致调制光发生畸变，因此测量过程需要采用其它方法补偿自然双折射的影响。分光型如对比文件2中公布的(中国发明专利，201410779529.8)“一种快速偏振检测仪和检测方法”，通过在检偏模块设置至少3个通道，同时对同一待测偏振光束进行分束检测，来获得待测光束的偏振状态，该方法可同时测量出待测光的全部斯托克斯参量，测量速度快，但其对各通道的空间配准要求较高。干涉型如对比文件3中公布的(中国发明专利，201110226648.7)“监测光纤偏振变化的方法与光路系统”，采用光纤耦合器构成干涉光路，通过对干涉光强进行检测来监测光纤偏振状态的变化，但该方案仅适用于单波长或窄线宽光波的偏振检测。

发明内容

本发明的目的在于针对以上不足，提供一种基于矢量光场调制与图像处理的光波偏振态检测方法。本发明操作简单便捷、检测精度高，检测结果对光源的功率和波长变化不敏感。