本發(fā)明涉及一種基于自干涉共路數(shù)字全息的瓊斯矩陣參量同步測(cè)量裝置與方法，屬于偏振態(tài)參量測(cè)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，對(duì)其測(cè)量在生物光子學(xué)、非線性光學(xué)、化學(xué)和礦物質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。但傳統(tǒng)的偏振態(tài)測(cè)量方法多只能定量測(cè)量斯托克斯矩陣參量等偏振態(tài)信息，而無(wú)法直接測(cè)量物體的瓊斯矩陣信息。但斯托克斯矩陣參量無(wú)法描述光偏振的場(chǎng)信息，且只適合非相干光波疊加，而相干光波疊加則必須瓊斯矩陣形式處理。為了實(shí)現(xiàn)瓊斯矩陣參量的測(cè)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)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(cè)波前的振幅和相位信息，并通過(guò)數(shù)字方法完成重構(gòu)，為光束的偏振態(tài)參量全場(chǎng)快速測(cè)量提供了可能，從而引起廣泛關(guān)注。

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)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(shí)現(xiàn)了瓊斯矩陣測(cè)量，但該技術(shù)需要四次曝光采集才能實(shí)現(xiàn)瓊斯矩陣參量測(cè)量，測(cè)量速度受限，同時(shí)測(cè)量過(guò)程需精確控制輸入、輸出偏振器件的轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量精度受限；同時(shí)因?yàn)椴捎梅蛛x光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力差。

南京師范大學(xué)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(fù)用技術(shù)的全場(chǎng)偏振態(tài)測(cè)試方法”，物理學(xué)報(bào).22,224204(2013))利用偏振和角分復(fù)用技術(shù)，通過(guò)一次曝光可實(shí)現(xiàn)斯托克斯矩陣參量和瓊斯矢量測(cè)量，但是該方法受結(jié)構(gòu)限制，偏振態(tài)正交的頻譜在頻譜空間分離有限，仍存在頻譜串?dāng)_影響偏振態(tài)參量的測(cè)量精度的問(wèn)題；為實(shí)現(xiàn)瓊斯矩陣參量測(cè)量，還需精確控制輸入、輸出偏振器件的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)兩次曝光完成測(cè)量；同時(shí)，因?yàn)椴捎梅蛛x光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力差。

韓國(guó)的yongkeunpark等(youngchankim,joonwoojeong,jaeduckjang,mahnwonkim,andyongkeunpark,"polarizationholographicmicroscopyforextractingspatio-temporallyresolvedjonesmatrix,"opt.express20,9948-9955(2012))等利用離軸共路數(shù)字全息生成載頻正交的全息圖，進(jìn)而通過(guò)兩次曝光采集實(shí)現(xiàn)了瓊斯矩陣參量測(cè)量，在提高測(cè)量效率的同時(shí)，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。但是該方法仍需要兩次曝光采集，同時(shí)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(fù)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(cè)量方法及實(shí)施裝置”利用雙激光照明技術(shù)和正交二維光柵衍射分光技術(shù)，結(jié)合頻譜角分復(fù)用技術(shù)，通過(guò)一次曝光可實(shí)現(xiàn)瓊斯矩陣參量測(cè)量，但需要正交二維光柵衍射分光，不僅光利用率低，而且需與空間濾波孔陣列精確對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)復(fù)雜度；因?yàn)椴捎妙l譜角分復(fù)用技術(shù)，頻譜在頻譜空間分離有限，不可避免造成串?dāng)_，進(jìn)而影響偏振態(tài)參量的測(cè)量精度；同時(shí)，因?yàn)椴捎貌捎梅蛛x光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，利用偏振正交雙激光器輸入，將偏振分光調(diào)制技術(shù)和自干涉技術(shù)相結(jié)合，提供一種基于自干涉共路數(shù)字全息的瓊斯矩陣參量同步測(cè)量裝置與方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括雙光源、第一雙線偏振片、第一非偏振分光棱鏡、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、方形測(cè)量窗口、待測(cè)物體、第二雙線偏振片、第一透鏡、第二非偏振分光棱鏡、平面反射鏡、第三非偏振分光棱鏡、第一角反射鏡、第二角反射鏡、第二透鏡、光闌、第一偏振分光棱鏡、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)，雙光源分別發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)第一雙線偏振片調(diào)制形成偏振正交的兩束線偏振光束，再經(jīng)第一非偏振分光棱鏡匯合成一束光，經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后，依次經(jīng)過(guò)測(cè)量窗口、待測(cè)物體、第二雙線偏振片、第一透鏡和第二非偏振分光棱鏡形成聚焦的兩束光；兩束光中的一束光照射在平面反射鏡上并被反射，另一束光經(jīng)第三非偏振分光棱鏡后分成兩束光束且分別照射在第一角反射鏡和第二角反射鏡上并被反射；經(jīng)過(guò)反射的光束再次經(jīng)過(guò)第二非偏振分光棱鏡匯合成一束后，再經(jīng)過(guò)第二透鏡的變換、光闌的濾波以及第一偏振分光棱鏡分光后，形成兩幅載頻正交的全息圖，被圖像傳感器采集到計(jì)算機(jī)中，所述方形窗口被均勻的分成2×2個(gè)子窗口，待測(cè)物體放置在測(cè)量窗口任一子窗口之前、之內(nèi)或之后，且所述的待測(cè)物體位于第一透鏡的前焦面上，光闌與待測(cè)物體所放置的子窗口匹配；第二雙線偏振片與方形窗口平行放置，且分別與待測(cè)物體所放置子窗口的相鄰子窗口匹配；平面反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上；第一角反射鏡和第二角反射鏡分別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)整光束在水平方向與光軸成θa角，第二角反射鏡調(diào)整光束在垂直方向與光軸成θb角，或第一角反射鏡調(diào)整光束在垂直方向與光軸成θa角，第二角反射鏡調(diào)整光束在水平方向與光軸成θb角；第二偏振分光棱鏡的分光面與光軸方向平行放置；圖像傳感器位于第二透鏡的后焦面上。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.所述雙光源為兩個(gè)獨(dú)立的光源。

2.第一雙線偏振片為偏振正交的兩線偏振片a和b，其中線偏振片a的透光軸與水平方向成+45°，線偏振片b的透光軸與垂直方向成-45°，或線偏振片a的透光軸與水平方向成-45°，線偏振片b的透光軸與垂直方向成+45°。

3.第二雙線偏振片為偏振正交的兩線偏振片c和d，其中線偏振片c的透光軸與水平方向成+45°，線偏振片d的透光軸與垂直方向成-45°，或線偏振片c的透光軸與水平方向成-45°，線偏振片d的透光軸與垂直方向成+45°。

4.基于自干涉共路數(shù)字全息的瓊斯矩陣參量同步測(cè)量方法，包括基于自干涉共路數(shù)字全息的瓊斯矩陣參量同步測(cè)量裝置，步驟如下：

(1)打開(kāi)光源，雙光源分別發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)第一雙線偏振片調(diào)制形成偏振正交的兩束45°和-45°線偏振光束，再經(jīng)第一非偏振分光棱鏡匯合成一束光，經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后，依次經(jīng)過(guò)方形窗口、待測(cè)物體、第二偏振正交線偏振片、第一透鏡和第二非偏振分光棱鏡形成聚焦的兩束光；一束光照射在平面反射鏡上并被反射；另一束光經(jīng)第三非偏振分光棱鏡后分成兩束光束，分別照射在第一角反射鏡和第二角反射鏡上并被反射；經(jīng)過(guò)反射的光束再次經(jīng)過(guò)第二非偏振分光棱鏡匯合成一束后，再經(jīng)過(guò)第二透鏡的變換、光闌的濾波以及第二偏振分光棱鏡分光后，形成兩幅載頻正交的全息圖i1和i2，被圖像傳感器采集到計(jì)算機(jī)中；

(2)計(jì)算待測(cè)物體的復(fù)振幅ani(x,y)：

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中：n＝1、2，分別表示從干涉圖像中分割獲得的兩幅全息圖；fi表示濾波器，i＝x、y；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；

(3)待測(cè)量的瓊斯矩陣參量為：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的一種基于自干涉共路數(shù)字全息的瓊斯矩陣參量同步測(cè)量方法有以下特點(diǎn)和有益效果：

1.在共光路基礎(chǔ)上，利用偏振正交雙激光器輸入，結(jié)合偏振分光調(diào)制技術(shù)和自干涉技術(shù)，同步生成兩幅含有偏振正交信息的全息圖，只需一次測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)瓊斯矩陣全部參量相關(guān)信息提取，在實(shí)現(xiàn)二維瓊斯矩陣參量高精度實(shí)時(shí)測(cè)量的同時(shí)，提高系統(tǒng)抗干擾能力，且無(wú)需二維光柵、針孔陣列等特殊元件，極大地降低系統(tǒng)調(diào)整難度，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之一；

2.利用三窗口輸入，結(jié)合偏振分光調(diào)制技術(shù)和自干涉技術(shù)，可在每幅全息圖中同時(shí)包含偏振正交輸入激光所攜帶的信息，同時(shí)利用雙角反射鏡放置不同姿態(tài)引入正交載頻，不僅方便靈活，調(diào)整簡(jiǎn)單，而且可最大限度的避免頻譜間串?dāng)_，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二。

本發(fā)明裝置具有如下顯著特點(diǎn)：

1.本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在光學(xué)測(cè)量過(guò)程中系統(tǒng)定位復(fù)雜度要求低，且調(diào)整方便；

2.本發(fā)明裝置只需常用的線偏振片和偏正分光棱鏡，而不需要二維光柵和和空間濾波孔陣列，不僅提高了光利用率進(jìn)和降低了成本，而且使得光路更加簡(jiǎn)單易行。

附圖說(shuō)明

圖1為一種基于自干涉共路數(shù)字全息的瓊斯矩陣參量同步測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為第一雙線偏振片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為第二雙線偏振片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為方測(cè)量窗口與第二雙線偏振片位置匹配示意圖；

圖5為第二雙線偏振片位置變換時(shí)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為使用雙圖像傳感器實(shí)現(xiàn)本測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7(1)(2)為采用本測(cè)量裝置測(cè)量0°+90°線偏振片組的全息圖；

圖8(1)(2)(3)(4)為本測(cè)量裝置測(cè)量0°+90°線偏振片組所得jxx、jxy、jyx、jyy的振幅示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

圖1所示一種基于自干涉共路數(shù)字全息的瓊斯矩陣參量同步測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；包括雙光源、第一雙線偏振片、第一非偏振分光棱鏡、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、方測(cè)量窗口、待測(cè)物體、第二雙線偏振片、第一透鏡、第二非偏振分光棱鏡、平面反射鏡、第三非偏振分光棱鏡、第一角反射鏡、第二角反射鏡、第二透鏡、光闌、第一偏振分光棱鏡、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)。按照光的路徑描述，雙光源分別發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)第一雙線偏振片調(diào)制形成偏振正交的兩束線偏振光束，再經(jīng)第一非偏振分光棱鏡匯合成一束光，經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后，依次經(jīng)過(guò)測(cè)量窗口、待測(cè)物體、第二雙線偏振片、第一透鏡和第二非偏振分光棱鏡形成聚焦的兩束光；一束光照射在平面反射鏡上并被反射；另一束光經(jīng)第三非偏振分光棱鏡后分成兩束光束，分別照射在第一角反射鏡和第二角反射鏡上并被反射；經(jīng)過(guò)反射的光束再次經(jīng)過(guò)第二非偏振分光棱鏡匯合成一束后，再經(jīng)過(guò)第二透鏡的變換、光闌的濾波以及第一偏振分光棱鏡分光后，形成兩幅載頻正交的全息圖，被圖像傳感器采集到計(jì)算機(jī)中。所述的方形窗口被均勻的分成2×2個(gè)子窗口，待測(cè)物體放置在測(cè)量窗口任一子窗口之前、之內(nèi)或之后，且所述的待測(cè)物體位于第一透鏡的前焦面上，光闌與待測(cè)物體所放置的子窗口匹配；第二雙線偏振片與方形窗口平行放置，且分別與待測(cè)物體所放置子窗口的相鄰子窗口匹配；平面反射鏡位于第一透鏡和第二透鏡的共軛焦平面上；第一角反射鏡和第二角反射鏡分別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)整光束在水平方向與光軸成θa角，第二角反射鏡調(diào)整光束在垂直方向與光軸成θb角，或第一角反射鏡調(diào)整光束在垂直方向與光軸成θa角，第二角反射鏡調(diào)整光束在水平方向與光軸成θb角；第二偏振分光棱鏡的分光面與光軸方向平行放置；圖像傳感器位于第二透鏡的后焦面上。

雙光源為兩個(gè)互不相干的光源。

第一雙線偏振片為偏振正交的兩線偏振片，其中線偏振片a的透光軸與水平方向成+45°，線偏振片b的透光軸與垂直方向成-45°，或線偏振片a的透光軸與水平方向成-45°，線偏振片b的透光軸與垂直方向成+45°。

第二雙線偏振片為偏振正交的兩線偏振片，其中線偏振片c的透光軸與水平方向成+45°，線偏振片d的透光軸與垂直方向成-45°，或線偏振片c的透光軸與水平方向成-45°，線偏振片d的透光軸與垂直方向成+45°。

第二雙線偏振片也可分別放置于第三非偏振分光棱鏡與第一角反射鏡及第二角反射鏡之間；

也可將第二偏振分光棱鏡的分光面與光軸方向成45°放置，并在第二偏振分光棱鏡的透射方向和反射方向分別放置兩圖像傳感器。

基于自干涉共路數(shù)字全息的瓊斯矩陣參量同步測(cè)量方法，它的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(1)調(diào)整整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，打開(kāi)光源，雙光源分別發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)第一雙線偏振片調(diào)制形成偏振正交的兩束45°和-45°線偏振光束，再經(jīng)第一非偏振分光棱鏡匯合成一束光，經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后，依次經(jīng)過(guò)方形窗口、待測(cè)物體、第二偏振正交線偏振片、第一透鏡和第二非偏振分光棱鏡形成聚焦的兩束光；一束光照射在平面反射鏡上并被反射；另一束光經(jīng)第三非偏振分光棱鏡后分成兩束光束，分別照射在第一角反射鏡和第二角反射鏡上并被反射；經(jīng)過(guò)反射的光束再次經(jīng)過(guò)第二非偏振分光棱鏡匯合成一束后，再經(jīng)過(guò)第二透鏡的變換、光闌的濾波以及第二偏振分光棱鏡分光后，形成兩幅載頻正交的全息圖i1和i2，被圖像傳感器采集到計(jì)算機(jī)中。

(2)計(jì)算待測(cè)物體的復(fù)振幅ani(x,y)：

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中，n＝1,2，分別表示從干涉圖像中分割獲得的兩幅全息圖；fi表示濾波器，i＝x,y；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；

(3)待測(cè)量的瓊斯矩陣參量由下式確定：

下面結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例作詳細(xì)說(shuō)明。

圖中件號(hào)說(shuō)明：1和2雙光源，3和4第一雙線偏振片，5第一非偏振分光棱鏡，6準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，7方測(cè)量窗口,8待測(cè)物體，9和10第二雙線偏振片，11第一透鏡，12第二非偏振分光棱鏡，13平面反射鏡，14第三非偏振分光棱鏡，15第一角反射鏡16，第二角反射鏡，17第二透鏡，18光闌，19第一偏振分光棱鏡，20圖像傳感器，21計(jì)算機(jī).

本發(fā)明的裝置包括：雙光源1和2、第一雙線偏振片a3和b4、第一非偏振分光棱鏡5、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)6、方形測(cè)量窗口7、待測(cè)物體8、第二雙線偏振片c9和d10、第一透鏡11、第二非偏振分光棱鏡12、平面反射鏡13、第三非偏振分光棱鏡14、第一角反射鏡15、第二角反射鏡16、第二透鏡17、光闌18、第一偏振分光棱鏡19、圖像傳感器20和計(jì)算機(jī)21，其中，雙光源1和2均為波長(zhǎng)632.8nm的he-ne激光，且互不相干；線偏振片a3的透光軸與水平方向成+45°，線偏振片b4的透光軸與垂直方向成-45°；方形窗口7被均勻的分成2×2個(gè)子窗口，待測(cè)物體8放置在子窗口s之內(nèi)，且所述的待測(cè)物體8位于第一透鏡11的前焦面上；第二雙線偏振片c9和d10與方形窗口7平行放置，且分別與子窗口s的相鄰子窗口r匹配，線偏振片c9的透光軸與水平方向成+45°，線偏振片d10的透光軸與垂直方向成-45°；平面反射鏡13位于第一透鏡11和第二透鏡17的共軛焦平面上；第一角反射鏡15和第二角反射鏡16分別位于第一透鏡11和第二透鏡17的共軛焦平面上，且第一角反射鏡調(diào)整光束在水平方向與光軸成θa角，第二角反射鏡調(diào)整光束在垂直方向與光軸成θb角；第一透鏡11和第二透鏡17的焦距均為f＝200mm；光闌18與待測(cè)物體8所放置的子窗口s匹配；圖像傳感器位于第二透鏡16的后焦面上。該裝置光的運(yùn)行路徑為：雙光源1和2分別發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)第一雙線偏振片a3和b4調(diào)制形成偏振正交的兩束45°和-45°線偏振光束，再經(jīng)第一非偏振分光棱鏡匯合成一束光，經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)6準(zhǔn)直擴(kuò)束后，依次經(jīng)過(guò)方測(cè)量窗口7、待測(cè)物體8、第二雙線偏振片c9和d10、第一透鏡11、第二非偏振分光棱鏡12形成聚焦的兩束光；一束光照射在平面反射鏡13上并被反射；另一束光經(jīng)第三非偏振分光棱鏡14后分成兩束光束，分別照射在第一角反射鏡15和第二角反射鏡16上并被反射；經(jīng)過(guò)反射的光束再次經(jīng)過(guò)第二非偏振分光棱鏡12匯合成一束后，再經(jīng)過(guò)第二透鏡17的變換、光闌18的濾波以及第一偏振分光棱鏡19分光后，形成兩幅載頻正交的全息圖，被圖像傳感器20采集到計(jì)算機(jī)21中。

被圖像傳感器20采集到計(jì)算機(jī)21中的兩幅載頻正交的全息圖可表示為i1和i2。

接著，計(jì)算待測(cè)物體8的復(fù)振幅ani(x,y)：

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中，n＝1,2，分別表示從干涉圖像中分割獲得的兩幅全息圖；fi表示濾波器，i＝x,y；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；

最后，待測(cè)量的瓊斯矩陣參量由下式確定：

此技術(shù)僅需要一次測(cè)量采集兩幅子全息圖便可計(jì)算瓊斯矩陣，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)，方法簡(jiǎn)單易行，不需要二維光柵、空間濾波器陣列等特殊光學(xué)元件，系統(tǒng)的復(fù)雜度進(jìn)一步降低了。

綜上，本發(fā)明提供了基于自干涉共路數(shù)字全息的瓊斯矩陣參量同步測(cè)量裝置與方法，屬于偏振態(tài)參量測(cè)量領(lǐng)域。45°線偏振正交的兩光束由第一非偏振分光棱鏡匯合成一束入射光，經(jīng)過(guò)測(cè)量窗口、待測(cè)物體、第二雙線偏振片、第一透鏡和第二非偏振分光棱鏡形成兩束光；一束光被平面反射鏡反射；另一束光經(jīng)第三非偏振分光棱鏡后分成兩束光，分別被第一角反射鏡和第二角反射鏡反射；經(jīng)過(guò)反射的光束再次經(jīng)過(guò)第二非偏振分光棱鏡匯合成一束，再經(jīng)過(guò)第二透鏡、光闌以及第一偏振分光棱鏡后，形成兩幅載頻正交的全息圖，經(jīng)圖像傳感器采集到計(jì)算機(jī)并計(jì)算獲得瓊斯矩陣參量。它在提高系統(tǒng)抗干擾能力同時(shí)，只需一次測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)瓊斯矩陣參量恢復(fù)，且無(wú)需二維光柵等特殊元件，簡(jiǎn)單易行。