一种补偿任意光学相位延迟的波片组设计方法

摘要

本发明公开了一种补偿任意光学相位延迟的波片组设计方法，包括：1)将波片组置于待补偿光学相位延迟的光学系统光路的前端或后端；2)以待补偿光学相位延迟的光学系统作参考，光学系统的快轴方向为横坐标，建立笛卡尔坐标系；3)将相应琼斯矩阵依次左乘，得到经波片组调制后的光学系统的琼斯矩阵；4)将相应琼斯矢量依次左乘，得到出射光波的琼斯矢量；5)将调制后的出射光波的琼斯矢量与所需出射光波偏振态对应的琼斯矢量进行比较，计算出需要调节的波片组中各个波片跟参考坐标系横坐标夹角；6)根据计算出的波片组中各个波片跟参考坐标系横坐标夹角，转动波片组中各个波片，完成对待补偿光学相位延迟光学系统产生的光学相位延迟的补偿。

说明书

技术领域

本发明涉及晶体波前相位补偿技术领域、偏振调制技术领域，具体涉及一种补偿任意光学相位延迟的波片组设计方法。

背景技术

随着光纤通信技术、超分辨显微技术、光纤传感技术等技术的发展，对光学相位的精确控制带来了更高的要求。由于光学系统中的各种偏振器件的存在，会诱发光学相位延迟，继而使得光的偏振态发生变化，最终直接影响光学系统的能量利用率或成像效果。因此，必须对光学系统中非设计因素导致的光学相位延迟加以补偿，以消除或减小系统中非设计因素引入的光学相位延迟的影响，从而能够提高光学系统的工作效率和工作质量。

在吴闻迪等人的专利文献《双波长光学相位延迟器》，公开号为CN105700059A中，提供了一种针对光学相位延迟补偿的波片组合，该专利文献采用了单片双折射晶体片组合，通过计算需补偿光学相位的双折射晶体片的厚度，改变双折射晶体片的厚度来获得所需光学相位差。但是本发明具有局限性，只能针对固定的光学相位延迟进行补偿。在光学相位延迟补偿方面局限性较大，并且该专利技术需调节双折射晶体片的厚度来改变光学相位差，操作复杂，实现难度大。而在赵书清等人的专利文献《光学相位延迟器》，公开号为CN1387071A中，使用双折射晶体对光束进行分束，一束为寻常光，另一束为非寻常光，然后使用平行分束片对这两束偏振光进行耦合，控制两个分束片光轴的角度可获所需的光学相位延迟，但是依然存在一些缺陷：其一，采用双折射晶体分束的方法，会导致光学相位延迟量精度不高；其二，在产生所需光学相位延迟时，必须通过改变平行分束片的厚度来实现，操作复杂，成本较高，普适性较差。

发明内容

本发明针对现有光学相位延迟补偿器普适性、通用性、灵活性较差，对于光学系统中光学相位延迟补偿过于复杂、并且补偿精度不高等技术问题，提出了一种补偿任意光学相位延迟的波片组设计方法。利用由半波片和四分之一波片组成的波片组产生的光学相位差，对待补偿光学相位延迟的光学系统中非设计因素产生的光学相位延迟进行补偿，这种补偿方式通过调节半波片以及四分之一波片与参考坐标系横坐标的夹角，便可实现对光学系统中产生的任意的光学相位延迟的补偿。

一种补偿任意光学相位延迟的波片组设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将波片组置于待补偿光学相位延迟的光学系统光路的前端或后端，波片组垂直于光路中光波传播方向放置，用于补偿待补偿光学相位延迟的光学系统产生的光学相位延迟；

2)以待补偿光学相位延迟的光学系统作参考，光学系统的快轴方向为横坐标，光学系统的慢轴方向为纵坐标，建立笛卡尔坐标系；

3)将待补偿光学相位延迟的光学系统的琼斯矩阵和步骤1)中波片组的琼斯矩阵按照光路中光波入射次序依次左乘，得到经波片组调制后的光学系统的琼斯矩阵；

4)将步骤3)中经波片组调制后的待补偿光学相位延迟的光学系统的琼斯矩阵与入射光波琼斯矢量依次左乘，得到经待补偿光学相位延迟的光学系统、波片组调制后的出射光波的琼斯矢量；

5)将步骤4)中经待补偿光学相位延迟的光学系统、波片组调制后的出射光波的琼斯矢量与所需出射光波偏振态对应的琼斯矢量进行比较，计算出需要调节的波片组中各个波片跟参考坐标系横坐标夹角；

6)根据步骤5)中计算出的波片组中各个波片跟参考坐标系横坐标夹角，转动波片组中各个波片，完成对待补偿光学相位延迟光学系统产生的光学相位延迟的补偿。

步骤1)中，作为优选，所述波片组为线偏振器、半波片和四分之一波片的组合；

所述线偏振器用于调控入射光波为线偏振光；

所述光学相位延迟为光波的垂直分量和平行分量之间经过待补偿光学相位延迟的光学系统后产生的相位差。

步骤2)中，所述待补偿光学相位延迟的光学系统的快轴为传播快的光波分量的偏振方向，其垂直方向为慢轴方向。

步骤3)中，所述波片组中四分之一波片的快轴与参考坐标系横坐标夹角为θ，半波片的快轴与参考坐标系横坐标的夹角为α，待补偿光学相位延迟的光学系统产生的光学相位延迟为η；

所述波片组中半波片、四分之一波片快轴分别对应半波片和四分之一波片中传播快的光波分量的偏振方向，其垂直方向分别对应半波片和四分之一慢轴的方向；

所述琼斯矩阵为表征偏振器件的线性变换作用的二维方阵；

所述波片组中的琼斯矩阵包含半波片的琼斯矩阵和四分之一波片的琼斯矩阵；

所述半波片的琼斯矩阵为：

所述四分之一波片的琼斯矩阵为：

所述待补偿光学相位延迟的光学系统的琼斯矩阵为：

所述经波片组调制后的光学系统的琼斯矩阵为：

步骤4)中，所述入射光波经过线偏振器后，调制为线偏振光；

所述调制后的出射光波的琼斯矢量为：

其中，A、B、C、D、K为：

步骤5)中，所述所需出射光波偏振态为希望进入待补偿相位的光学系统的焦平面的光波的偏振态，可以为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光等的任意偏振态偏振光，其琼斯矢量表示为：

其中，a、b、c、d取合适数值能够表示任意对应偏振态的偏振光，将经待补偿光学相位延迟的光学系统、波片组调制后的出射光波的琼斯矢量E₁与所需出射光波偏振态对应的琼斯矢量E_out进行比较，计算出四分之一波片的快轴与参考坐标系横坐标夹角θ₀和半波片的快轴与参考坐标系横坐标的夹角α₀。

所述需要调节的波片组中波片跟参考坐标系横坐标夹角包括：四分之一波片的快轴与参考坐标系横坐标夹角θ和半波片的快轴与参考坐标系横坐标的夹角α。

步骤6)中，所述转动波片组中各个波片的调制方法为：同时转动四分之一波片的快轴与参考坐标系横坐标夹角为θ₀、半波片的快轴与参考坐标系横坐标的夹角为α₀。

相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过对引入的线偏振器、半波片、四分之一波片等波片组成的波片组，放置于光学系统中合适位置，并且对光学系统中光学元件引入的非设计因素产生的光学相位延迟进行测量，经过精确地计算，得出波片组中各个波片需要调整的角度，最后对由线偏振器、半波片、四分之一波片等波片组成的波片组作相应的调整，实现对光学系统中光学元件引入的非设计因素产生的光学相位延迟的补偿。本发明能够在一系列相对容易实现的测量和计算后，对由线偏振器、半波片、四分之一波片等波片组成的波片组作相对简单的调整，并且在不引入额外相位差的前提下，补偿了光学系统中光学元件引入的非设计因素产生的任意光学相位延迟。本发明补偿任意光学相位延迟方法灵活多变，简便易操作，并且实施方法价格低廉，适用范围广。

附图说明

图1为一种补偿任意光学相位延迟的波片组设计方法应用于激光扫描共焦显微镜系统的结构示意图；

图2为二向色镜反射光的光学相位延迟图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明，但本发明并不限于此。

如图1所示为本发明一个实施例的一种补偿任意光学相位延迟的波片组设计方法应用于激光扫描共焦显微镜系统的结构示意图，该实施例的系统包括：1、激光器；2、线偏振器；3、全反镜；4、半波片；5、四分之一波片；6、二向色镜；7、物镜；8、样品池；9、光电探测器。激光器1输出的光波，经线偏振器2调制为线偏振光，经全反镜3后入射到由半波片4和二向色镜6，然后经四分之一波片5调制后从物镜7到达样品池8，样品池8中的样品受激发光照射，发射出来的探测光分别经过物镜7、二向色镜6到达光电探测器9，通过对波片组中的半波片4和四分之一波片5调节，对二向色镜6引入的非设计因素导致的光学相位延迟进行补偿，从而对入射到物镜7的激发光进行调控，以获得偏振态为圆偏振光的输出光波，最后达到提高显微镜系统分辨率的目的。

将由线偏振器2、半波片4、四分之一波片6组成的波片组按图1所示放置于二向色镜5的前端或后端。

以二向色镜6快轴为x轴建立笛卡尔坐标系，四分之一波片快轴与x轴的夹角为θ，半波片快轴与x轴的夹角为α；激光器1输出激发光的波长为550纳米，经过线偏振器2调节成线偏振光。经过全反镜3入射到半波片4，激发光经半波片4调制后的琼斯矢量E₀为：

E₀从半波片4出射，入射到二向色镜6上，如图2所示，波长为550纳米的激发光入射到二向色镜6引入的非设计因素导致的光学相位延迟η＝0.0332。将二向色镜6的琼斯矩阵和四分之一波片的琼斯矩阵按照光路中光波入射次序依次左乘，得到经波片组调制后的光学系统的琼斯矩阵为：

将经波片组调制后的光学系统的琼斯矩阵与入射光波琼斯矢量依次左乘，得到经二向色镜6、波片组调制后的出射光波的琼斯矢量E₁为：

其中：

所需圆偏振光琼斯矢量为：

其中：

a＝0，b＝1，c＝0，d＝1；

将经过线偏振器2、半波片4、二向色镜6、四分之一波片5调制后，出射的激发光的琼斯矢量E₁与所需圆偏振光琼斯矢量E_out进行比较，计算出需要调节的四分之一波片6的快轴与x轴的夹角θ和半波片4的快轴与x轴的夹角α为：

α＝0°，θ＝45°或者α＝90°，θ＝-45°。

同时转动四分之一波片6的快轴与x轴的夹角θ为45°、半波片4的快轴与x轴的夹角α为0°；或者，同时转动四分之一波片6的快轴与x轴的夹角θ为-45°、半波片4的快轴与x轴的夹角α为90°。此时，调制后的出射光波的琼斯矢量E₁为：

其中：

此时，经过线偏振器2、半波片4、四分之一波片5的调制，完成了对二向色镜6引入的非设计因素导致的光学相位延迟的补偿，从而获得E₁为所需圆偏振光。