一种高精度激光偏振特性测量校准装置

摘要

本发明属于光学计量领域，公开了一种高精度激光偏振特性测量校准装置，激光器组件发出的光经过激光稳功率仪后，再经过分束镜分束变成两束光，一束作为测量光路，另一束作为监视光路，监视光路的信号由探测放大系统进行探测，测量光路的光束经过偏振控制系统后，由偏振测量系统进行探测；由探测放大系统和偏振测量系统输出的电流信号经过高精度同步采集电路采集处理，利用监视光路中测量得到的激光功率值对测量光路中激光功率测量结果进行动态实时补偿，可以进一步降低激光功率的漂移对测量结果产生影响。本发明解决了目前高精度激光光源偏振度及偏振态的校准难题，具有测量准确度高，应用前景广的特点。

说明书

技术领域

本发明属于光学计量与测量技术领域，涉及一种可见光波段和近红外波段激光偏振特性测量校准装置。

背景技术

偏振是光波的一项基本特性，光波的偏振特性参数主包括光的偏振度、椭偏率以及偏振方位角。激光是一种典型的偏振光，其输出通常是消光比(水平振动与垂直振动分量之比)大于100：1的线偏振光，偏振光的偏振方向与激光器布儒斯特出射窗的方位有关。

利用激光的偏振特性进行目标探测是目前一个十分活跃的研究领域。如激光偏振水下目标探测技术，利用物体后向散射偏振度大于水体悬浮粒子后向散射光的偏振度原理，用激光作为照明光源并在探测器前放置线偏振器或圆偏振器，以减小悬浮粒子后向散射光，达到提高水下目标成像清晰度和对比度的目的；激光雷达技术，通过分析云层散射光偏振特性，进而获得云层分布、云的种类和高度、大气气溶胶粒子的尺寸分布等参数，为大气物理提供有用的数据；自由空间激光通信技术，利用激光偏振态调制克服光在大气中传输时的光斑畸变，达到提高自由空间激光通信系统抗大气扰动能力、提高通信信噪比的目的。

随着自由空间激光通信技术、空间偏振遥感探测、水下目标探测识别等相关技术的不断发展，对激光偏振特性进行准确测量受到越来越多的重视，目前已经开发并应用了大量激光偏振特性测量仪。现有激光偏振特性测量仪主要有两种，一种是基于分振幅的激光偏振特性测量仪，另一种是基于1/4波片法的激光偏振特性测量仪，其基本原理都是利用偏振器件获得不同偏振特性的偏振光，并利用光电探测器对不同偏振特性的光信号进行分析计算而得到激光的偏振度、椭偏率以及偏振方位角等性能参数。

激光偏振特性测量仪是一种精密检测仪器，其测量精度与光电探测器的光电响应特性、偏振器件定位准确度以及入射光的入射角等密切相关。由于光电探测器的光电响应特性、偏振器件定位准确度会随设备的长期运转而发生改变，因此当激光偏振特性测量仪工作一段时间后，就需要用测量准确度高、性能稳定的校准装置对激光偏振特性测量仪进行校准，以保证激光偏振特性测量仪的测量准确度。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种高精度激光偏振特性测量校准装置，用于对激光偏振特性测量仪进行校准，具备工作波长范围宽、稳定性好、能够提供高准确度偏振特性参数量值等特点，以满足不同类型、不同波长范围的激光偏振特性测量仪校准。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高精度激光偏振特性测量校准装置，包括高稳定度激光光源系统、偏振控制系统、偏振测量系统以及内置了偏振特性测量校准软件包的计算机。

所述激光光源系统提供高稳定度测试偏振光源，包括激光器组件1、激光稳功率仪2和分束镜3；激光器组件1包含电动平移台1-1和激光器1-2、1-3、1-4和1-5等，所有激光器均固定在一维电动移动平台上；通过控制电动平移台1-1的移动位置，可以将所需要的测试波长的激光器移入光路；激光器组件1发出的光经过激光稳功率仪2后，再经过分束镜3分束变成两束光，一束作为测量光路，另一束作为监视光路，监视光路的信号由探测放大系统5进行探测，测量光路的光束经过偏振控制系统4后，由偏振测量系统6进行探测；由探测放大系统5和偏振测量系统6输出的电流信号经过高精度同步采集电路采集处理，利用监视光路中测量得到的激光功率值对测量光路中激光功率测量结果进行动态实时补偿，可以进一步降低激光功率的漂移对测量结果产生影响。

所述偏振控制系统4包括消色差1/2波片4-1、偏振器4-2及消色差1/4波片4-3；通过改变波片4-1和4-3的光轴方向、偏振器4-2起偏角方向及激光偏振方向之间的夹角可以实现对激光光束偏振特性的控制，从而改变椭偏方位角和椭偏率等相关参数；消色差波片4-1和4-3由石英晶体和MgF

所述偏振测量系统6由偏振器6-1、消色差1/4波片6-2、探测器6-3以及放大处理电路6-4组成；消色差1/4波片6-2安装在波片轮上，波片轮设置有通孔位置，并安装在旋转台上，波片轮应与旋转台同心，通过控制旋转台运动，可以实现波片移入移出光路；偏振器6-1安装在旋转台上，通过控制旋转台运动，可以改变偏振器的偏振方位角；通过旋转偏振器6-1及消色差1/4波片6-2可以分别获得光源在0°、45°、90°、135°以及左旋和右旋偏振光分量，应用探测器6-3对这些分量信号进行探测，并通过放大处理电路6-4放大后送入由高精度同步采集卡，同步采集卡对探测放大系统5输出的监视信号和6-4输出的测量信号进行同步采集，将测量到的电信号传输到计算机，由计算机进行分析处理，依据斯托克斯公式计算出被测光源的斯托克斯参数，

其中S

偏振度P由斯托克斯参数根据以下公式

计算得出。

本校准装置采用直接测量法对激光的偏振特性参数进行校准，也可以采用比较法对激光偏振测量仪7进行校准，即通过将被校偏振特性测量仪7与本校准装置的偏振测量组件6进行替换，由两套探测测量系统分别给出偏振特性的测量结果，从而获得被校偏振特性测量仪7的偏差，实现偏振特性测量仪7的校准。

高精度激光偏振特性测试校准模块包含有系统自检模块、界面模块、系统控制模块、数据采集模块、数据处理模块、存储模块和历史结果显示模块。

系统自检模块的功能是通过计算机和各子系统的通信状态，判断与系统连接的平移台、旋转台和数据采集卡等重要器件连接是否正常，对电动平移台和旋转台等器件进行初始化归零处理。

界面模块的功能是，通过键盘接收测试人员设定的测量波长、样品等信息名称；

系统控制模块的功能包括，根据设定的测量波长驱动平移台，使相应波长的激光器切入光路，根据测量时序向运动控制器发送相应电控转台和平移台的驱动指令，使偏振器和1/4波片到达指定的位置，达到使测量光束分别为水平方向的线偏振光、垂直方向上的线偏振光、+45°方向的线偏振光、-45°方向上的线偏振光、左旋偏振光和右旋偏振光的目的；

采集模块的功能是，采集从光电探测器输出并经过放大器放大的包含测量光束偏振状态信息的一组电压信号，即测量光束分别为水平方向线偏振光的电压值、垂直方向线偏振光的电压值、+45°方向线偏振光的电压值、-45°方向上线偏振光的电压值、左旋偏振光的电压值和右旋偏振光的电压值。

数据处理模块的功能是，根据测量模块测量到的电压信号由以下公式即斯托克斯公式计算出被测激光光源的斯托克斯参数。

式中：S0为入射光总强度；S1表示水平方向与垂直方向上的线偏振光的强度差；S2表示+45°方向与-45°方向上的线偏振光的强度差；S3表示左旋偏振光与右旋偏振光的强度差。光的偏振度P由斯托克斯参数根据以下公式计算得出。

存储模块的功能是，存储测量过程中的测量数据，并将偏振特性测量结果存储为Excell文件。

历史测量结果显示模块的功能是，将最近的20次测量结果显示出来，如果不足20次则显示最近所有测量结果数据，便于对测量结果进行进一步分析和评估处理。

(三)有益效果

上述技术方案所提供高精度激光偏振特性测量校准装置，有益效果体现在以下几个方面：

(1)本发明采用了激光稳功率仪和分束比监视相结合的方法，激光稳功率仪达到对激光功率进行稳定的目的，而分数比监视可以进一步对激光的功率漂移进行补偿，可以最大程度的消除激光功率漂移对测量结果的影响。

(2)本发明采用了高精度同步采集技术，可以实现测量光路和监视光路实时同步采集，从而消除功率漂移对测量结果的影响。

(3)采用模块化结构设计，结构简单，可迅速进行功能切换。

(4)本装置除了能够为偏振度测量仪提供校准之外，还可以实现激光偏振度的准确测量。

(5)本发明解决了目前高精度激光光源偏振度及偏振态的校准难题，具有测量准确度高，应用前景广的特点。

附图说明

图1是本发明高精度激光偏振特性测量校准系统构成示意图。

图2是激光器组组成示意图。

图3是偏振控制系统组成示意图。

图4是波片轮示意图。

图5是偏振棱镜安装示意图。

图6是偏振测量系统组成示意图。

图7是本发明中高精度激光偏振特性测量软件包的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明优选实施例的高精度激光偏振特性测量校准装置，包括高稳定度激光光源系统、偏振控制系统、偏振测量系统、功率监视探测器以及内置了偏振特性测量校准模块的计算机。

所述激光光源系统提供高稳定度测试偏振光源，包括激光器组件1、激光稳功率仪2和分束镜3；如图2所示，激光光源组件1包括电控平移台1-1、波长为0.632μm的激光器1-2、波长为1.06μm的激光器1-3、波长为1.31μm的激光器1-4和波长为1.55μm的激光器1-5，其中，激光器1-2和激光器1-3为自由空间输出，激光器1-4和激光器1-5为光纤输出。激光器1-2、激光器1-3、激光器1-4和激光器1-5均固联在电控平移台1-1上，通过移动电控平移台1-1，每次将1台激光器移入光路。电动移动平台1-1的主要技术指标：行程200mm，运动直线性<10μm，步进电机步进角1.8°，重复定位准确度<3μm。激光器组件1发出的光经过激光稳功率仪2后，再经过分束镜3分束变成两束光，一束作为测量光路，另一束作为监视光路，在监视光路中放置监视探测系统5。监视探测系统5包含监视探测器5-1和放大电路5-2。测量光路的光束经过偏振控制系统4后，由偏振测量系统6进行探测；由监视探测系统5和偏振测量系统6输出的电流信号经过高精度同步采集电路采集处理，利用监视光路中测量得到的激光功率值对测量光路中激光功率测量结果进行动态实时补偿，可以进一步降低激光功率的漂移对测量结果产生影响。

根据图3所示，所述偏振控制系统4包括消色差1/2波片4-1、偏振器4-2及消色差1/4波片4-3；1/2波片4-1的作用是改变入射激光光源的偏振方向，当1/2波片4-1快慢轴方向与激光偏振方向夹角为θ时，经过1/2波片4-1后的偏振光束的偏振方位角将旋转θ角，从而产生任意偏振方向的偏振光束；偏振棱镜4-2的作用是改变偏振光的偏振度，提供线偏振光；1/4波片4-3的作用是实现对测量光束的相位延迟，将线偏振光变为椭圆偏振光，在线偏振光后加入1/4波片4-3后，当1/4波片4-3光轴方向与偏振方向的夹角为θ时，经过1/4波片4-3后的偏振光束变为以1/4波片4-3快慢轴为主偏振方向的椭圆偏振光，通过改变波片4-1和4-3的光轴方向、偏振器4-2起偏角方向及激光偏振方向之间的夹角可以实现对激光光束偏振特性的控制，从而改变椭偏方位角和椭偏率等相关参数；消色差波片4-1和4-3由石英晶体和MgF

根据图6所示，所述偏振测量系统6由偏振器6-1、消色差1/4波片6-2、探测器6-3以及前置放大处理电路6-4组成；消色差1/4波片6-2安装在波片轮上，波片轮设置有通孔位置，并安装在旋转台上，波片轮应与旋转台同心，通过控制旋转台运动，可以实现波片移入移出光路；偏振器6-1安装在旋转台上，通过控制旋转台运动，可以改变偏振器的偏振方位角；通过旋转偏振器6-1及消色差1/4波片6-2可以分别获得光源在0°、45°、90°、135°以及左旋和右旋偏振光分量，应用探测器6-3对这些分量信号进行探测，并通过放大处理电路6-4放大后送入由高精度同步采集卡。为了满足可见和红外两个波段光源的探测，光电探测器6-3采用Si探测器和AsGaIn光电二极管探测器对信号进行测量，Si探测器响应波长范围350nm～1100nm，光敏面5mm×5mm，动态范围10

运动控制系统由步进电机运动控制器组成，步进电机运动控制器通过RS232串口分别与计算机处理系统以及电控平移台1-1、偏振棱镜4-2的电控旋转台、偏振棱镜6-1的电控旋转台、波片4-1的电动旋转台、波片4-3的电动旋转台、波片6-2的旋转台相连接。运动控制系统的作用是对激光光源系统的电控平移台1-1、偏振棱镜的电控旋转台、波片的电控旋转台进行控制，使激光光源1以及偏振棱镜按照计算机处理系统的控制模块要求进行工作。

计算机处理系统装有激光偏振特性校准装置软件包。校准软件包按功能分，含有系统自检模块、界面模块、系统控制模块、数据采集模块、数据处理模块、存储模块和历史结果显示模块等。

系统自检模块的功能是，通过计算机和各子系统的通信状态，判断与计算机处理系统连接的步进电机运动控制器和高精度同步采集卡等重要器件连接是否正常，对电控旋转台、电控平移台等器件进行初始化归零处理。

界面模块的功能是，通过键盘接收测试人员设定的测量波长、样品等信息名称；设置电控平移台、电控旋转台和步进电机运动控制器的传动比及细分数等参数；设置高精度数据采集卡的采集频率等参数。

系统控制模块的功能包括，根据测量时序向步进电机运动控制器发送相应驱动指令，使激光光源系统1、偏振棱镜以及波片分别到达指定的位置，达到产生任意椭偏率、任意偏振角的偏振光以及测量0°、45°、90°、135°方向线偏振光以及左旋偏振光和右旋偏振光的目的；

数据采集模块的功能是，采集从光电探测器6-3输出并经过前置放大电路6-4放大的包含测量光束偏振状态信息的一组电压信号，即0°、45°、90°、135°方向线偏振光以及左旋偏振光和右旋偏振光的电压值V(0°)、V(45°)、V(90°)、V(135°)、V(lhc)、V(rhc)；采集从监视探测器5-1输出并经过前置放大电路5-2放大的一组信号，即0°、45°、90°、135°方向线偏振光以及左旋偏振光和右旋偏振光时，监视探测器的输出电压值Vm(0°)、Vm(45°)、Vm(90°)、Vm(135°)、Vm(lhc)、Vm(rhc)电压信号。

数据处理模块的功能是，根据数据采集模块测量到的电压信号，按照

计算出被测激光光源的偏振度P，按照

计算椭偏率，按照

计算偏振方位角，其中，

存储模块的功能是存储测量过程中的测量数据，并将测量数据存储为Excell文件，以表格输出处理结果，包括不同波长下的偏振特性、方位角、椭偏率及各自的补偿值。

存储模块中存有偏振度、方位角及椭偏率补偿数据表(见表1)。

表1

表2

在本实施例中，表1、表2的数据是采用本发明偏振特性校准装置对两个波长标准光源进行偏振特性测量后获得的，给出了针对不同波长的光源，用于各个偏振态下系统自校准的补偿值。

每个标准光源的测量过程为：将某个标准光源放置在本发明偏振特性校准装置的一维电动平移台1-1上，驱动电移台使其进入本发明偏振特性校准装置的光路。采集从光电探测器6-3输出并经过前置放大电路6-4放大的包含测量光束偏振状态信息的一组电压信号，即0°、45°、90°、135°方向线偏振光以及左旋偏振光和右旋偏振光的电压值V(0°)、V(45°)、V(90°)、V(135°)、V(lhc)、V(rhc)；采集从监视探测器5-1输出并经过前置放大电路5-2放大的一组信号，即0°、45°、90°、135°方向线偏振光以及左旋偏振光和右旋偏振光时，偏振探测器的输出电压值Vm(0°)、Vm(45°)、Vm(90°)、Vm(135°)、Vm(lhc)、Vm(rhc)电压信号。计算出标准光源偏振度P、椭偏率ε、偏振方位角θ。表3给出标准光源偏振度的实际测量值P，与标准值P 0得比较。

表3

将测量得到的两个标准光源的偏振度P，椭偏率ε、方位角θ分别与其对应标准值相减，就获得测量值与标准值的偏差ΔP、Δε、Δθ，即本发明偏振特性校准装置的测量偏差，即自校准的补偿值，如表1、表2所示。两个标准光源全部测量完成后，就得到了在一定范围内几个间隔处的偏振特性测量偏差。这个范围即偏振度0～100％、椭偏率-45°～45°、方位角-90°～90°，基本覆盖了所有激光光源能达到的偏振特性。

利用本发明校准装置自身的光路测量标准光源的偏振特性，使得该偏振特性测量值中包含了1/2波片、1/4波片、偏振棱镜等器件自身偏振特性、准直光路对偏振特性测量的影响以及光电探测器对于各种偏振态入射光的响应度的影响，因此，偏振度，椭偏率、方位角的补偿值实现了本发明偏振特性校准装置中的自校准。

历史测量结果显示模块的功能是，将最近测量的20次测量结果显示出来，如果不足20次则显示最近所有测量结果数据，便于对测量结果进行进一步分析和评估处理。

通过将被校偏振特性测量仪7与本校准装置的偏振测量组件6进行替换，由两套探测系统分别给出的偏振特性测量结果，获得被校偏振特性测量仪7的偏差，实现偏振特性测量仪9的校准；采用的激光偏振度测量仪7，工作波长为400nm～700nm、700nm～1350nm、1300nm～1700nm，测量口径<5mm。

偏振度校准软件包的工作流程见图7所示。

本优选实施例实现了对波长范围包括0.45μm∽1.1μm、1.55μm，偏振度测量范围0.1∽0.9的高精度激光偏振特性的校准。测量不确定度达到2％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。