[发明专利]基于偏振光栅的动态测量任意光场完整信息的方法及光路

说明书

本发明涉及一种基于偏振光栅的动态测量任意光场完整信息的方法及光路，一束准直平行光经样品调制作为物光束，另一束与之相干的准直平行光穿过偏振光栅后转化为周期性偏振结构光作为参考光束；物光束和参考光束经消偏振分光棱镜合束，同时使两光束的夹角所在平面与偏振光栅的栅线平行，并发生离轴干涉；透镜对样品和偏振光栅成像于图像采集器件的记录面，得到一幅复合全息图；利用数字全息术提取全息图中的复振幅分布，即可得到物光束在三维空间中的完整信息。本发明光路具有结构简单、易调节且实时测量精度高等优点，适用于动态测量任意光束的三维完整信息和表征光学偏振样品和元件，也适用于其他复杂物理系统的动态测量及实时监测。

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种基于偏振光栅的动态测量任意光场完整信息的方法及光路。

背景技术

近年来，随着人们对激光认识的不断深入和激光技术应用的发展，通过调控光束的振幅、相位、偏振等参量提出了一系列具有特殊空间分布的新型光束，例如具有螺旋相位的涡旋光束，偏振态依赖空间分布的矢量光束，具有横向自加速和无衍射特性的艾里光束等。这些光束已广泛应用于超分辨率成像、光学微操作、激光微加工、大容量光通信等领域。而周期性偏振结构光场的相关应用依然有待发掘。

精确快速测量光束在三维空间中的完整信息，包括光束的振幅、相位及偏振分布，是发展新型空间结构光束的应用研究的基础。传统的全息术只能测量光场的相位和振幅。而光束偏振态的测量方法主要是利用波片、偏振片的组合，通过记录一系列不同偏振方向的强度图后计算得到光束的偏振分布。这种方法测量过程缓慢且测量误差较大，因此在快速测量瞬态偏振动力学方面面临很大的困难。同时，研究者也提出了利用干涉相移法测量光束的偏振分布，但此类方法只适用于测量标量光束。为了同步测量任意光束的相位和偏振分布，研究者提出利用超表面、亚波长光栅等结构材料，这种测量方法具有测量系统体积小且稳定的优点，但只适用于表征光束的局部分布。综上所述，目前能同时测量光场的完整信息的手段存在诸多局限，测量系统不仅体积庞大，且对所使用的光学元件的质量和精确对准具有很高的要求。

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，本发明提出一种基于偏振光栅的动态测量任意光场完整信息的方法及光路，所述方法利用偏振光栅产生的周期性偏振结构光与被测量光干涉，形成复合全息图，可测量光场在三维空间的振幅、相位和偏振分布。该方法涉及的光路具有结构简单、易调节且实时测量精度高等优点，可实现动态测量。

技术方案

一种基于偏振光栅的动态测量任意光场完整信息的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：一束准直平行光穿过透射样品或反射到反射样品后，作为物光束为E_Ob＝E_L|l+E_R|r，其中E_L、E_R分别表示物光束的左右旋圆偏振分量的复振幅，|l、|r分别表示左、右旋圆偏振的琼斯矢量为

步骤2：另一束与物光束相干的准直平行光穿过偏振光栅，转化为周期性偏振结构光，以作为参考光束为E_Re表示入射平行光的复振幅；

步骤3：物光束与参考光束发生离轴干涉，并使两光束的夹角所在平面与偏振光栅的栅线平行，两束光的相对倾斜相位可表示为exp(ik_ty)；

步骤4：记录得到一幅包含两组正交干涉条纹的复合全息图，其强度分布可表示为：

式中，第一项U₀＝|E_L|²+|E_R|²+|E_Re|²表示物光束和参考光束的总强度，后两项为两光束的正交圆偏振分量的干涉项；