[发明专利]基于涡旋波片的空间调制偏振检测方法

说明书

本发明公开了基于涡旋波片的空间调制偏振检测方法，建立任意偏振光入射时探测面的强度分布同四种特殊偏振光入射时探测面的强度分布之间的关系，所建立理论模型获取四幅探测面的强度分布可实现系统加工和对准误差的标定，简化了空间调制偏振仪的标定步骤，提高了偏振检测效率；提出了混合梯度下降算法来求解最大的光子偏振几率，该方法可实现高精度、快速的偏振态及偏振几率检测，提高了空间调制偏振仪的数据处理效率；结合阈值选通的傅里叶低通滤波技术，本发明方法通过相机单次拍摄可实现强/弱光场下的光子偏振态、光子偏振几率及穆勒矩阵的快速、高精度检测。

技术领域

本发明属于偏振测量的技术领域，具体涉及一种基于涡旋波片的空间调制偏振检测方法。

背景技术

偏振测量用于表征光束的偏振态，光与样品相互作用会改变入射光的偏振态，样品对光的偏振态的改变可用Stokes参量表示，Stokes参量可以分为圆退偏参量、线退偏参量等与样品微结构密切相关的、具有实际物理意义的、可量化的偏振参数，可用于获取样品的偏振特性和结构参数。偏振测量作为光和样品偏振特性分析的重要工具，已经被广泛的应用于生物医学、量子通信、激光雷达等领域典型的偏振仪可分为时序偏振仪、同时偏振仪。时序偏振仪利用延迟器和偏振分析仪、液晶调制器或光弹调制器通过一系列分时测量来获取Stokes参量，这种测量方法无法实现实时的偏振检测。同时测量方法包括分振幅法、分焦面法、分孔径法是一种并行测量方法，将带测光光束分成多个通道进行探测，这些通道可以在空间频域内通过分光器件获得，每个检测通道仅检测某种特定的偏振态。然而上述偏振测量技术需多次器件旋转或多路分光而无法精确测量弱光场偏振信息。

最近，基于涡旋波片的空间调制偏振测量法被提出，该方法具有简单、准确、鲁棒性强等优势。论文文献“Spatially modulated polarimetry based on a vortexretarder and Fourier analysis”使用涡旋二分之一波片将入射光偏振态映射到一幅空间变化的强度分布，通过数据处理算法解算出实验测得强度分布所表征的待测偏振态。然而，由于涡旋二分之一波片物理属性的限制，该偏振仪仅能测量完全偏振光无法测量部分偏振光。论文文献“Single-shot measurement of polarization state at low lightfield using Mueller-mapping star test polarimetry”提出基于涡旋四分之一波片空间调制的偏振仪解决了上述问题，并发展了弱光偏振测方法。由于该方法建立探测面的强度分布同空间调制器Mueller矩阵之间的关系，因此理论模型的标定至少需要20次旋转波片，标定过程步骤复杂耗时。此外，该方法使用直接枚举法求解归一化的最小二乘问题，求解耗时且精度受限于Stokes参量的采样间隔。因此，现有的基于涡旋波片的空间调制偏振测法精度和速度有待进一步提高。上述方法仅适用于偏振态的测量方法，并不适用于弱光场Mueller矩阵测量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于涡旋波片的空间调制偏振检测方法，能够实现强/弱光场下的光子偏振态、光子偏振几率及Mueller矩阵的检测，解决了现有空间调制偏振检测技术测量和标定速度慢，弱光偏振检测精度低的问题。

实现本发明的技术方案如下：

基于涡旋波片的空间调制Stokes检测方法，建立任意偏振光入射时探测面的强度分布同四种特定偏振光探测面的强度分布之间的关系，通过四次旋转偏振器件(旋转3次单快轴波片和1次偏振片)获取所述四种特定偏振光探测面的强度分布，实现检测系统的加工和对准误差的标定；

建立光子偏振态及偏振几率的理论模型，将实验获得的待测光场强度分布输入所述理论模型中，利用混合梯度下降算法求解最大的光子偏振几率及所对应的Stokes参量，所述混合梯度下降算法即为枚举算法—梯度下降算法—枚举算法的结合算法。

进一步地，所述四种特定偏振光探测面为水平、+45度线偏振态和左、右圆偏振态入射时探测面。