专利名称：基于四路分光模块的偏振光特性实时测量装置及方法
技术领域：
本发明涉单光子探测技术和偏振光特性测量技术，具体涉及一种基于四路分光模块的偏振光特性实时测量装置和方法，它适用于偏振光学系统、椭圆偏振测量领域、激光技术和量子通信等与偏振相关的测量与检测领域。
背景技术：
随着人们对光的偏振现象认识与研究的不断深入，偏振信息已逐渐应用于对目标的探测。通过探测目标反射光的偏振信息反演出待测目标的相关信息，可以将待测目标的可测信息量从原有的维数再增加三维，偏振信息已经在地物遥感探测、大气探测、水下探测、天文探测、医学诊断、目标检测、图像处理和军事应用等领域得到广泛应用。
随着单光子探测技术的日趋成熟，高效率的单光子探测器已经在技术上可以实现，单光子探测技术的发展导致单光子偏振应用领域的快速发展，目前基于偏振编码的自由空间量子保密通信就是单光子偏振的一种重要应用之一。在量子光接收、基失标定和基失校正过程中，均会用到量子光偏振检测的手段。传统意义上的偏振态检测设备，实际上是一种光束偏振态分析仪，只是在经典光下检测光束的偏振态，同时在检测的过程中需要旋转某些相位延迟器件，无法实时的测量出未知入射光的偏振特性。这就需要研究一种能以单光子检测为手段，并且不需要旋转相位延迟器件就能实时检测量子光偏振的方法。中国科学院上海技术物理研究所于2011年研制的基于量子接收模块的实时测量偏振光特性的装置，其分光光路对被测光源的偏振特性会造成较大影响；并且光路复杂，安装难度比较大；实时偏振检测算法也相对复杂。本专利提出的基于四路分光的实时偏振光特性检测装置光路相对较简单，基于能量分光对被测光源偏振特性影响较小，而且由线性偏正器能量透过率推导出来的实时检测算法比较简单，从而在偏振光特性实时测量性能上有所提闻。本专利基于偏振光理论，利用能量分光对被测光源的偏振特性造成影响比较小的特性，将被测光源进行能量分光后经过两组正交基的偏振片，对透过偏振片后的分光能量进行计算，获得被测光源的偏振方位角及椭圆率角，从而实现对偏振光特性的测量；由于该方法中对四路偏振光的测量是同时进行的，所以可以实现对被测光源偏振特性的实时测量；并且由于该装置中的功率检测模块可以在经典光和单光子两种两级中切换，所以可以实现不同能级被测光源的检测。
发明内容
本专利的目的是提供一种基于四路分光模块的实时测量偏振光方位角和椭圆率角的装置及方法，克服了现有偏振测量装置在测量过程中耗时较长的问题，测量过程实时性强；并且利用能量分光的方式，避免了分光过程中对被测光源偏振特性的影响；该装置的功率测量模块可以使用经典光功率测量模块，也可以换做单光子功率测量模块，可用于经典光偏振特性实时检测，也可以应用于量子通信中对量子光偏振特性的实时检测；该检测系统的可移植性较强，应用范围较广。本专利利用入射直线偏振片的椭圆偏振光的能量透射率K来计算椭圆偏振光的偏振特性，假设入射椭圆偏振光的椭圆率角为曰，方位角为Q1，直线偏振片的长轴方向与水平夹角为02，那么椭圆偏振光与直线偏振片之间的相对方位角Q = Q1-Q2，由入射直线偏振片椭圆偏振光的能量透射率公式
权利要求
1.一种基于四路分光模块的偏振光特性实时测量装置，它包括四路分光模块(2)、功率检测模块(3)和数据处理模块(4)，其特征在于 1)所述的四路分光模块(2)由第一分光棱镜(2-1)、第二分光棱镜(2-2)、第三分光棱镜(2-3)和O。偏振片(2-4)、90°偏振片(2-5)、45°偏振片(2-6)、-45°偏振片(2-7)组成；分光棱镜的反射率和透射率均为0. 5,反射方向的相位延时小于0.1度；偏振片米用直线偏振片，安装偏振方位角精度0.1度； 2)所述的功率检测模块(3)是四路光功率计组成的经典光功率检测模块，或者是四路单光子探测器和计数器构成的单光子功率检测模块；功率检测模块可以分别在经典光量级或单光子量级下，同时检测四路光源的功率，检测速率0. 5s,检测精度0. 1% ； 3)所述的数据处理模块(4)主要包含硬件和软件两个部分；硬件部分采用电脑或者具有浮点运算功能的可编程器件；软件部分是实时偏振测量软件，主要包括实时数据采集，实时偏振测量算法，数据保存和显示等功能； 测量装置各部件之间连接方式如下 A)四路分光模块(2)与被测光源(I)采用空间耦合方式连接；被测光源(I)经第一分光棱镜(2-1)分为两路、一路经第二分光棱镜(2-2)分成两路光并分别入射至0°偏振片(2-4)和90°偏振片(2-5)，另一路经第三分光棱镜(2-3)分成两路光并分别入射至45°偏振片(2-6)和-45°偏振片(2-7)，由此被测光源被分为四路能量相同、偏振特性不变的光线；0°偏振片(2-4)、90°偏振片(2-5)、45°偏振片(2-6)和-45°偏振片(2-7)分别按照0°、90°、45°和-45°方位角安装好，偏振片的平面与四路分光光路方向垂直，偏振方位角安装精度达0.1度； B)四路分光模块(2)输出的四路偏振光，经耦合镜耦合到四根光纤上，并通过光纤连接到功率检测模块(3)； C)功率检测模块(3)所采集的能量数据通过USB数据线连接到数据处理模块(4)的硬件上。
2.一种基于权利要求1所述的基于四路分光模块的偏振光特性实时测量装置的偏振光特性实时测量方法，其特征在于包括以下步骤 1)测量四路分光模块(2)中光学兀件分光棱镜、偏振片和光纤I禹合效率的参数以及功率检测模块(3)的功率检测效率，测量精度0. 1% ;并将测量参数填入数据处理模块(4)中的实时测量软件中； 2)根据被测光源(I)能量量级选择功率检测模块(3)，如果被测光源是经典光则选择经典光功率检测模块，如果被测光源是量子光则选择单光子功率检测模块； 3)根据被测光源的能量量级选择数据处理模块(4)的数据采集模式，并且设定实时偏振特性测量时长,实时测量速率可达0. 5s ；4)数据处理模块(4)软件部分中的实时偏振特性测量算法利用入射直线偏振片的椭圆偏振光的能量透射率来计算椭圆偏振光的偏振特性；功率检测模块(3)检测到四路分光模块(2)中四路偏振光能量分别为E1,E2，E3和E4，E1,E2, E3和E4是四路光功率计测量的能量值，或者是单光子探测器测量的单光子个数，通过以下公式可以计算出入射光偏振方位角0和椭圆率角3
全文摘要
本发明公开了一种基于四路分光模块的偏振光特性实时测量装置及方法。该系统利用三片分光棱镜将偏振光平均分为四路，再通过功率检测模块实时检测四路光通过四个不同方位角的偏振片后的能量，利用偏振片能量透过率公式可计算出入射光的偏振方位角和椭圆率角，从而达到实时测量的目的。该系统适用于偏振光学系统、椭圆偏振测量领域、激光技术和量子通信等与偏振相关的测量与检测领域。
文档编号G01J4/00GK103017908SQ20121050692
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者张明, 王建宇, 贾建军, 吴金才, 张亮, 陈爽, 刘军 申请人:中国科学院上海技术物理研究所