大口径激光偏振特性测量仪的制作方法

本发明属于光学计量与测量技术领域，具体涉及一种大口径激光偏振特性测量仪，其主要用于大口径激光系统的激光偏振度、偏振方位角以及椭偏率等激光偏振特性参数测量。

背景技术：

偏振是光的一项基本和重要的物理量。偏振测量技术是将传统的目标探测、识别技术与偏振技术相结合，利用光波以及目标的偏振特性进行探测和识别，从而能够有效提高探测和识别精度，该技术有着传统目标探测和识别技术所不具备的巨大优势，近年来偏振测量技术已经在偏振遥感对地观测、偏振光军事伪装目标识别、卫星激光通信、偏振水下目标探测、仿生偏振导航军事领域得到了广泛应用，是目前国际上快速发展的一个研究领域。在这些应用当中，对光的偏振度、偏振方位角以及椭偏率等偏振特性参数进行准确测量是武器装备科研生产顺利进行的基础和保障。其中，偏振度定义为光束中偏振部分的光强度和整个光强度之比，偏振态包括椭偏率和偏振方位角两个参数，描述了偏振光的振动方向以及椭偏情况。

上述各种应用中均有对大口径、工作波长范围宽、大动态范围的偏振特性参数精确测量的需求。

激光偏振度的测量，中国专利cn101793556b公布了一种利用多缝衍射法测量偏振态的装置及方法，该装置将偏振片覆盖二元光栅的一部分，然后沿光路方向依次固定偏振片、二元光栅、凸透镜和ccd探测器，平行入射光照射在二元光栅上，平行入射光透过二元光栅在ccd探测器成像，形成衍射条纹，再根据衍射理论，对衍射条纹拟合得到平行入射光的偏振态。该装置的不足之处是装置系统中的二元光栅较为昂贵且口径无法做到所需尺寸，从原理上无法对大口径激光系统进行测量，同时工作波长范围窄、动态范围相对较小，不能满足上述应用中偏振特性参数的测量需求。

中国专利cn102435421a公布了一种半导体激光器偏振测试方法及其测试系统，该装置利用振幅分割原理，把入射光分成四份后分别经过对应的四个探测器，在已知每个探测器对入射光的响应系数和整个系统的仪器矩阵下，可以计算出入射光的斯托克斯矢量。该装置的不足之处是对装置系统中的分光器件及探测器位置摆放极为严格，并且被测大口径激光的功率不能很低，否则信噪比太低，工作波长范围较窄、动态范围相对较小，同时测量精度较低，不能满足上述应用中偏振特性参数的测量需求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术存在的问题，如何提供一种具有大口径、工作波长范围宽、大动态范围、偏振特性参数精确测量等主要功能和特点的大口径激光偏振特性测量仪。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种大口径激光偏振特性测量仪，所述大口径激光是指被扩束后的激光；所述大口径激光所应用的激光系统为激光光束被扩束后的激光系统；

所述大口径激光偏振特性测量仪包括：聚焦光学系统1、激光偏振特性测量仪探测器2和激光偏振特性测量仪控制器3；

所述聚焦光学系统1用于对待测大口径激光进行对准和无畸变聚焦，将待测大口径激光会聚到激光偏振特性测量仪探测器2的入射口；

所述激光偏振特性测量仪探测器2用于对入射的待测大口径激光进行调制，将入射的待测大口径激光由光信号转变为电信号，并且对电信号进行滤波处理，然后将电信号传输给激光偏振特性测量仪控制器3；

所述激光偏振特性测量仪控制器3用于对大口径激光偏振特性测量仪探测器2输出的电信号进行信号放大、a/d转换、傅里叶信号处理，输出最终数字信号，并通过usb接口与计算机进行数据传送。

其中，所述聚焦光学系统1包括：第一非球面反射镜1-1、第二非球面反射镜1-3、平面反射镜1-2、会聚镜组1-4、待测激光入口1-5；

所述第一非球面反射镜1-1、第二非球面反射镜1-3共同作用于由待测激光入口1-5进入的大口径高偏振度的待测平行光，即待测大口径激光，使其会聚并保证光束质量，从而满足大口径激光偏振特性测量的需要；

所述平面反射镜1-2在光路中处于第一非球面反射镜1-1、第二非球面反射镜1-3之间，用于光路的折叠；

所述会聚镜组1-4用于将待测光束传递至激光偏振度探测器2。

其中，所述第一非球面反射镜1-1为大口径离轴抛物面反射镜。

其中，所述第二非球面反射镜1-3为离轴抛物面反射镜。

其中，所述激光偏振特性测量仪探测器2包括：光电编码器2-1、1/4波片2-2、固定偏振棱镜2-3、探测器2-4、直驱电机2-5、皮带轮2-6以及探测器接口2-7；

其中，所述1/4波片2-2、固定偏振棱镜2-3的光轴设置为与聚焦光学系统1的光轴重合；所述1/4波片2-2用于对入射激光的偏振方向和椭偏率进行控制；所述固定偏振棱镜2-3用于仅透射与固定偏振棱镜2-3光轴方向相同的偏振光分量；

所述光电编码器2-1采用旋转增量式光电编码器作为位置编码器；光电编码器2-1通过光电转换装置将输出轴的角度变化转换成脉冲信号，从而对直驱电机2-5进行高精度角度检测；

所述光电探测器2-4设置于固定偏振棱镜2-3后端，用于对光功率进行测量，其探测器接口2-7连接激光偏振特性测量仪控制器3；

所述直驱电机2-5通过皮带轮2-6带动1/4波片2-2进行旋转。

其中，所述固定偏振棱镜2-3的消光比设置为优于1×10^-5。

其中，采用si光电探测器对光信号进行测量。

其中，所述激光偏振特性测量仪控制器3包括：主控单元、信号放大处理单元、采集电路、电机控制单元和usb通信单元；

其工作原理为：主控单元通过电机控制单元控制直驱电机2-5，直驱电机2-5带动1/4波片2-2，以满足对入射激光调制以及偏振度的测试要求，同时直驱电机2-5将带动光电编码器2-1，满足直驱电机2-5旋转角度和旋转频率的测试；

当光电探测器2-4接收到光信号后，信号放大处理单元将信号进行放大，采集电路采集后输入主控单元进行实时处理；然后存储和显示计算结果；

如需计算机进行处理，可通过usb通信单元进行连接，usb通信单元既可传输原始数据，也可传输主控单元处理后的数据。

其中，所述计算机对获取的数据作分析处理，计算出偏振特性参数，并在计算机上显示。

其中，所述偏振特性参数包括：偏振度、椭偏方位角以及椭偏率。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：

(1)本发明采用了反射式离轴抛物面反射镜聚焦光学系统对大口径激光光束进行聚焦，避免了透射式光学元件由于材料自身的缺陷对测量光束偏振状态的影响，离轴抛物面反射镜采用小角度入射，聚焦光学系统具有自准直系统确保测量光束入射角小于1.3°，反射对测量光束偏振状态的影响非常小，因此，离轴抛物面式反射光学系统不会对测量光束偏振状态造成影响。

(2)本发明采用消色差的1/4波片实现对测量光束的相位延迟，消色差1/4波片由石英晶体和mgf2晶体作为材料制成，由于两种材料的色散不一样，因此可以在0.35μm～2.1μm波长范围内实现较为均匀的精确相位延迟，并且其对温度变化不敏感。消色差的1/4波片使测量系统得到了简化，并且能够有效抑制环境温度变化对测量结果的影响，提高测量精度。

(3)本发明解决了目前大口径激光偏振特性测量的难题，具有测量准确度高，应用前景广的特点。

附图说明

图1是本发明大口径激光偏振特性测量仪系统构成示意图。

图2是图1所示中聚焦光学系统的组成示意图。

图3是图1所示中激光偏振特性测量仪探测器的组成示意图。

图4是图1所示中激光偏振特性测量仪控制器的组成示意图。

图5是本发明中大口径激光偏振特性测量仪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。

为解决现有技术问题，本发明提供一种大口径激光偏振特性测量仪，所述大口径激光是指被扩束后的激光；所述大口径激光所应用的激光系统为激光光束被扩束后的激光系统；

如图1所示，所述大口径激光偏振特性测量仪包括：聚焦光学系统1、激光偏振特性测量仪探测器2和激光偏振特性测量仪控制器3；

如图2所示，所述聚焦光学系统1用于对待测大口径激光进行对准和无畸变聚焦，将待测大口径激光会聚到激光偏振特性测量仪探测器2的入射口，扩展了激光偏振特性测量仪探测器2的接收口径；

如图3所示，所述激光偏振特性测量仪探测器2是大口径激光偏振特性测量仪的核心，用于对入射的待测大口径激光进行调制，将入射的待测大口径激光由光信号转变为电信号，并且对电信号进行滤波处理，然后将电信号传输给激光偏振特性测量仪控制器3，同时需要保证不受外界空气、振动的干扰；

如图4所示，所述激光偏振特性测量仪控制器3用于对大口径激光偏振特性测量仪探测器2输出的电信号进行信号放大、a/d转换、傅里叶信号处理，输出最终数字信号，并通过usb接口与计算机进行数据传送。

其中，如图2所示，所述聚焦光学系统1包括：第一非球面反射镜1-1、第二非球面反射镜1-3、平面反射镜1-2、会聚镜组1-4、待测激光入口1-5；

所述第一非球面反射镜1-1、第二非球面反射镜1-3共同作用于由待测激光入口1-5进入的大口径高偏振度的待测平行光，即待测大口径激光，使其会聚并保证光束质量，从而满足大口径激光偏振特性测量的需要；

所述平面反射镜1-2在光路中处于第一非球面反射镜1-1、第二非球面反射镜1-3之间，用于光路的折叠；

所述会聚镜组1-4用于将待测光束传递至激光偏振度探测器2。在本优选实施例中，大口径离轴抛物面反射镜1-1的口径220mm，焦距为2000mm，离轴量为300mm，表面镀银反射膜，面型精度pv优于λ/2λ＝0.632μm，因此可确保大口径离轴抛物面反射镜1-1镀银表面处入射光与出射光之间的夹角小于6.5°，从而经过大口径离轴抛物面反射镜反射后就形成了残余偏振度非常低的会聚光束。

其中，所述第一非球面反射镜1-1为大口径离轴抛物面反射镜。

其中，所述第二非球面反射镜1-3为离轴抛物面反射镜。

其中，如图3所示，所述激光偏振特性测量仪探测器2包括：光电编码器2-1、1/4波片2-2、固定偏振棱镜2-3、探测器2-4、直驱电机2-5、皮带轮2-6以及探测器接口2-7；

其中，所述1/4波片2-2、固定偏振棱镜2-3的光轴设置为与聚焦光学系统1的光轴重合；所述1/4波片2-2用于对入射激光的偏振方向和椭偏率进行控制；所述固定偏振棱镜2-3用于仅透射与固定偏振棱镜2-3光轴方向相同的偏振光分量；

所述光电编码器2-1采用旋转增量式光电编码器作为位置编码器；光电编码器2-1通过光电转换装置将输出轴的角度变化转换成脉冲信号，从而对直驱电机2-5进行高精度角度检测；

所述光电探测器2-4设置于固定偏振棱镜2-3后端，用于对光功率进行测量，其探测器接口2-7连接激光偏振特性测量仪控制器3；

所述直驱电机2-5通过皮带轮2-6带动1/4波片2-2进行旋转。

其中，所述固定偏振棱镜2-3的消光比设置为优于1×10^-5。

其中，采用si光电探测器对光信号进行测量。

在本优选实施例中，采用si光电探测器对光信号进行测量，能够满足0.35μm～1.1μm波段光信号的探测，采用ingaas探测器对光信号进行测量，能够满足0.9μm～2.2μm波段光信号的探测，放大电路应该具有线性度好、动态范围可达10⁵。

其中，如图4所示，所述激光偏振特性测量仪控制器3包括：主控单元、信号放大处理单元、采集电路、电机控制单元、cpld控制单元、电源模块和usb通信单元；

其工作原理为：主控单元通过电机控制单元控制小型直驱电机2-5，直驱电机2-5带动1/4波片2-2，以满足对入射激光调制以及偏振度的测试要求，同时直驱电机2-5将带动光电编码器2-1，满足直驱电机2-5旋转角度和旋转频率的测试；

当光电探测器2-4接收到光信号后，信号放大处理单元将信号进行放大，采集电路采集后输入主控单元进行实时处理；然后存储和显示计算结果；

如需计算机进行处理，可通过usb通信单元进行连接，usb通信单元既可传输原始数据，也可传输主控单元处理后的数据，操控软件与硬件平台模式设置相同即可。

其中，所述计算机对获取的数据作分析处理，计算出偏振特性参数，并以邦加球以及数值的显示方式在计算机上显示。

其中，所述偏振特性参数包括：偏振度、椭偏方位角以及椭偏率。

所述大口径激光偏振特性测量仪采集不同波长、不同偏振方向的偏振光对应的输入电压信号，依据斯托克斯公式计算出被测激光的斯托克斯参数。

进一步的优选方案，所述一种大口径激光偏振特性测量仪，其特征在于：所述聚焦光学系统采用反射式离轴抛物面反射镜聚焦光学系统；利用金属膜对偏振光入射角不敏感的特点，离轴抛物面反射镜聚焦光学系统表面镀金属反射膜；利用金属膜理论计算离轴抛物面反射镜的偏振度；利用实验验证离轴抛物面反射镜的偏振度满足对聚焦光学系统低残余偏振的要求，实现大口径激光偏振特性测量。

进一步的优选方案，所述一种大口径激光偏振特性测量仪，其特征在于：所述旋转1/4波片和固定偏振棱镜利用结构设计和精密装调，减小1/4波片快慢轴方位角与固定偏振棱镜偏振方向的初始夹角的偏差，确保从1/4波片与固定偏振棱镜之间的夹角定位准确；确保激光偏振度、椭偏率以及椭偏方位角的测量精度。

进一步的优选方案，所述一种大口径激光偏振特性测量仪，其特征在于：所述固定偏振棱镜采用消光比优于1×10^-5的格兰汤姆逊偏振棱镜；同时精确控制固定偏振棱镜的垂轴，避免激光斜入射对偏振度测量结果的影响；确保激光偏振度、椭偏率以及椭偏方位角的测量精度。

进一步的优选方案，所述一种大口径激光偏振特性测量仪，其特征在于：所述大口径激光偏振特性测量仪探测器内部的光电编码器采用旋转增量式光电编码器作为位置编码器。光电编码器通过光电转换装置将输出轴的角度变化转换成脉冲信号，从而对直驱电机进行高精度角度检测；确保激光偏振度、椭偏率以及椭偏方位角的测量精度。

其中，计算机处理系统4装有大口径激光偏振特性测量仪测量软件包。测量软件包按功能划分，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，判断与系统连接的电机和数据采集卡等重要器件连接是否正常，对电机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、样品名称等信息；设置运动控制器的丝杠导程、传动比及细分数等参数。

系统控制模块的功能包括，让待测光依次通过匀速旋转的1/4波片和1个固定偏振方向的线偏振片，波片的角速度为ωqwp，用光电探测器连续采集并测量透过线偏振器的光信号，通过探测器输出信号进行傅里叶变化分析，从而获得待测光的偏振特性。

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，即测量光束分别为所有偏振状态的电压值。

数据处理模块的功能是，根据探测器接收到的光强i(t)既包括二倍频分量，也包含4倍频分量以及直流分量，光强i(t)与待测光的斯托克斯参数以及1/4波片调制频率之间满足，

用傅里叶变化算法对该交流电信号进行分析，就能获得二倍频、四倍频以及直流各分量的振幅，则通过以下各式就能获得偏振度dop、偏振方位角ε、椭偏率θ等参数。

存储模块的功能是，存储测量过程中的测量数据，并将偏振度测量结果存储为excel文件，便于对测量结果进行进一步分析和评估处理。

偏振度测量软件包的工作流程见图5所示。

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。