本發(fā)明涉及一種偏振態(tài)參量的點(diǎn)衍射式數(shù)字全息測(cè)量裝置與方法，屬于偏振態(tài)參量測(cè)量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

偏振態(tài)是描述光波波前特征的重要參量之一，可用stokes矩陣參量、jones矩陣參量等表征，對(duì)其測(cè)量在生物光子學(xué)、非線性光學(xué)、化學(xué)和礦物質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。但傳統(tǒng)的偏振態(tài)測(cè)量裝置只能提供待測(cè)波前傳播方向上固定位置處的偏振信息，且由于不具備二維采樣特性，需頻繁調(diào)整光路和多次曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)參量的測(cè)量。為了提高偏振態(tài)參量參量的測(cè)量效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了很多有益嘗試，其中，數(shù)字全息由于采用干涉方法記錄待測(cè)波前的振幅和相位信息，并通過(guò)數(shù)字方法完成重構(gòu)，為光束的偏振態(tài)參量全場(chǎng)快速測(cè)量提供了可能，從而引起廣泛關(guān)注。

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校的gabrielpopescu等(zhuowang,larryj.millet,marthau.gillette,andgabrielpopescu,"jonesphasemicroscopyoftransparentandanisotropicsamples,"opt.lett.33,1270-1272(2008))利用離軸數(shù)字全息實(shí)現(xiàn)了瓊斯矩陣測(cè)量，但該技術(shù)需要四次曝光采集才能實(shí)現(xiàn)瓊斯矩陣參量測(cè)量，測(cè)量速度受限；同時(shí)因?yàn)椴捎梅蛛x光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力差。

韓國(guó)的yongkeunpark等(youngchankim,joonwoojeong,jaeduckjang,mahnwonkim,andyongkeunpark,"polarizationholographicmicroscopyforextractingspatio-temporallyresolvedjonesmatrix,"opt.express20,9948-9955(2012))等利用共路數(shù)字全息生成載頻正交的全息圖，進(jìn)而通過(guò)兩次曝光采集實(shí)現(xiàn)了瓊斯矩陣參量測(cè)量，在提高抗干擾能力的同時(shí)，提高了測(cè)量效率。但是該方法需要二維光柵和孔陣列匹配，并輔以偏振正交的兩塊偏振片，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且調(diào)整困難。

專利cn104198040b“一種二維瓊斯矩陣參量的全息測(cè)量方法及實(shí)施裝置”利用雙二維光柵分光技術(shù)，結(jié)合頻譜復(fù)用技術(shù)，通過(guò)一次曝光可實(shí)現(xiàn)瓊斯矩陣參量測(cè)量，但該裝置不僅進(jìn)一步增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，而且光利用率，同時(shí)因?yàn)椴捎貌捎梅蛛x光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力差。

南京師范大學(xué)的袁操今等(馬駿，袁操今，馮少彤，聶守平，“基于數(shù)字全息及復(fù)用技術(shù)的全場(chǎng)偏振態(tài)測(cè)試方法”，物理學(xué)報(bào).22,224204(2013))利用偏振和角分復(fù)用技術(shù)，通過(guò)一次曝光可實(shí)現(xiàn)stokes矩陣參量和瓊斯矢量測(cè)量，但是因?yàn)椴捎貌捎梅蛛x光路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力差；同時(shí)受結(jié)構(gòu)限制，偏振態(tài)正交的頻譜在頻譜空間分離有限，進(jìn)而造成串?dāng)_，影響偏振態(tài)參量的測(cè)量精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述技術(shù)的不足之處，將偏振分光調(diào)制技術(shù)和頻譜正交復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定的偏振態(tài)參量的點(diǎn)衍射式數(shù)字全息測(cè)量裝置，且還提供一種滿足和適用上述方法的偏振態(tài)參量的點(diǎn)衍射式數(shù)字全息測(cè)量方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括波長(zhǎng)為λ的光源、偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測(cè)物體，其特征在于：還包括第一透鏡、非偏振分光棱鏡、孔陣列、第二透鏡、偏振分光棱鏡、兩個(gè)雙平面反射鏡、第三透鏡、平面反射鏡、第四透鏡、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)。光源發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制，形成一束線偏振光束，依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測(cè)物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在孔陣列上并被針孔a過(guò)濾后，依次經(jīng)過(guò)第二透鏡和偏振分光棱鏡被分成偏振態(tài)正交的兩束光，偏振態(tài)正交的兩束光分別照射兩個(gè)雙平面反射鏡上并被反射，再次依次經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡、第二透鏡、孔陣列的兩大孔b和非偏振分光棱鏡照射在第四透鏡上；物光經(jīng)過(guò)第三透鏡后照射在第三反射鏡上并被反射，再次依次經(jīng)過(guò)第三透鏡和非偏振分光棱鏡照射在第四透鏡上；匯合在第四透鏡的參考光和物光由圖像的光接收面接收，圖像傳感器的圖像信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)；所述的待測(cè)物體位于第一透鏡的前焦面上；第一透鏡、第二透鏡和第四透鏡構(gòu)成共軛4f系統(tǒng)，第一透鏡、第三透鏡和第四透鏡構(gòu)成共軛4f系統(tǒng)；孔陣列位于第一透鏡和第四透鏡的共軛焦平面上，且針孔a大小與波長(zhǎng)λ在傅里葉平面產(chǎn)生的艾里斑直徑大小d一致，其中d<1.22λf/d、f為第一透鏡和第四透鏡的焦距、d為圖像傳感器的視場(chǎng)寬度，兩大孔b可讓經(jīng)雙平面反射鏡反射回的參考光束全部通過(guò)；雙平面反射鏡位于第二透鏡的共軛后焦平面上，且第一反射鏡調(diào)整參考光在水平方向與光軸成θa角，第二反射鏡調(diào)整參考光在垂直方向與光軸成θb角，或第一反射鏡調(diào)整參考光在垂直方向與光軸成θa角，第二反射鏡調(diào)整參考光在水平方向與光軸成θb角；平面反射鏡位于第三透鏡的后焦平面上；圖像傳感器位于第四透鏡的后焦平面上。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)線偏振片或線偏振片與1/4波片組合實(shí)現(xiàn)。

2.偏振態(tài)參量的點(diǎn)衍射式數(shù)字全息測(cè)量方法，包括偏振態(tài)參量的點(diǎn)衍射式數(shù)字全息測(cè)量裝置，步驟如下：

(1)打開(kāi)光源，射出波長(zhǎng)為λ的光束經(jīng)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制后形成線偏振光，依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測(cè)物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在孔陣列上并被針孔a過(guò)濾后，依次經(jīng)過(guò)第二透鏡和偏振分光棱鏡被分成偏振態(tài)正交的兩束光，分別照射雙平面反射鏡上并被反射，再次依次經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡、第二透鏡、孔陣列的兩大孔b和非偏振分光棱鏡照射在第四透鏡上；物光經(jīng)過(guò)第三透鏡后照射在第三反射鏡上并被反射，再次依次經(jīng)過(guò)第三透鏡和非偏振分光棱鏡照射在第四透鏡上；匯合在第四透鏡的參考光和物光，在圖像傳感器平面上產(chǎn)生干涉形成載頻方向正交的全息圖，并用圖像傳感器采集全息圖上傳到計(jì)算機(jī)中；

(2)測(cè)量stokes矩陣參量時(shí)，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°或-45°線偏振光，采集獲得一幅載頻正交全息圖i；

計(jì)算待測(cè)物體的復(fù)振幅分布得到：

ai(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fi}}

其中：i＝x、y，fi表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作；

得stokes參量矩陣為：

其中：為待測(cè)波面水平方向和垂直方向的相位差；

(3)測(cè)量jones矩陣參量時(shí)，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°或-45°線偏振光，第一次曝光采集獲得第一幅載頻正交全息圖i1；再次調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成-45°(或+45°)線偏振光，第二次曝光采集獲得第二幅載頻正交全息圖i2；

計(jì)算待測(cè)物體的復(fù)振幅分布得：

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中：n＝1、2，i＝x、y，fni表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作；

則待測(cè)物體的jones矩陣參量為：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的基于透射式點(diǎn)衍射數(shù)字全息的偏振態(tài)參量測(cè)量方法有以下特點(diǎn)和有益效果：

1.在透射式點(diǎn)衍射結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，引入偏振分光調(diào)制技術(shù)和頻譜復(fù)用技術(shù)，形成載頻正交的全息圖，并可利用同一裝置完成stokes矩陣參量和瓊斯矩陣參量測(cè)量，在保證抗干擾能力的同時(shí)，不需要二維光柵等特殊光學(xué)元件，方法簡(jiǎn)單易行，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之一；

2.通過(guò)偏振分光調(diào)制技術(shù)將一束45°線偏振光物光分成偏振態(tài)正交的兩束物光，只需利用雙快平面反射鏡放置不同姿態(tài)即可在兩束物光中引入正交載頻，不僅方便靈活，而且可最大限度的避免頻譜間串?dāng)_，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二。

本發(fā)明的裝置有如下顯著特點(diǎn)：

1.本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，不需任何二維光柵等特殊光學(xué)元件；

2.本發(fā)明裝置采用透射式點(diǎn)衍射構(gòu)成共光路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。

附圖說(shuō)明

圖1為基于透射式點(diǎn)衍射數(shù)字全息的偏振態(tài)參量測(cè)量裝置示意圖；

圖2為參考光路中孔陣列示意圖。

圖中：1光源，2偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，3準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，4待測(cè)物體，5第一透鏡，6非偏振分光棱鏡，7孔陣列，8第二透鏡，9偏振分光棱鏡，10和11雙平面反射鏡，12第三透鏡，13第三平面反射鏡，14第四透鏡，15圖像傳感器，16計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

圖1所示的為一種偏振態(tài)參量的點(diǎn)衍射式數(shù)字全息測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖，包括波長(zhǎng)為λ的光源、偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測(cè)物體，該裝置還包括第一透鏡、非偏振分光棱鏡、孔陣列、第二透鏡、偏振分光棱鏡、雙平面反射鏡、第三透鏡、平面反射鏡、第四透鏡、圖像傳感器和計(jì)算機(jī)。

按照光的路徑描述，光源發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制，形成一束線偏振光束，依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測(cè)物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在孔陣列上并被針孔a過(guò)濾后，依次經(jīng)過(guò)第二透鏡和偏振分光棱鏡被分成偏振態(tài)正交的兩束光，分別照射雙平面反射鏡上并被反射，再次依次經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡、第二透鏡、孔陣列的兩大孔b和非偏振分光棱鏡照射在第四透鏡上；物光經(jīng)過(guò)第三透鏡后照射在第三反射鏡上并被反射，再次依次經(jīng)過(guò)第三透鏡和非偏振分光棱鏡照射在第四透鏡上；匯合在第四透鏡的參考光和物光由圖像的光接收面接收，圖像傳感器的圖像信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)；所述的待測(cè)物體位于第一透鏡的前焦面上；第一透鏡、第二透鏡和第四透鏡構(gòu)成共軛4f系統(tǒng)，第一透鏡、第三透鏡和第四透鏡構(gòu)成共軛4f系統(tǒng)；孔陣列位于第一透鏡和第四透鏡的共軛焦平面上，且針孔a大小與波長(zhǎng)λ在傅里葉平面產(chǎn)生的艾里斑直徑大小d一致，其中d<1.22λf/d、f為第一透鏡和第四透鏡的焦距、d為圖像傳感器的視場(chǎng)寬度，兩大孔b可讓經(jīng)雙平面反射鏡反射回的參考光束全部通過(guò)；雙平面反射鏡位于第二透鏡的共軛后焦平面上，且第一反射鏡調(diào)整參考光在水平方向與光軸成θa角，第二反射鏡調(diào)整參考光在垂直方向與光軸成θb角，或第一反射鏡調(diào)整參考光在垂直方向與光軸成θa角，第二反射鏡調(diào)整參考光在水平方向與光軸成θb角；平面反射鏡位于第三透鏡的后焦平面上；圖像傳感器位于第四透鏡的后焦平面上。

偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)可由旋轉(zhuǎn)線偏振片或線偏振片與1/4波片組合實(shí)現(xiàn)。

偏振態(tài)參量的點(diǎn)衍射式數(shù)字全息測(cè)量方法，它的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(1)調(diào)整整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，打開(kāi)光源，射出波長(zhǎng)為λ的光束經(jīng)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制后形成線偏振光，依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、待測(cè)物體、第一透鏡和非偏振分光棱鏡后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在孔陣列上并被針孔a過(guò)濾后，依次經(jīng)過(guò)第二透鏡和偏振分光棱鏡被分成偏振態(tài)正交的兩束光，分別照射雙平面反射鏡上并被反射，再次依次經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡、第二透鏡、孔陣列的兩大孔b和非偏振分光棱鏡照射在第四透鏡上；物光經(jīng)過(guò)第三透鏡后照射在第三反射鏡上并被反射，再次依次經(jīng)過(guò)第三透鏡和非偏振分光棱鏡照射在第四透鏡上；匯合在第四透鏡的參考光和物光，在圖像傳感器平面上產(chǎn)生干涉形成載頻方向正交的全息圖，并用圖像傳感器采集全息圖上傳到計(jì)算機(jī)中；

(2)測(cè)量stokes矩陣參量時(shí)，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，采集獲得一幅載頻正交全息圖i。

計(jì)算待測(cè)物體的復(fù)振幅分布可得

ai(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fi}}

其中，i＝x、y，fi表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作。

從而可得stokes參量矩陣為

其中，為待測(cè)波面水平方向和垂直方向的相位差。

(3)測(cè)量jones矩陣參量時(shí)，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°(或-45°)線偏振光，第一次曝光采集獲得第一幅載頻正交全息圖i1；再次調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成-45°(或+45°)線偏振光，第二次曝光采集獲得第二幅載頻正交全息圖i2；

計(jì)算待測(cè)物體的復(fù)振幅分布可得

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中，n＝1、2，i＝x、y，fni表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c表示頻譜置中操作。

從而可得待測(cè)物體的jones矩陣參量為

下面結(jié)合圖1和圖2對(duì)本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例作詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明的裝置包括：光源1、偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)2、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3、待測(cè)物體4、第一透鏡5、非偏振分光棱鏡6、孔陣列7、第二透鏡8、偏振分光棱鏡9、雙平面反射鏡10和11、第三透鏡12、第三平面反射鏡13、第四透鏡14、圖像傳感器15、計(jì)算機(jī)16，其中光源1為波長(zhǎng)632.8nm激光器；待測(cè)物體4位于第一透鏡5的前焦面上；第一透鏡5、第二透鏡8和第四透鏡14構(gòu)成共軛4f系統(tǒng)，第一透鏡5、第三透鏡12和第四透鏡14構(gòu)成共軛4f系統(tǒng)；第一透鏡5、第二透鏡8、第三透鏡12和第四透鏡的焦距均為f＝200mm；孔陣列7位于第一透鏡5和第四透鏡14的共軛焦平面上，且針孔a大小與波長(zhǎng)λ在傅里葉平面產(chǎn)生的艾里斑直徑大小d一致，其中d＝30μm，兩大孔b可讓經(jīng)雙平面反射鏡10和11反射回的參考光束全部通過(guò)；雙平面反射鏡10和11位于第二透鏡8的共軛后焦平面上，且雙平面反射鏡10調(diào)整參考光在水平方向與光軸成θa角，雙平面反射鏡11調(diào)整參考光在垂直方向與光軸成θb角；平面反射鏡13位于第三透鏡12的后焦平面上；圖像傳感器15位于第四透鏡14的后焦平面上。該裝置光的運(yùn)行路徑為：

光源1發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)2調(diào)制，形成一束線偏振光束，依次經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)3、待測(cè)物體4、第一透鏡5和非偏振分光棱鏡6后形成聚焦的參考光和物光；參考光照射在孔陣列7上并被針孔a過(guò)濾后，依次經(jīng)過(guò)第二透鏡8和偏振分光棱鏡9被分成偏振態(tài)正交的兩束光，分別照射雙平面反射鏡10和11上并被反射，再次依次經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡9、第二透鏡8、孔陣列7的兩大孔b和非偏振分光棱鏡6照射在第四透鏡14上；物光經(jīng)過(guò)第三透鏡12后照射在第三反射鏡13上并被反射，再次依次經(jīng)過(guò)第三透鏡12和非偏振分光棱鏡6照射在第四透鏡14上；匯合在第四透鏡14的參考光和物光，在圖像傳感器15平面上產(chǎn)生干涉形成載頻方向正交的全息圖，并用圖像傳感器15采集全息圖上傳到計(jì)算機(jī)16中。

測(cè)量stokes矩陣參量時(shí)，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°線偏振光，采集獲得一幅載頻正交全息圖i，計(jì)算待測(cè)物體的復(fù)振幅分布可得：

ai(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fi}}

其中，i＝x、y，fi表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c{}表示頻譜置中操作。

從而可得stokes參量矩陣為:

其中，為待測(cè)波面水平方向和垂直方向的相位差。

測(cè)量瓊斯矩陣參量時(shí)，調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成+45°線偏振光，第一次曝光采集獲得第一幅載頻正交全息圖i1；再次調(diào)整偏振態(tài)調(diào)制系統(tǒng)，使輸入光束形成-45°線偏振光，第二次曝光采集獲得第二幅載頻正交全息圖i2；

計(jì)算待測(cè)物體的復(fù)振幅分布可得:

ani(x,y)＝ift{c{ft{i(x,y)}·fni}}

其中，n＝1、2，i＝x、y，fni表示濾波器，ft表示傅里葉變換，ift表示逆傅里葉變換，c{}表示頻譜置中操作。

從而可得待測(cè)物體的瓊斯矩陣參量為:

本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，不需任何二維光柵等特殊光學(xué)元件；本發(fā)明裝置采用透射式點(diǎn)衍射構(gòu)成共光路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。

綜上，本發(fā)明提供一種偏振態(tài)參量的點(diǎn)衍射式數(shù)字全息測(cè)量裝置與方法，屬于偏振態(tài)參量測(cè)量領(lǐng)域。線偏振入射光束被分成聚焦的參考光和物光；參考光照射在孔陣列上并被針孔a過(guò)濾后，依次經(jīng)過(guò)第二透鏡和偏振分光棱鏡被分成偏振態(tài)正交的兩束光，分別照射雙平面反射鏡上并被反射，再次依次經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡、第二透鏡、孔陣列的兩大孔b和非偏振分光棱鏡照射在第四透鏡上；物光經(jīng)過(guò)第三透鏡后照射在第三反射鏡上并被反射，再依次經(jīng)過(guò)第三透鏡和非偏振分光棱鏡照射在第四透鏡上；匯合在第四透鏡的參考光和物光，在圖像傳感器平面上產(chǎn)生干涉形成載頻方向正交的全息圖，并用圖像傳感器采集全息圖上傳到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)獲得stokes矩陣參量和jones矩陣參量。