[发明专利]基于四路分光模块的偏振光特性实时测量装置及方法

说明书

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。

技术背景

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高。

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κ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β，方位角为θ₁，直线偏振片的长轴方向与水平夹角为θ₂，那么椭圆偏振光与直线偏振片之间的相对方位角θ=θ₁-θ₂，由入射直线偏振片椭圆偏振光的能量透射率公式：

κ=12(1+cos2βcos2θ)]]>

可以得知，如果改变偏振片的长轴方向，测得在偏振片长轴方向不同角度度下的椭圆偏振光的能量大小，即可得到不同偏振片长轴方向下的能量透过率的公式，通过这些公式即可计算出入射光的偏振方位角θ₁和椭圆率角β。

实际测量中，我们可以首先测出入射偏振光的能量，再测得透过偏振片后的入射光能量来计算出κ值；但是实时测量时不方便测量入射光的能量，所以需要至少测得三组不同相对方位θ下的透射能量才能完全计算出入射光的偏振方位角θ₁和椭圆率角β。