[发明专利]基于自干涉共路数字全息的琼斯矩阵参量同步测量装置与方法

说明书

本发明提供一种基于自干涉共路数字全息的琼斯矩阵参量同步测量装置与方法，属于偏振态参量测量领域，45°线偏振正交的两光束由第一非偏振分光棱镜汇合成一束入射光，经过测量窗口、待测物体、第二双线偏振片、第一透镜和第二非偏振分光棱镜形成两束光；一束光被平面反射镜反射；另一束光经第三非偏振分光棱镜后分成两束光，分别被第一角反射镜和第二角反射镜反射；经过反射的光束再次经过第二非偏振分光棱镜汇合成一束，经过第二透镜、光阑以及第一偏振分光棱镜后，形成两幅载频正交的全息图，经图像传感器采集到计算机并计算获得琼斯矩阵参量。在提高系统抗干扰能力同时，只需一次测量即可实现琼斯矩阵参量恢复，且无需二维光栅等特殊元件，简单易行。

技术领域

本发明涉及一种基于自干涉共路数字全息的琼斯矩阵参量同步测量装置与方法，属于偏振态参量测量领域。

背景技术

偏振态是描述光波波前特征的重要参量之一，对其测量在生物光子学、非线性光学、化学和矿物质学等领域具有重要的科学意义和应用价值。但传统的偏振态测量方法多只能定量测量斯托克斯矩阵参量等偏振态信息，而无法直接测量物体的琼斯矩阵信息。但斯托克斯矩阵参量无法描述光偏振的场信息，且只适合非相干光波叠加，而相干光波叠加则必须琼斯矩阵形式处理。为了实现琼斯矩阵参量的测量，国内外学者作了很多有益尝试，其中，数字全息由于采用干涉方法记录待测波前的振幅和相位信息，并通过数字方法完成重构，为光束的偏振态参量全场快速测量提供了可能，从而引起广泛关注。

美国伊利诺伊大学香槟分校的Gabriel Popescu等(Zhuo Wang,Larry J.Millet,Martha U.Gillette,and Gabriel Popescu,Jones phase microscopy of transparentand anisotropic samples,Opt.Lett.33,1270-1272(2008))利用离轴数字全息实现了琼斯矩阵测量，但该技术需要四次曝光采集才能实现琼斯矩阵参量测量，测量速度受限，同时测量过程需精确控制输入、输出偏振器件的转动，测量精度受限；同时因为采用分离光路结构，抗干扰能力差。

南京师范大学的袁操今等(马骏，袁操今，冯少彤，聂守平，“基于数字全息及复用技术的全场偏振态测试方法”，物理学报.22,224204(2013))利用偏振和角分复用技术，通过一次曝光可实现斯托克斯矩阵参量和琼斯矢量测量，但是该方法受结构限制，偏振态正交的频谱在频谱空间分离有限，仍存在频谱串扰影响偏振态参量的测量精度的问题；为实现琼斯矩阵参量测量，还需精确控制输入、输出偏振器件的转动，通过两次曝光完成测量；同时，因为采用分离光路结构，抗干扰能力差。

韩国的YongKeun Park等(Youngchan Kim,Joonwoo Jeong,Jaeduck Jang,MahnWon Kim,and YongKeun Park,Polarization holographic microscopy for extractingspatio-temporally resolved Jonesmatrix,Opt.Express 20,9948-9955(2012))等利用离轴共路数字全息生成载频正交的全息图，进而通过两次曝光采集实现了琼斯矩阵参量测量，在提高测量效率的同时，提高了系统抗干扰能力。但是该方法仍需要两次曝光采集，同时需要二维光栅和孔阵列匹配，并辅以偏振正交的两块偏振片，不仅结构复杂，而且调整困难。

专利CN 104198040 B“一种二维琼斯矩阵参量的全息测量方法及实施装置”利用双激光照明技术和正交二维光栅衍射分光技术，结合频谱角分复用技术，通过一次曝光可实现琼斯矩阵参量测量，但需要正交二维光栅衍射分光，不仅光利用率低，而且需与空间滤波孔阵列精确对准，进一步增加了系统复杂度；因为采用频谱角分复用技术，频谱在频谱空间分离有限，不可避免造成串扰，进而影响偏振态参量的测量精度；同时，因为采用采用分离光路结构，抗干扰能力差。

发明内容