一种二维琼斯矩阵参量的全息测量方法及实施装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种二维琼斯矩阵参量的全息测量方法及实施装置，对两束互不相干的激光进行衍射分光，将分光后的两束零级衍射光转变成振动方向正交的线偏振光照射到偏振敏感样品上，透过样品后成为包含样品偏振信息的物光波；同时对两光源的一级衍射光进行滤波，各自保留两束一级衍射光并将其分别转变成振动方向与零级衍射光偏振方向成+45度和-45度的线偏振光，这四束线偏振光作为参考光与物光波干涉，形成包含物光波的振幅、相位和偏振信息的四通道琼斯矩阵全息图，进行数据处理得到偏振敏感样品二维琼斯矩阵全部四个矩阵元的复振幅分布。本发明测量效率高，只需要一步测量就能提取出待测样品琼斯矩阵全部四个参数的复振幅空间分布。
【专利说明】一种二维琼斯矩阵参量的全息测量方法及实施装置

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种二维琼斯(Jones)矩阵参量的全息测量方法及实施装置。

【背景技术】
[0002]当一束光通过偏振敏感材料后，除了振幅和相位会发生变化,它的偏振态也会发生改变。一般情况下，透过偏振敏感材料的光场E°ut和入射光场Ein之间的关系可以表示为:

【权利要求】
1.一种二维琼斯矩阵参量的全息测量方法，其特征是，包括以下步骤: (1)采用两个互不相干的光源S1、S2作为测量光源； (2)从SI和S2发出的光束首先分别通过两个正交光栅CGl和CG2的衍射，然后再通过一个偏振分光镜分成两路:一路为物波光路，另一路为参考光路； (3)在物波光路中，用一个低通滤波器挡住来自CGl和CG2的衍射光束中的高级衍射光，只让其中的零级衍射光通过作为照明光照射到被测样品上，该照明光包含了两个正交的偏振分量Al和A2，分别来自光源SI和S2 ； (4)在参考光路中，用一个四通道偏振空间滤波器先对来自CGl和CG2的衍射光束进行空间滤波，保留其中的四束一级衍射光作为参考光，再通过两组与物波光路中照明光的偏振分量分别成+45度角和一 45度角的正交线偏振器使四束参考光变成两两正交的线偏振光; (5)物波光路中照明光透过被测样品产生的物光和参考光路中的四个偏振参考光通过一个非偏振分光棱镜耦合在记录平面叠加形成包含物波的振幅、相位和偏振信息的强度图样，称为四通道琼斯矩阵全息图；用图像传感器记录所述全息图，对所记录的全息图进行数据处理，得到被测样品的二维琼斯矩阵所有四个参量的复振幅分布。
2.如权利要求1所述的全息测量方法，其特征是，所述步骤(4)中，其具体方法为:在参考光路中，用一个四通道偏振空间滤波器挡住来自CGl和CG2的衍射光束中的零级衍射光，且只让四束一级衍射光Rll，R12，R21和R22通过作为记录四通道角分复用全息图的四束参考光，其中两束一级衍射光Rll和R12是光源SI通过光栅CGl的一级衍射光，另两束一级衍射光R21和R22则是光源S2通过光栅CG2的一级衍射光；再通过两组与物波光路中照明光的偏振分量Al、A2分别成+45度角和一 45角的正交线偏振器使四束参考光变成两两正交的线偏振光。
3.如权利要求1所述的全息测量方法，其特征是，所述步骤(5)中，数据处理过程，包括以下处理步骤: (I)输入由图像传感器记录的干涉图样，即四通道琼斯矩阵全息图； (II)计算四通道琼斯矩阵全息图的空间频谱； (III)从全息图的空间频谱中提取物波和参考波的一组互相关项的频谱信息，再利用二维傅里叶逆变换将其变换到空域； (IV)确定琼斯矩阵参量。
4.如权利要求3所述的全息测量方法，其特征是，所述步骤(1)中，干涉图样的总强度分布为:
其中，Jxx, Jxy, Jyx和Jyy是四个待测量的琼斯矩阵参量，用来表征样品的偏振敏感特性。
5.如权利要求4所述的全息测量方法，其特征是，所述步骤(1)中，干涉图样的总强度分布改写为/ = Z0 +? +^+?+^+?+?+?，其中:
1O = I AJxx I 2+ I AJyx I 2+ I A2Jxy I 2+ I A2Jyy I 2
+ |Rll|2+|R2l|2+lR12|2+lR22|2，
Y11 = A1Rni(Jx^Jyx)
Y12 = A1R1^(Jxx-Jyx)
Y21 = A2R21* (Jxy+Jyy)
X 22 一 A2R22 (Jxy-Jyy)， 上述公式中的上标“P表示复共轭运算。
6.如权利要求3所述的全息测量方法，其特征是，所述步骤(IV)中，待测量的琼斯矩阵参量则由下式确定:
其中，==AX2Y22, Y^l = A1Rll, ^ =-44，它们的取值可从未放置样品时记录的背景琼斯矩阵全息图中提取出来。
7.基于权利要求1-6中任一项所述的实施装置，其特征是，包括光源系统、光栅衍射系统、干涉系统、记录系统和数据处理系统；所述光源系统包括两个互不相干的光源SI和S2，由SI和S2发出的两束光先分别经过由两个二维正交光栅CGl和CG2组成的衍射系统衍射后，再通过一个偏振分光镜分别进入干涉系统的物波光路和参考光路；在物波光路中，通过低通滤波只保留从衍射系统出射的零级衍射光作为照明光入射到样品上，透过样品后形成包含样品偏振信息的物光波；在参考光路中，利用一个四通道偏振空间滤波器进行滤波处理和偏振处理，只保留从衍射系统出射的四束一级衍射光作为参考光波；物光波与参考光波通过一个非偏振分光镜在记录平面叠加，叠加光场由记录系统记录，得到包含物光波的振幅、相位和偏振信息的四通道琼斯矩阵全息图，利用数据处理系统对记录的全息图进行数据处理得到样品的二维琼斯矩阵全部四个矩阵参量的振幅和相位分布。
8.如权利要求7所述的实施装置，其特征是，所述干涉系统，为马赫-曾德干涉系统，包括一个入射偏振分光镜、一个出射非偏振分光镜、两个反射镜、稱合变换透镜、低通空间滤波器和四通道偏振空间滤波器；入射偏振分光镜将进入干涉系统的光线分成两组偏振态正交的线偏振光分别入射到样品光路和参考光路，出射非偏振分光镜对形成的物光波和参考光波进行汇聚出射。
9.如权利要求7所述的实施装置，其特征是，所述物波光路的照明光，包括通过两个二维正交光栅CGl和CG2形成的两束零级衍射光，这两束零级衍射光均为线偏振光且偏振方向互相垂直。
10.如权利要求7所述的实施装置，其特征是，所述四通道偏振空间滤波器的滤波处理和偏振处理，是指先通过四通道偏振空间滤波器对进入参考光路的光进行滤波，只让通过两个正交光栅形成的多束一级衍射光中的四束通过，其中两束来自正交光栅CGl，另两束来自CG2 ;然后再通过四通道偏振空间滤波器所附的两组与样品光路中照明光的偏振分量Al或A2分别成+45度角和一 45角的正交线偏振器使四束参考光变成两两正交的线偏振光。
【文档编号】G01J4/00GK104198040SQ201410494927
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】国承山, 刘轩, 王本义, 谢一言 申请人:山东师范大学