一种基于硅基液晶的偏振检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于硅基液晶的偏振检测系统及方法，所述偏振检测系统包括检偏器、光探测器、硅基液晶驱动模块、控制单元和用于相位调制的硅基液晶，硅基液晶在硅基液晶驱动模块的驱动下对待测光进行相位调节，获取一系列偏振光，通过对这一系列偏振光的分析获取待测光的偏振信息，包括竖直方向与水平方向的振幅及相位差。本发明专利技术的系统在精确可编程控制下，进行偏振态检测与控制，不受类似于波片的波长敏感性制约；且本发明专利技术采用硅基液晶进行相位调制，响应时间得到显著优化；同时还具有光偏振态检测与控制一体化实现的特点，具有广泛的应用场景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅基液晶的偏振检测系统及方法
本专利技术属于光学领域中偏振态检测与偏振控制
，更具体地，涉及一种基于硅基液晶的偏振检测系统及方法。
技术介绍
偏振是光的基本特性之一，偏振光已经有了广泛的应用，如3D电影、LCD显示技术、高清摄影技术、光通信领域的偏振复用技术等；在偏振光应用的各领域中，均涉及对光的偏振态进行检测或控制。例如，光纤通信系统中需要评估一段光纤或者一套通信系统的偏振模色散，其中第一步即需要精确检测传输信号的偏振信息，然后才能进行后续的分析。在其他的光学仪器中，如MZ干涉仪，偏振分光镜，偏振控制器等偏振相关的器件，光的偏振态也是影响仪器工作性能的重要参数，需要对光的偏振态做出分析。硅基液晶是一种很好的与偏振相关的器件，用于对光进行偏振选择性的相位调制，相位调制深度由施加在硅基液晶上的驱动电压所控制，且可以通过实时改变驱动电压实现实时的相位控制。现有的偏振检测系统中，一般应用到了波片。例如申请公布号为CN103616077A的专利申请文件中所涉及的偏振态检测系统，由可旋扇形光阑、两个波片、液晶空间光调制器、反射镜、竖直偏振片、CCD相机以及计算机组成。然而，进一步的研究表明，这种采用了波片的偏振检测系统，由于波片的波长相关性特性，使得偏振态检测系统的应用场景受到波长限制；故在相关领域有必要对现有偏振检测系统做出进一步改进，以获得应用场景更为广泛，结构更为简单的检测系统。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于硅基液晶的偏振检测系统及方法，其目的在于通过硅基液晶的可控相位调制以实现光束偏振态的检测与控制，由此解决现有偏振检测系统应用场景受限的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于硅基液晶的偏振检测系统，所述偏振检测系统包括硅基液晶(LiquidCrystalonSilicon，LCOS)、硅基液晶驱动模块、检偏器、光探测器(photondetector，PD)和控制单元；所述硅基液晶、所述检偏器和所述光探测器依次置于待测光束的直线方向上,均设置于所述待测光束的准直范围内；所述硅基液晶的控制端连接硅基液晶驱动模块的输出端，所述硅基液晶驱动模块的输入端连接所述控制单元的输出端，所述控制单元的输入端连接所述光探测器的输出端；所述硅基液晶接收入射的待测光，在所述硅基液晶驱动模块的控制下对所述待测光进行相位加载后输出第一光束，所述检偏器滤除所述第一光束中与检偏器通光方向垂直方向上的光后输出第二光束；所述光探测器探测所述第二光束的强度，并对其进行光电转换后反馈给所述控制单元；所述控制单元进行数据分析后获得偏振态参数；所述硅基液晶驱动模块根据控制单元发出的控制信号驱动硅基液晶对入射光加载相位。优选的，所述基于硅基液晶的偏振检测系统中，所述硅基液晶、检偏器和光探测器均设置于待测光束的中心轴线上。按照本专利技术的另一方面，提供了一种偏振控制的方法，所述方法采用本专利技术提供的基于硅基液晶的偏振检测系统，根据检测到的偏振信息与用户需求，在硅基液晶加载相位以改变入射光偏振态，获取具有可调偏振态的出射光。按照本专利技术的又一方面，提供了一种光学元件偏振特性检测的方法，所述方法采用本专利技术提供的基于硅基液晶的偏振检测系统，将待测光学元件置于硅基液晶与检偏器之间，处于硅基液晶与检偏器的中心轴线上；光源发出偏振态确定的偏振光，经过所述偏振检测系统进行相位调制并滤除与检偏器通光方向垂直方向上的光，获取出射光束，并通过控制单元获取所述出射光束的偏振信息，将所述出射光束偏振信息与入射光束偏振信息进行比对后获得待测光学元件的偏振特性。按照本专利技术的又一方面，提供了一种基于硅基液晶的偏振检测方法，在所述偏振检测方法中采用琼斯矩阵法描述光的偏振态，所述偏振态用沿着竖直方向振动的P偏振分量和沿着水平方向振动的S偏振分量的振幅以及两个方向偏振分量的相位差来表征；所述方法包括以下步骤：(1)通过在入射到硅基液晶的待测光束的P偏振分量上加载0到2π的相位θ，来改变入射光的偏振态，获得一系列偏振光；(2)滤除所述一系列偏振光中与检偏器通光方向垂直方向上的光；(3)由光探测器探测得到经步骤(2)过滤后的光的光强度值I；(4)根据所述光强度值I与加载的相位θ构成的离散坐标点获取θ-I曲线；(5)获取θ-I曲线上两个波谷的坐标(θi，Ii)，θi表示Ii光强度下加载的相位，i＝1或2；(6)根据步骤(5)确定的θi，获取P,S两偏振分量的相位差；(7)根据步骤(6)获取的相位差、步骤(1)中加载的相位及加载相位所对应的光强度值，获取P,S两偏振分量振幅。优选地，所述步骤(6)获取P,S两偏振分量相位差的方法具体如下：(6.1)获取第一波谷(θ1，I1)的相邻点(θm，Im)，第二波谷(θ2，I2)的相邻点(θn,In)，m不等于n；(6.2)比较(θm，Im)与(θn,In)两个点光强度值的大小；(6.3)若(θm，Im)点的光强度值大于(θn,In)点的光强度值，则两偏振分量相位差为2π-θ1；如果(θm，Im)点的光强度值小于(θn,In)点的光强度值，则两偏振分量相位差为π-θ1。优选地，所述步骤(7)获取P,S两偏振分量振幅的方法具体如下：(7.1)建立待测光束经硅基液晶进行相位加载后输出光束的轨迹的数学模型：其中，Ex为P方向电场强度，Ey为S方向电场强度，a为P偏振分量振幅，b为S偏振分量振幅；为待测光束P偏振分量与S偏振分量的相位差，θ为加载的相位；(7.2)将检偏器的通光方向设置成与X轴正半轴方向成α角度，与Y轴正半轴方向成(90°-α)角度；根据检偏器的通光方向获取检偏器输出光束的Y轴方向电场强度Ey与X轴方向电场强度Ex的关系为Ey＝(tanα)Ex；所述X轴方向为水平方向,X轴正半轴方向为水平向右方向；Y轴方向为竖直方向，Y轴正半轴方向为竖直向上方向；(7.3)根据步骤(7.1)中建立的输出光束轨迹数学模型与步骤(7.2)中的两方向电场强度关系，建立光强度与加载相位的函数关系：其中,I为偏振光在对应的加载相位下的光强度，k表示通光方向斜率且k＝tanα；(7.4)根据加载相位θ、探测得的光强度I和步骤(6)中获取的相位差，根据(7.3)所述的数学模型获取P,S两偏振分量振幅a和b。优选地，将加载的相位值与光强度实测值进行数据分析以获取偏振态参数；将加载的相位值与光强度探测值进行数据分析以获取待测光的偏振态参数；所述数据分析采用数据拟合法进行迭代，具体包括以下步骤：a，预设待测光束偏振态参数为其中aj表示第j次迭代中的P偏振分量振幅；bj表示j次迭代中的S偏振分量振幅；表示第j次迭代中P偏振分量与S偏振分量的相位差；j取大于1的整数；b，根据光强度与加载相位的函数关系，获取第j次迭代的光强度计算值；c，获取待测光束光强度探测值；d，获取光强度探测值与光强度计算值的误差，用ΔIj表示；e，改变预设的偏振态参数为重复步骤b-d，获取光强度探测值与本次迭代得到光强度计算值的误差，用ΔIj+1表示；f，比较误差ΔIj与误差ΔIj+1；若ΔIj+1大于ΔIj，表明更接近待测光偏振态参数的实际值，在基础上对P,S两个方向的振幅与相位差分别加上随机值，重复迭代；若ΔIj+1小于ΔIj，则表明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于硅基液晶的偏振检测系统，其特征在于，所述偏振检测系统包括硅基液晶、硅基液晶驱动模块、检偏器、光探测器和控制单元；所述硅基液晶、所述检偏器和所述光探测器依次置于待测光束的直线方向上,均设置于所述待测光束的准直范围内；所述硅基液晶的控制端连接硅基液晶驱动模块的输出端，所述硅基液晶驱动模块的输入端连接所述控制单元的输出端，所述控制单元的输入端连接所述光探测器的输出端；所述硅基液晶接收入射的待测光，在所述硅基液晶驱动模块的控制下对所述待测光进行相位加载后输出第一光束，所述检偏器滤除所述第一光束中与检偏器通光方向垂直方向上的光后输出第二光束；所述光探测器探测所述第二光束的强度，并对其进行光电转换后反馈给所述控制单元；所述控制单元进行数据分析后获得偏振态参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅基液晶的偏振检测系统，其特征在于，所述偏振检测系统包括硅基液晶、硅基液晶驱动模块、检偏器、光探测器和控制单元；所述硅基液晶、所述检偏器和所述光探测器依次置于待测光束的直线方向上,均设置于所述待测光束的准直范围内；所述硅基液晶的控制端连接硅基液晶驱动模块的输出端，所述硅基液晶驱动模块的输入端连接所述控制单元的输出端，所述控制单元的输入端连接所述光探测器的输出端；所述硅基液晶接收入射的待测光，在所述硅基液晶驱动模块的控制下对所述待测光进行连续的相位调制，获得第一光束，所述检偏器滤除所述第一光束中与检偏器通光方向垂直方向上的光后获得第二光束；所述光探测器探测所述第二光束的强度，获得系列光强值；并对所述系列光强值进行光电转换后反馈给所述控制单元；所述控制单元根据接收到的数据获得相位与光强曲线、并识别所述相位与光强曲线上的两个波谷点；根据所述波谷点获得偏振态中的P光与S光的准确相位差；并根据所述相位差、以及相位与光强曲线上任意两点的光强度值与加载相位获得两偏振分量的振幅。2.如权利要求1所述的偏振检测系统，其特征在于，所述硅基液晶、检偏器和光探测器均设置于待测光束的中心轴线上。3.一种采用权利要求1或2所述的偏振检测系统进行偏振控制的方法，其特征在于，所述方法具体为：根据所述控制单元获得的偏振态参数与用户需求，在硅基液晶加载相位以改变入射的待测光的偏振态，获取具有可调偏振态的出射光。4.一种采用权利要求1或2所述的偏振检测系统进行光学元件偏振特性检测的方法，其特征在于，所述方法具体如下：将待测光学元件置于硅基液晶与检偏器之间，处于硅基液晶与检偏器的中心轴线上；提供一光源，所述光源发出偏振态确定的偏振光，所述偏振光经过所述偏振检测系统进行相位调制并滤除与检偏器通光方向垂直方向上的光，获取出射光束，并通过控制单元获取所述出射光束的偏振信息，将所述出射光束偏振信息与所述偏振光的偏振信息进行比对后获得待测光学元件的偏振特性。5.一种采用权利要求1或2所述基于硅基液晶的偏振检测系统的偏振检测方法，其特征在于，在所述偏振检测方法中采用琼斯矩阵法描述光的偏振态，所述偏振态用沿着竖直方向振动的P偏振分量和沿着水平方向振动的S偏振分量的振幅以及两个方向偏振分量的相位差来表征；所述方法包括以下步骤：(1)通过在入射到硅基液晶的待测光束的P偏振分量上加载0到2π的相位θ，来改变所述待测光束的偏振态，获得一系列偏振光；(2)滤除所述一系列偏振光中与检偏器通光方向垂直方向上的光；(3)由光探测器探测得到经步骤(2)过滤后的光的光强度值I；(4)根据所述加载的相位θ与光强度值I构成的离散坐标点获取θ-I曲线；(5)获取θ-I曲线上两个波谷的坐标(θi，Ii)，θi表示Ii光强度下加载的相位，i＝1或2；(6)根据步骤(5)确定的θi，获取P,S两偏振分量的相位差；(7)根据步骤(6)获取的相位差、步...

【专利技术属性】
技术研发人员：付松年，洪志坤，于大伟，唐明，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42