一种光谱偏振测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种光谱偏振测量系统及方法，包括光谱仪、光谱仪前放置第一偏振片和第二偏振片，被测光顺序经过旋转的第一偏振片及第二偏振片后进入光谱仪，由光谱仪输出信号，经对系列数据进行整理后，使用Powell算法、批量梯度下降算法得到傅里叶级数，根据傅里叶级数和斯托克斯参量的对应公式得到被测光的线偏振态。本发明专利技术提供的一种光谱偏振测量系统及方法在宽谱段上获取高精度光谱偏振信息测量系统，在测量光束的光谱和偏振态，光学元件在光谱上的偏振特性，生物样品的在光谱上的吸收和偏振特性等领域拥有广泛的应用前景。和偏振特性等领域拥有广泛的应用前景。和偏振特性等领域拥有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种光谱偏振测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及线偏振光测量技术，尤其涉及一种光谱偏振测量系统及方法。

技术介绍

[0002]航天光学遥感领域中，偏振和光谱因其携带很多信息，是需要关注的光学属性。对于偏振信息，通常采用如将3偏振片安装在转盘上的分时偏振测量系统，此测量系统测量精度受偏振片透光轴定位精度的影响较大，受到探测器和光源稳定性的影响也较大，故难以做到高精度测量；如使用沃拉斯顿棱镜分离p光和s光的分振幅偏振测量系统，此系统经沃拉斯顿棱镜分光后形成两条相同的光路，系统组成复杂，且测量精度与沃拉斯顿棱镜透光轴的方向高度相关，故成本高，装调难度大；如使用新型探测器的分焦平面偏振测量系统，受工艺限制，焦平面无法做到高消光比，故测量误差大；如旋转波片的全斯托克斯参量测量系统，此测量系统中用到波片，在很窄的光谱范围内相位延迟精确，在宽光谱范围内有很大误差，无法一次测量便获得宽谱段上的偏振信息。
[0003]因此，如何实现光谱和偏振信息的同时测量，提升测量精度和光谱范围是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的第一个目的在于，针对现有技术中光栅光谱仪偏振灵敏度对测量精度影响大、光谱仪探测器的稳定性误差及偏振元件消光比误差等问题，提供一种光谱偏振测量方法。
[0005]为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0006]一种光谱偏振测量系统用光偏振态测量方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一，被测光顺序经过第一偏振片及第二偏振片后进入光谱仪，驱动第一偏振片连续旋转，对入射光的调制用斯托克斯矢量和穆勒矩阵描述如下：
[0008][0009]其中S
in
为入射光的斯托克斯矢量，s0～s2是入射光的斯托克斯矢量的分量；S
out
为到达探测器时的斯托克斯矢量；M1(β)为第一偏振片的穆勒矩阵；M2为第二偏振片的穆勒矩
阵；M3为光栅光谱仪自身偏振的穆勒矩阵，m
11
～m
33
为其矩阵元素；β为第一偏振片(1)的偏振方位角，τ为偏振片消光比；
[0010]步骤二，通过第一偏振片的连续旋转，等间隔多次采样，将光谱仪的输出值组成系列数据I＝{I1，I2，I3，
······
，I
N
}，建立入射光束偏振状态(S0，S1，S2)
T
和a
n
、b
n
的关系，获取信号的傅里叶级数与光束斯托克斯参量之间的关系：通过Powell算法和批量梯度下降算法对系列数据进行傅里叶分析得到a0、a2、a4、b2、b4[0011]I＝a0+a2cos(2β)+a4cos(4β)+b2sin(2β)+b4sin(4β)
[0012]其中：
[0013][0014][0015][0016][0017]其中a0、a2、a4、b2、b4为0、2、4级傅里叶级数；
[0018]步骤三，根据下述公式计算入射光的斯托克斯参量，获得偏振态：
[0019][0020][0021][0022]步骤四，通过入射光的偏振角Ψ与线偏振度DoLP，得到入射光的所有偏振信息：
[0023][0024][0025]本专利技术第二个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种光谱偏振测量系统。
[0026]为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0027]一种光谱偏振测量系统，其特征在于：包括光谱仪、光谱仪前放置第一偏振片和第二偏振片，被测光顺序经过旋转的第一偏振片及第二偏振片后进入光谱仪，由光谱仪输出信号，经对系列数据进行整理后，使用Powell算法、批量梯度下降算法得到傅里叶级数，根据傅里叶级数和斯托克斯参量的对应公式得到被测光的线偏振态。
[0028]在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：
[0029]作为本专利技术的优选技术方案：所述第一偏振片和第二偏振片为宽带线栅偏振片，
在450～2400nm波段消光比大于1000：1；第二偏振片的透光轴的方向是固定不动，且固定在光谱仪输出最大时的角度；远离光谱仪的第一偏振片能够绕系统光轴360
°
转动。
[0030]作为本专利技术的优选技术方案：第一偏振片安装于电控转台，通过电控转台实现持续旋转。
[0031]作为本专利技术的优选技术方案：所述光谱仪为光栅分光光谱仪，覆盖450～2400nm波段，光谱分辨率为450～1000nm波段3nm，1500nm波段8nm，2100nm波段6nm。
[0032]本专利技术提供一种光谱偏振测量系统及方法，在验证了光栅光谱仪具有较大偏振灵敏度的基础上，第二偏振片选用固定角度的宽带线栅偏振片抑制其偏振灵敏度，提高了测量精度；结合旋转第一偏振片的分时偏振测量技术，旋转一周多点测量，对偏振片透光轴的方向没有依赖性，同时多点测量也可降低探测器和光源稳定性误差对测量的影响；辅以配套的控制程序和傅里叶分析数据处理算法，在450～2400nm谱段实现光谱和偏振信息的同时测量。本专利技术的优势在于适用宽谱段、高光谱分辨率、高精度、结构简单易于装调。本专利技术所提供的光谱偏振测量系统在宽谱段(450～2400nm)上获取高精度光谱偏振信息测量系统，在测量光束的光谱和偏振态，光学元件在光谱上的偏振特性，生物样品的在光谱上的吸收和偏振特性等领域拥有广泛的应用前景。
附图说明
[0033]图1为本专利技术所提供的一种光谱偏振测量系统示意图；
[0034]附图中，第一偏振片1；第二偏振片2；光谱仪3；
[0035]图2为本专利技术所提供的一种光谱偏振测量系统应用于测量宽幅高光谱温室气体监测仪中退偏器的偏振特性的光路示意图；
[0036]附图中，光谱偏振分析部分4；积分球5；第三偏振片6；偏振光源部分7；退偏器8；
[0037]图3为本专利技术所提供的一种光谱偏振测量系统及方法测量完全线偏光所得线偏振度在光谱上的分布图示。
具体实施方式
[0038]参照附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细地描述。
[0039]如图1所示，本专利技术的一种光谱偏振测量系统，包括两个偏振片和一个光谱仪。在光谱仪3前放置两片偏振片，即第一偏振片1和第二偏振片2。被测光顺序经过旋转的第一偏振片1及第二偏振片2后进入光谱仪，由光谱仪3输出信号，经数据数据处理对系列数据进行整理后，使用Powell算法、批量梯度下降算法得到傅里叶级数，根据傅里叶级数和斯托克斯参量的对应公式得到被测光的线偏振态。
[0040]第一偏振片1及第二偏振片2为宽带线栅偏振片，在450～2400nm波段消光比大于1000；靠近光谱仪3的第二偏振片2固定不动；远离光谱仪3的第一偏振片1能够绕系统光轴360
°
转动。
[0041]光谱仪3为光栅分光光谱仪，覆盖450～2400nm波段，光谱分辨率为450～1000nm波段3nm，1500nm波段8n本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光谱偏振测量系统用光偏振态测量方法，包括以下步骤：步骤一，被测光顺序经过第一偏振片及第二偏振片后进入光谱仪，驱动第一偏振片连续旋转，对入射光的调制用斯托克斯矢量和穆勒矩阵描述如下：其中S
in
为入射光的斯托克斯矢量，s0～s2是入射光的斯托克斯矢量的分量；S
out
为到达探测器时的斯托克斯矢量；M1(β)为第一偏振片的穆勒矩阵；M2为第二偏振片的穆勒矩阵；M3为光栅光谱仪自身偏振的穆勒矩阵，m
11
～m
33
为其矩阵元素；β为第一偏振片(1)的偏振方位角，τ为偏振片消光比；步骤二，通过第一偏振片的连续旋转，等间隔多次采样，将光谱仪的输出值组成系列数据I＝{I1，I2，I3，
······
，I
N
}，建立入射光束偏振状态(S0，S1，S2)
T
和a
n
、b
n
的关系，获取信号的傅里叶级数与光束斯托克斯参量之间的关系：通过Powell算法和批量梯度下降算法对系列数据进行傅里叶分析得到a0、a2、a4、b2、b4I＝a0+a2cos(2β)+a4cos(4β)+b2sin(2β)+b4sin(4β)其中：其中：其中：其中：其中：其中a0、a2、a4、b2、b4为0、2、4级...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帆，杨洪春，张锷，杨溢，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：