【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于波前和偏振检测，具体涉及一种应用消色差超表面的波前和偏振检测装置及方法。
技术介绍
1、自由空间激光通信利用光偏振态进行信息编码和通信传输，在经过大气信道传输后，通信激光到达接收端探测器的光偏振态必须与发射端激光器发出的光偏振态保持一致。因此，十分有必要研究通信激光在传输过程中偏振态的变化，特别是大气信道引起的复杂光场的偏振三维空间分布，实现通信激光光场的偏振态精确测试，然后对通信激光制定出相应的光偏振态补偿方案，确保通信信息的正确解调，保障激光通信的正确性、可靠性和保密性；激光雷达发出的激光与待测目标相互作用会引起偏振态变化。因此，实现激光雷达回波信号光场偏振态三维空间分布测试，便能够准确复原出目标信息。同时，由于偏振激光雷达中光学元件的偏振特性会改变回波信号的偏振态,导致无法高精度获得探测目标的偏振信息。因此，对激光回波信号实现高精度偏振探测和定标，还能够测试出光学元件偏振传输特性，掌握光学元件对光偏振态传输影响规律，研制出高精度激光雷达，保障目标探测追踪、天气环境探测的准确性；核聚变要求点火激光对靶面辐照均匀，驱动器输出的激光光束质量对聚变实验的实现至关重要。由于点火激光装置是一个大型的超精密光学系统，涉及的光学元件多，结构复杂，对结构的稳定性和环境的要求非常高，激光需要经过大量高精度的光学元件，光学元件由于结构本身的因素以及外界的影响受到的力、热等因素的影响产生的变形而产生装校应力、损伤应力，还有晶体折射率的不均匀性等都将会影响到高能激光驱动装置的能量密度、波前质量和偏振特性，从而对实验造成极大的影响，严重
2、目前，偏振成像技术可分为三类：分振幅，分孔径，分焦平面。所有这些技术都是基于测量不同极化基的强度，并利用它们来估计整个或部分stokes矢量。分振幅偏振成像探测检测系统和被测光源相对固定能够消除系统环境稳定性带来的误差。缺点是整体结构复杂、体积大、重量重；多个探测器之间必须实现像素和强度匹配，多个分光元件会引入偏振测量误差。分孔径偏振成像探测系统的设计和装调的难度很大，将成像探测器分割成几个区域分别成像，牺牲了空间分辨率，不同通道之间的透过率、孔径、放大倍率和像素匹配等因素要求严格。与其他两类偏振成像系统相比，焦平面偏振探测相机更便宜、更紧凑，对光学的要求也更低。波前检测根据传感方式可分为区域传感检测和模式传感检测两种。区域传感对噪声的灵敏度很高，在信噪比较低时，波前重构精度差，重构时间长，而且无法计算模式系数；相比于区域传感，模式传感在计算低空间频率更有优势，不仅波前重构精度高，而且能够重构速度快，可以实时计算。随着微纳光子学发展和广泛研究，由亚波长单元结构排列组成的超表面成为偏振转换和探测的研究热点，超表面是一类特殊形式的二维超材料,通过设计结构单元及其排布来研制宏观材料属性为光调控带来全新的手段。特别是超表面强大的波前整形能力和亚波长厚度成为焦平面集成光学器件设计的优秀平台。微/纳米制造技术的进步提高了超表面偏振波前探测装置的成像质量，降低了其制造成本，使其能够商业化。
技术实现思路
1、针对上述技术问题，本专利技术提供了一种应用消色差超表面的波前和偏振检测装置及方法，能够实现在1000nm～1600nm红外波段下激光通信、激光雷达、聚变点火激光等复杂矢量光场的偏振态和波束质量检测。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种应用消色差超表面的波前和偏振检测装置，包括探测器转接环、低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面、微镜阵列和探测器ccd芯片，所述低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面设置在入射光源的光路方向上，所述低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面和微镜阵列均固定在探测器转接环内，所述低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面的光路方向上设置有微镜阵列，所述探测器转接环与探测器ccd芯片固定连接，所述微镜阵列的光路方向上设置有探测器ccd芯片。
4、所述低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面包括基底和超表面纳米柱排序，所述超表面纳米柱排序固定连接在基底上。
5、一种应用消色差超表面的波前和偏振检测方法，包括下列步骤：
6、s1、入射光源发出待测激光，待测激光入射到低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面后，经微镜阵列转换最后聚焦于探测器ccd芯片的像元上；
7、s2、根据不同偏振分量聚焦光强，计算求出待测激光的偏振矢量；
8、s3、根据聚焦光斑质心坐标，计算求出待测激光光斑的质心位置、波前斜率，通过子孔径斜率和zernike系数的关系，恢复出待测激光波前相位；
9、s4、将整个低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面所有偏振测量单元获得的偏振矢量与各自对应的波前空间信息一一对应，最终在三维空间进行重构，实现整个光场偏振矢量的三维空间分布。
10、所述s2中求出待测激光的偏振矢量的方法为：
11、stokes矢量定义为s＝(s0,s1,s2,s3)t，用(s0,s1,s2,s3)这四个参量来描述光强和偏振态，所述stokes矢量为：
12、
13、其中，s0表示总光强i，s1表示0°与90°方向的光强差，s1表示45°方向与135°方向的光强差，s2表示右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的光强差；
14、利用包含多个2x3个子单元的低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面，采用分焦平面的形式，分别对应完成(i0°,i90°)、(i45°,i135°)和(ir,il)总共3对正交偏振分量的转换分离和聚焦到探测器ccd芯片上不同的像元位置上，光强经探测器ccd芯片光电转换并采集传输至上位机中；
15、(i0°,i90°)、(i45°,i135°)和(ir,il)总共6个偏振分量带入stokes矢量，求解获得全部stokes矢量s＝(s0,s1,s2,s3)，完成光场全部偏振矢量测量；
16、利用stokes矢量求解出偏振椭圆的取向，获得偏振圆方角ψ、椭偏角χ、两偏振分量的幅值比tanα＝ey0/ex0，和相位差δ：
17、或
18、根据测量获得的stokes矢量，求解出入射光的偏振情况，采用偏振度描述：
19、
20、所述s3中计算求出待测激光光斑的质心位置的方法为：
21、采用重心法计算每个子孔径横向和纵向的光强重心来确定光斑的质心位置：
22、
23、
24、其中(xi,yi)是计算出的第i个子孔径的光斑质心位置，(xnm,ynm)是每个像素点的坐标，inm是对应的光强值，n和m分别表示子孔径图像行和列的序号。
25、所述s3中本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种应用消色差超表面的波前和偏振检测装置，其特征在于：包括探测器转接环(2)、低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面(3)、微镜阵列(4)和探测器CCD芯片(5)，所述低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面(3)设置在入射光源(1)的光路方向上，所述低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面(3)和微镜阵列(4)均固定在探测器转接环(2)内，所述低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面(3)的光路方向上设置有微镜阵列(4)，所述探测器转接环(2)与探测器CCD芯片(5)固定连接，所述微镜阵列(4)的光路方向上设置有探测器CCD芯片(5)。
2.根据权利要求1所述的一种应用消色差超表面的波前和偏振检测装置，其特征在于：所述低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面(3)包括基底(301)和超表面纳米柱排序(302)，所述超表面纳米柱排序(302)固定连接在基底(301)上。
3.一种应用消色差超表面的波前和偏振检测方法，其特征在于，包括下列步骤：
4.根据权利要求3所述的一种应用消色差超表面的波前和偏振检测方法，其特征在于：所述S2中求出待测激光的偏振
5.根据权利要求3所述的一种应用消色差超表面的波前和偏振检测方法，其特征在于：所述S3中计算求出待测激光光斑的质心位置的方法为：
6.根据权利要求3所述的一种应用消色差超表面的波前和偏振检测方法，其特征在于：所述S3中计算求出待测激光的波前斜率的方法为：计算出质心坐标后，根据下式可以计算出入射波前的斜率(gxi,gyi)；
7.根据权利要求3所述的一种应用消色差超表面的波前和偏振检测方法，其特征在于：所述S3中恢复出待测激光波前相位的方法为：
8.根据权利要求3所述的一种应用消色差超表面的波前和偏振检测方法，其特征在于：所述S4中实现整个光场偏振矢量的三维空间分布的方法为：
...【技术特征摘要】
1.一种应用消色差超表面的波前和偏振检测装置，其特征在于：包括探测器转接环(2)、低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面(3)、微镜阵列(4)和探测器ccd芯片(5)，所述低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面(3)设置在入射光源(1)的光路方向上，所述低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面(3)和微镜阵列(4)均固定在探测器转接环(2)内，所述低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面(3)的光路方向上设置有微镜阵列(4)，所述探测器转接环(2)与探测器ccd芯片(5)固定连接，所述微镜阵列(4)的光路方向上设置有探测器ccd芯片(5)。
2.根据权利要求1所述的一种应用消色差超表面的波前和偏振检测装置，其特征在于：所述低折射的熔融石英衬底上刻蚀纳米柱超表面(3)包括基底(301)和超表面纳米柱排序(302)，所述超表面纳米柱排序(302)固定连接在基底(301)上。
3.一种应用消色差...
【专利技术属性】
技术研发人员：李克武，崔波渝，吴倩楠，李孟委，王志斌，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：
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