專利名稱：用于偏振測量的系統和方法
技術領域：
本發明涉及偏振測量領域并且涉及利用將光束分成多個光束分量來測量光束的偏振的系統和方法。
參考文獻
以下是可用于更好地理解本發明的背景的參考文獻的列表。
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許多分析應用需要進行光束的偏振測量。這樣的偏振測量技術，通常被稱為光偏振測量法，尤其被使用在橢圓偏光法、生物影像以及成像偏振測量中。
光束的一般偏振態可以通過斯托克斯(Stokes)參數來限定。斯托克斯參數是描述光束的偏振態或一般地作為相干或非相干輻射的電磁輻射的偏振態的一組四個值。用于確定由斯托克斯參數表不的光束的偏振態的若干常用方法基于對傳輸通過跟隨有檢偏器的旋轉的四分之一波片的光束的時間相關信號進行測量。偏振態可以通過對檢測到的輸出信號進行傅里葉分析來確定[I]。已開發有目的在于提供更快速和更簡單的偏振測量技術的其他方法。這樣的方法基于四路起偏器[2]并且使用將輸入光束分成四路的分束器。通過利用不同起偏光學器件來分析每個分離的光束分量，并且根據四個分離的光束的測量到的強度來計算輸入光束的偏振態。然而，這些技術需要多個起偏器并且還具有如下事實它們只能提供具有均勻偏振的光束的偏振測量[3]。
例如，美國專利5，298，972描述了一種包括偏振光源和光偏振儀的儀器，其中，偏振光源用于生成光束的三個連續的預定偏振態，光偏振儀用于測量通過光網絡發射或從光網絡反射的部分光束的偏振。根據該技術，光束被分成四束，其中三束通過光學元件，并且測量全部四束光束的透射強度以用于計算斯托克斯參數。光束通過單模光纖進入光偏振儀，該單模光纖用作用于控制光束相對于光學元件的位置和對準的空間濾波器。由該光纖引起的光束偏振的失真通過引入兩個不同的線偏振光束和測量用于創建校準矩陣的斯托克斯參數來校正，該校準矩陣被求逆并且多次乘以后續測量的所測斯托克斯參數，以得到實際的斯托克斯參數。三個連續的預定偏振態產生三個相應的瓊斯輸入矢量，并且用于光網絡的響應的斯托克斯參數轉變為三個瓊斯輸出矢量。然后根據瓊斯輸入和輸出矢量來計算光網絡的在復數型常數內的瓊斯矩陣。可以根據用于光網絡的該矩陣來確定相對偏振靈敏度。由光網絡引起的相對失真可以通過乘以通過光網絡的隨后測量期間的矩陣的逆來校正。此外，在光網絡上的功率測量和合適的替換能夠得到絕對的測定和校正。
US 5，227，623描述了一種包括偏振光源和光偏振儀的設備,其中，偏振光源用于在至少兩個波長的每個波 長處產生光束的三個連續的預定偏振態，光偏振儀用于通過如下方式來測量由光網絡發射或反射的光束的在各個波長處的部分的偏振將光束分成四束； 使其中三束通過光學元件；測量全部四束光束的透射強度；以及計算斯托克斯參數。在每個波長處的三個連續的預定偏振態產生每個波長處的三個相應瓊斯輸入矢量，并且光網絡的響應的斯托克斯參數被轉換成在每個波長處的三個瓊斯輸出矢量。然后根據瓊斯輸入和在每個波長處的輸出矢量來計算光網絡的在復數型常數內的瓊斯矩陣。根據這矩陣來確定在光網絡中的偏振模式色散。
近來，已經開發了新的方法，其提供用于測量光束的空間變化偏振式樣的能力。這樣的偏振測定技術中的某些技術采用偏振光柵和起偏器[4]。適用性的理論研究和實驗證明示出了對亞波長介質光柵的使用[5]。其他最近開發的技術涉及使用方解石晶體來將輸入光束分成具有兩個正交偏振的光束分量。這兩個分量具有相對于方解石晶體的軸線的尋常和非尋常偏振，并且它們被導向不同的檢測器以獲得實時偏振測量[6]。
US 7，679，744提供了一種斯托克斯參數測量裝置和斯托克斯測量方法。該斯托克斯測量裝置包括偏振分光裝置和光接收部分，偏振分光裝置包括由雙折射晶體材料形成的光學元件，并且偏振分光裝置借助于該光學元件來將待測信號光分成多個偏振光束并且調節所述多個偏振光束中的一個或多個偏振光束的偏振態，光接收部分用于對被偏振分光裝置分束并從偏振分光裝置出射的信號光的光分量進行光電轉換。
上述偏振測量技術以及當前現有的偏振測量系統基于結合偏振元件在一個測量到下一個測量之間的機械旋轉的若干次連續測量，因此是昂貴的、復雜的和緩慢的[7]。發明內容
在現有技術中，存在對能夠實時提供關于光束的完整偏振態(即隨空間變化的偏振和/或隨波長變化的偏振)信息的新的偏振測量技術的需求。本發明提供了一種用于實時確定光束的隨空間變化的偏振式樣的新方法，即，能夠測量沿著光束的橫截面的偏振分布(式樣)的技術。此外，該測量對于橫截光束的偏振態的時間變化比較敏感。
本發明的技術提供了一種用于對具有不均勻偏振分布的光束(如徑向偏振光束和角向偏振光束)進行偏振測量的系統和方法。本發明能夠提供任何一般或隨機偏振光束的隨時間變化的偏振式樣。具有隨空間和時間變化的偏振態的光束在例如顯微術、材料加工、 粒子捕獲和加速、激光放大以及偏振加密應用的各個應用領域中非常有用。
本發明的偏振測量技術基于將輸入光束分成預定數目的基本平行的光束分量，每個光束分量相對于其他光束分量在偏振態上具有預定的變化。使用像素矩陣(如CCD相機) 來同時檢測光束分量，以確定在每個光束分量內的強度分布。根據利用斯托克斯參數的確定而檢測到的光束分量的強度分布來實時確定沿著輸入光束的橫截面的偏振態分布。
可以通過沿著光束橫截面的斯托克斯參數分布來描述輸入光束的偏振態。斯托克斯參數是描述電磁輻射的偏振態的一組四個值，通常用矢量(Stl, S1, S2, S3)表示。根據本發明，根據由像素矩陣檢測的橫截預定數目的分離的光束分量中的每個分量的強度分布來確定沿著輸入光束的橫截面的每個點(圖像像素)的斯托克斯參數矢量。
輸入光束通過第一偏振分束器被分成特定數目(優選地為3)的光束分量,第一偏振分束器被配置成在分離光束時中在每個分離的光束分量上施加不同的偏振旋轉。在三個分離的光束分量的光路中設置有雙折射元件(如方解石晶體)，并且雙折射元件被配置成將這些光束分量中的每個分量進一步分成具有相對于雙折射元件的軸線的尋常偏振和非尋常偏振的一對空間上分離的輸出光束分量。通過位于所述光束分量的光路中的像素矩陣來檢測在每個輸出光束分量內的強度分布。可以根據由像素矩陣檢測的輸出光束分量的強度分布來確定表不輸入光束的偏振分布的斯托克斯參數分布。可以根據以所述像素矩陣的中貞頻檢測的輸出光束分量的強度分布·來確定輸入光束的時間相關偏振態。
本發明也可以提供作為波長的函數的偏振測量。這可以通過利用位于第一偏振分束器與雙折射元件之間的將輸入光束的不同波長分量在空間上分離的光柵來實現。可以使用位于第一偏振分束器的上游的狹縫來獲得輸入光束的波長相關偏振分布和一維變化偏振分布。
根據本發明的一個主要方面，提供了一種用于測量光束的偏振的系統，其中該系統被配置成并且可操作地用于確定沿著輸入光束的橫截面的偏振式樣。該系統包括光學系統和像素矩陣，光學系統包括偏振分光組件。偏振分光組件被配置成并且可操作地用于將輸入光束分成預定數目的、彼此之間具有預定偏振關系的光束分量。偏振分光組件包括第一偏振分束器和雙折射兀件，其中，第一偏振分束器位于輸入光束的光路中，用于將輸入光束分成彼此之間具有特定偏振關系的第一多個光束分量，雙折射元件位于所述第一多個光束分量的光路中，用于將所述第一多個光束分量中的每個分量分成一對尋常和非尋常偏振分量，由此生成所述預定數目的輸出光束分量。像素矩陣檢測入射到其上的光束內的強度分布。像素矩陣位于輸出光束分量的基本上不相交的光路中，并且生成分別表示在檢測到的輸出光束分量內的強度分布的輸出數據片。包含在這些數據片中的數據表不沿著輸入光束的橫截面的偏振式樣。
該系統與能夠連接到像素矩陣的輸出的控制單元相關聯，控制單元被配置成并且可操作地用于接收測量數據(多個數據片)；分析在每個輸出光束分量內的強度分布；以及確定輸入光束的表不光束的偏振式樣的斯托克斯參數。
優選地，該系統生成六個輸出光束分量。第一偏振分束器被配置成并且可操作地用于從輸入光束生成具有不同偏振的在空間上分離的三個光束分量。
所確定的偏振式樣可以對應于在輸入光束的橫截面內的偏振分量的空間變化和時間變化。
在本發明的一些實施方式中，第一偏振分束器包括容納在與傳播通過系統的光的光軸相交的間隔開的基本平行的平面中的第一反射表面和第二反射表面。第一反射表面是部分反射的并且具有位于輸入光束的光路中的部分，由此將輸入光束分成透射通過所述第一偏振分束器并朝向雙折射兀件的第一部分和朝向第二反射表面反射的第二部分。第二反射表面具有相對高的反射率并且將所述第二光束部分朝向第一反射表面一部分反射。第一反射表面和第二反射表面由此共同操作，以依次對部分所述輸入光束進行反射并將其分成沿著空間上分離的光路傳播到雙折射元件的所述第一多個光束分量。
在本發明的一些實施方式中，第一偏振分束器包括具有平行的第一側面和第二側面的光學透明板，第一側面和第二側面至少部分地涂覆有限定所述第一反射表面和第二反射表面的反射涂層。光學透明板的第一側面涂覆有提供部分反射表面的涂層，并且光學透明板的第一側面具有位于輸入光束的光路中的部分，由此將輸入光束分成透射通過所述第一偏振分束器并朝向雙折射元件的第一部分和朝向第二反射表面反射的第二部分。光學透明板的第二側面包括涂覆有提供高反射表面的涂層的部分。所述光學透明板的第一被涂覆的表面和第二被涂覆的表面由此依次對 部分所述輸入光束進行反射并其分成沿著空間上分離的光路傳播到雙折射元件的所述第一多個光束分量。在一些其他實施方式中，第一反射表面和第二反射表面由獨立的間隔開的元件(鏡)構成。
在一些實施方式中，第一表面和第二表面位于與光軸形成預定角度的平面中，由此引起與所述第一表面和第二表面相互作用的光束分量的偏振旋轉，以及由此產生在第一多個光束分量中的光束分量之間的所述預定偏振關系。所述預定角度可以是88°或33°。 在一些其他實施方式中，第一偏振分束器包括位于所述第一反射表面和第二反射表面之間的偏振旋轉器(例如，相對于光軸以某一角度定位的四分之一波片)，以由此提供從第一偏振分束器出來并朝向雙折射兀件的光束分量之間的所述偏振旋轉。在這些實施方式的任一個中，光束與第一偏振分束器的相互作用導致每個相互作用的光束分量的偏振分量之間的光學延遲，從而在實際上引起從第一偏振分束器出來的每兩個局部相鄰的光束分量之間的偏振旋轉以及進而的偏振差。例如，λ /4的光學延遲對應于光束的偏振分量之間的π /2的相位差。
在一些實施方式中，系統包括位于第一偏振分束器和雙折射兀件之間的光柵，該光柵被配置成對輸入光束的不同波長進行衍射。優選地，在光束分量的從光柵傳播到雙折射元件的光路中設置有聚焦透鏡組件。此外，系統可以包括位于輸入光束的光路中的狹縫 (孔)。
根據本發明的另一個主要方面，提供了一種用于測量沿著光束的橫截面的偏振式樣的光學裝置，該光學裝置包括偏振分束組件，該偏振分束組件被配置成并且可操作地用于將光束分成彼此之間具有預定偏振關系的六個光束分量，該偏振分束組件包括第一偏振分束器和雙折射元件，第一偏振分束器位于所述光束的光路中，并且被配置成用于將所述光束分成沿著三路間隔開的基本平行的光路傳播的彼此之間具有特定偏振關系的三個在空間上的分離的光束分量，雙折射元件位于所述三路間隔開的基本平行的光路中，用于將所述三個光束分量中的每個分量分成一對尋常和非尋常偏振分量，由此生成所述六個光束分量。在光束的所述六個光束分量內的強度分布表不沿著所述光束的橫截面的偏振式樣。
根據本發明的又一個方面，提供了一種用于測量光束的偏振的方法，該方法包括 將光束分成在對與對之間具有預定偏振關系的三對光束分量，每對光束分量包括尋常振分量和非尋常偏振分量；測量所述六個光束分量中的每個分量內的強度分布；分析所述六個光束分量的強度分布；以及確定沿著光束的橫截面的偏振式樣。
為了理解本發明和了解本發明如何在實際中實現，現在將參照附圖并僅通過非限制性示例來對實施方式進行描述，其中
圖I以框圖的方式示出了根據本發明的、用于進行空間變化偏振測量的系統；
圖2A和圖2B示出了根據本發明的實施方式的偏振測量系統的兩個示例，其中，在圖2A的系統中，通過在透明板的相反兩側面的反射涂層來實現反射表面，在圖2B的系統中，反射表面是間隔開的獨立元件；
圖3A-3C和圖4A-4C不出了使用本發明的偏振測量系統的光束偏振測量的輸出， 其中，圖3A-3C示出了輸出光束分量的強度分布，圖4A-4C示出了第一平面(水平的)中的線偏振的所計算的斯托克斯參數(圖3A和圖4A)、相對于第一平面呈45°的第二平面中的線偏振的所計算的斯托克斯參數(圖3B和圖4B)以及圓偏振的所計算的斯托克斯參數(圖3C 和圖4C)；
圖5示出了根據本發明的另一個實施方式的偏振測量系統；
圖6A至圖6C示出了仿真的斯托克斯參數(圖6A)、斯托克斯參數的實驗結果(圖 6B)以及偏振圖(圖6C)，其全部針對徑向偏振光束；
圖7A至圖7C示出了仿真的斯托克斯參數(圖7A)、斯托克斯參數的實驗結果(圖 7B)以及偏振圖(圖7C)，其全部針對角向偏振光束；
圖8示出了由根據本發明配置的系統測量的輸入光束的隨時間變化的偏振態；
圖9示出了根據本發明的實施方式的針對隨波長變化的偏振的偏振測量裝置；
圖IOA至IOD示出于使用偏振照明進行成像的實驗結果；以及
圖IlA至IlB示出了具有兩個波長的激光的波長相關偏振態的測量。
具體實施方式
參照圖1，圖I示出了本發明的用于輸入光束10的隨空間和時間變化的偏振測量的系統100的框圖。系統100被配置成并且可操作地用于確定沿著輸入光束10的橫截面的偏振式樣。系統100包括偏振分束組件50和像素矩陣60。偏振分束組件50被配置成并且可操作地用于將輸入光束10分成預定數目的、彼此之間具有預定偏振關系的光束分量。 像素矩陣60位于輸出光束分量的基本不相交的光路中，并且接收所分離的光束分量以及檢測它們每個的強度分布。像素矩陣60產生分別表不輸出光束分量內的強度分布的相應數目的輸出數據片。包含在這些數據片中的數據表示沿著輸入光束的橫截面的偏振式樣。
如圖所示，偏振分束組件50將輸入光束10分成預定數目的光束分量I1至In，光束分量I1至In之間具有相對于限定線偏振的預定軸(垂直軸和水平軸)的預定偏振關系。所分離的光束分量I1至In由設置在輸出光束分量的光路中的一個或多個像素矩陣60檢測。 通過分析對應于所述多個光束分量I1至In中的每個分量的檢測到的強度分布的數據片來確定輸入光束10的偏振態。為此，系統100與控制單元80相關聯(例如將控制單元包括成其構成部分或具有用于通過有線或無線信號傳輸連接至外部控制單元的通信端口)。控制單元80為典型的計算機系統，該計算機系統尤其包括被進行預編程以執行如下功能的數據處理和分析應用程序接收每個對應于光束內的強度分布的多個數據片；處理這些數據片；確定生成這些光束分量的輸入光束的斯托克斯參數；以及生成表不其的輸出數據。輸出數據可以是越過該光束的斯托克斯參數分布的形式或橫截該光束的偏振式樣的形式。
根據本發明的一些實施方式，偏振分束組件50包括第一偏振分束器和雙折射兀件。參照圖2A和圖2B，每一個均示例性地示出了具有這樣的偏振分光組件50的偏振測量系統100,其中所述偏振分光組件50包括第一偏振分束器52和雙折射兀件54,如方解石晶體。偏振分束器52限定容納在與通過系統的光傳播的光軸相交的、間隔開的基本平行的板中的兩個反射表面。在圖2A的示例中，這樣的間隔開的反射表面由在共用透明元件的相反兩側的反射涂層構成。更具體地，偏振分束器52是兩側都涂覆有反射涂層的透明板，以形成部分反射表面52A和高反射表面52B。在圖2B的示例中，間隔開的反射表面是由分離的元件構成。更具體地，偏振分束器52包括一對間隔開的反射元件，它們位于沿著通過系統的光傳播的方向以間隔開的關系布置的基本平行的板中。
在這兩個不例中，第一反射表面52a是部分反射的(光束的大約80_98%被反射)， 而第二表面52b是高反射的(幾乎100%反射)。所述兩個間隔開的基本平行的反射表面定位在輸入光束10的光路中，并且相對于由輸入光束傳播軸限定的光傳播光軸傾斜特定角度。光束與這樣的具有不同反射率的反射表面的布置的相互作用在光束與部分反射表面相互作用期間導致光束分離，以及導致光束在與兩個反射表面中的任一個相互作用處的偏振旋轉。更具體地，光束與傾斜的反射表面的相互作用向正被分離的光束施加在橫向電(TE) 偏振分量和橫向磁(TM)偏振分量之間或在水平偏振分量和垂直偏振分量之間的光學延遲 (其施加相位差)。
應當注意的是，偏振旋轉是在光束的不同的偏振分量之間的光學延遲的結果。 入/4的光學延遲由不同偏振分量之間的π/2的相位差來表現。此處使用術語“相位差” (例如λ /4的相位差)來定義光學延遲，以便增強清晰度。
如該示例所示，沿著光軸傳播的輸入光束照射到部分反射表面52a上并且被分成透射通過表面52a朝向雙折射元件54且具有與輸入光束10相同的偏振的第一光束分量12 以及從表面52朝向第二反射表面52b反射且被第二反射表面52b反射回表面52a的第二光束分量14。傾斜表面52a和52b對光束的依次反射導致垂直偏振分量和水平偏振分量之間的λ/4的相位差。對于根據本發明的技術的所測量的斯托克斯參數，λ/4的光學延遲 (偏振分量之間的相位差)產生最佳信噪聲比。然而，偏振分量之間的相位差(光學延遲)可以在λ/4附近，如λ/3或λ/5，然而這些配置要求對斯托克斯參數的確定過程進行某些修改。當光束分量14與表面52a相互作用時，光束分量14被分成部分透射到雙折射元件54 的光束分量14和部分被反射到表面52b且被表面52b反射到表面52a而表面52a又將其部分透射到雙折射元件54的光束分量16。在一些配置中，反射表面(第一偏振分束器52) 的傾斜角使得每次反射在橫向電(TE)偏振分量和橫向磁(TM)偏振分量之間施加λ /8的相位差，例如在兩次反射后施加λ/4的相位差。其他配置可以設置不同的傾斜角，使得每次反射在偏振分量之間施加λ/16的相位差。在這些配置中，只使用奇數透射分量，而且可以使用掩模56來阻擋偶數透射光束分量。光束與表面52a和52b的這些依次相互作用導致第三光束分量16在兩個偏振分量之間積累λ/2的相位差。這樣產生的具有不同的偏振態的三個基本平行的光束分量12、14和16傳播通過雙折射元件54，雙折射元件54將這些光束分量分成尋常(ordinary)偏振分量和非尋常(extraordinary)偏振分量。因此,雙折射元件54將三個入射光束分量分成六個輸出光束I1至I6，其中光束I1和I2是光束12的尋常偏振分量和非尋常偏振分量，光束和I2是光束14的尋常偏振分量和非尋常偏振分量， 光束I5和I6是光束16的尋常偏振分量和非尋常偏振分量。
因此,在本不例中，偏振分束器52限定兩個間隔開的反射表面52a和52b。這可以通過在光學透明板52的兩個相反的壁上設置合適的反射涂層(例如銀涂層)來實現。涂層52a被設置為具有大約80%-98%的反射率的部分反射，例如90%的反射率。相反壁的涂層52b僅覆蓋所述壁的一部分以允許輸入光束10傳播通過所述壁，并且涂層52b被設置成具有幾乎100%的反射。因此，輸入光束10傳播通過透明壁的無涂層區域，并且當與部分反射涂層52a相互作用時輸入光束10在透明板的內部來回反射，從而形成透射通過部分反射涂層52a到達雙折射元件的多個平行的分離光束分量。
如上所述，對反射表面52a和52b相對于光軸的傾斜角進行選擇，以在輸入光束10 的從偏振分光器52出來的偏振分量之間施加合適的相位差。例如，基于I禹合波分析，發明人已發現在圖2A的配置中，當使用涂覆有金的反射表面時,將反射表面52a和52b相對于光軸的傾斜角設置為33°導致從偏振分束器52出來的每個輸出光束的TE偏振分量和ME 偏振分量之間具有λ/16的相位差。在該配置中，用于偏振測量的這三個分離的光束分量僅是透射通過第一反射表面52a朝向雙折射元件54的奇數光束分量，并且掩模56用于阻擋不期望的偶數透射光束分量。使用相對于光軸具有88°傾斜角的相同配置導致在TE偏振分量和ME偏振分量之間具有λ /8的相位差，因此需要在偏振分束器52內部進行較少次數的反射，以在光束分量12、14和16之間施加合適的偏振差。使用圖2Β的配置可以實現相同效果，即，利用一對間隔開的反射表面52a和52b以及米用68°的傾斜角。
應當注意的是，根據表面52a和52b的反射涂層和所使用的透明板(使用圖2A的配置)的折射率，確切的傾斜角可以不同。此外，當每次反射時施加在輸入光束的TE和TM 偏振模式上的相位差會依賴(盡管非常微弱)輸入光束的波長。
六個輸出光束I1至I6入射到像素矩陣60如CXD相機的感光表面的相應的間隔開的區域上。像素矩陣(測量數據MD)的電輸出包含六個數據片，每個數據片表示沿著相應輸出光束分量的橫截面的強度分布。輸出光束分量的強度分布的測量數據MD被傳送到控制單元(圖I中的80)，該控制單元對該數據進行處理以確定輸入光束10的偏振態，這將在下文進一步進行描述。
圖3A至3C示出了針對環形輸入光束的水平線偏振(圖3A)、45°線偏振(圖3B)以及圓偏振(圖3C)的六個輸出光束I1-I6的三幅圖像。圖4A至4C示出了相應的斯托克斯參數分布。
權利要求
1.一種用于測量光束的偏振的系統，其中， 所述系統被配置成并且可操作地用于確定沿著輸入光束的橫截面的偏振式樣，并且所述系統包括光學系統和像素矩陣， 所述光學系統包括偏振分束組件，所述偏振分束組件被配置成并且可操作地用于將所述輸入光束分成預定數目的、彼此之間具有預定偏振關系的光束分量，所述偏振分束組件包括第一偏振分束器和雙折射兀件，其中所述第一偏振分束器位于所述輸入光束的光路中，用于將所述輸入光束分成彼此之間具有特定偏振關系的第一多個光束分量，所述雙折射元件位于所述第一多個光束分量的光路中，用于將所述第一多個光束分量中的每個分量分成一對具有尋常偏振和非尋常偏振的光束，由此產生所述預定數目的輸出光束分量； 所述像素矩陣用于檢測入射到其上的光束內的強度分布，所述像素矩陣位于所述輸出光束分量的基本不相交的光路中并生成分別表不在所述輸出光束分量內的強度分布的相應數目的輸出數據片，包含在所述數據片中的數據表示沿著輸入光束的橫截面的偏振式樣。
2.根據權利要求I所述的系統，包括能夠連接至所述像素矩陣的輸出的控制單元，所述控制單元被配置成并且可操作地用于接收所述數據片，分析在每個輸出光束分量內的強度分布，確定輸入光束的表不所述偏振式樣的斯托克斯參數。
3.根據權利要求I或2所述的系統，其中，輸出光束分量的所述預定數目為6。
4.根據權利要求3所述的系統，其中，所述第一偏振分束器被配置成并且可操作地用于從輸入光束生成包括三個光束分量的所述第一多個光束分量。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的系統,其中,所述偏振式樣對應于在輸入光束的橫截面內的偏振分量的空間變化和時間變化。
6.根據權利要求I至5中任一項所述的系統，其中， 所述第一偏振分束器包括容納在與通過所述系統的光傳播的光軸相交的間隔開的基本平行的平面中的第一反射表面和第二反射表面， 所述第一反射表面是部分反射的并且具有位于輸入光束的光路中的部分，由此將所述輸入光束分成朝向所述雙折射元件透射通過所述第一偏振分束器的第一部分和朝向所述第二反射表面反射的第二部分，所述第二反射表面是相對高反射的并且將所述第二光束部分朝向所述第一反射表面的一部分反射，所述第一反射表面和所述第二反射表面由此一起操作以依次對部分所述輸入光束進行反射并將其分成沿著空間上分離的光路傳播到所述雙折射元件的所述第一多個光束分量。
7.根據權利要求6所述的系統，其中，所述第一表面和所述第二表面位于與光軸形成預定角度的平面中，由此引起與所述第一表面和所述第二表面相互作用的光束分量的偏振旋轉，以及由此產生在所述第一多個光束分量中的光束分量之間的所述預定偏振關系。
8.根據權利要求6或7所述的系統，其中，與反射表面的所述相互作用向光束分量施加偏振旋轉，使得從所述第一表面和所述第二表面朝向所述雙折射元件傳播的光束分量包括在兩個局部相鄰的光束分量的偏振分量之間具有λ/4的光學延遲的所述多個光束分量。
9.根據權利要求6至8中任一項所述的系統，其中，所述第一偏振分束器包括具有第一相對平行側面和第二相對平行側面的光學透明板，其中所述第一相對平行側面和所述第二相對平行側面至少部分地涂覆有限定所述第一表面和所述第二表面的反射涂層。
10.根據權利要求6至8中任一項所述的系統，其中，所述第一反射表面和所述第二反射表面是兩個間隔開的獨立元件的表面。
11.根據權利要求10所述的系統，其中，所述第一偏振分束器包括位于所述第一反射表面和所述第二反射表面之間的偏振旋轉器，以由此提供從所述第一偏振分束器出來朝向所述雙折射元件的光束分量之間的所述偏振關系。
12.根據權利要求11所述的系統，其中，所述偏振旋轉器包括相對于光軸以某一角度定向的四分之一波片，并且所述四分之一波片被配置成針對每對局部相鄰的光束分量施加對應于λ /4的相位差。
13.根據權利要求I至10中任一項所述的系統，包括位于所述第一偏振分束器和所述雙折射元件之間的光柵，所述光柵被配置成對所述輸入光束的不同波長進行衍射，以使得能夠實現對應于所述輸入光束的不同波長的偏振測量。
14.根據權利要求13所述的系統，包括在光束分量的從所述光柵傳播到所述雙折射元件的光路中的聚焦透鏡組件。
15.根據權利要求13或14所述的系統,包括位于輸入光束的光路中的狹縫。
16.根據權利要求3至15中任一項所述的系統，包括能夠連接至像素矩陣的輸出的控制單元，所述控制單元被配置成并且可操作地用于接收所述數據片；分析在每個輸出光束分量內的強度分布；并且確定輸入光束的表不所述偏振式樣的斯托克斯參數，在輸入光束的橫截面內的任意點(X，y)處的斯托克斯參數根據下組等式通過輸出光束分量來確定
17.—種用于測量沿著光束的橫截面的偏振式樣的光學系統,光學裝置包括偏振分束組件，所述偏振分束組件被配置成并且可操作地用于將光束分成彼此之間具有預定偏振關系的六個光束分量，所述偏振分束組件包括第一偏振分束器和雙折射兀件，其中，所述第一偏振分束器位于所述光束的光路中，并被配置用于將所述光束分成沿著間隔開的基本平行的光路傳播的彼此之間具有特定偏振關系的三個在空間上分離的光束分量，所述雙折射元件位于所述光路中，用于將所述三個光束分量中的每個光束分量分成一對尋常和非尋常偏振分量，由此產生所述六個光束分量；在光束的所述六個光束分量內的強度分布表示沿著所述光束的橫截面的偏振式樣。
18.一種用于測量光束的偏振的方法，所述方法包括將光束分成對與對之間具有預定偏振關系的三對光束分量，每對光束分量包括尋常偏振分量和非尋常偏振分量；測量所述六個光束分量中的每個光束分量內的強度分布；分析六個光束分量的強度分布并且確定沿著光束的橫截面的偏振式樣。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述的分析六個光束分量的強度分布包括確定輸入光束的表不所述偏振式樣的斯托克斯參數，在輸入光束的橫截面內的任意點(χ, y)處的斯托克斯參數根據下組等式通過輸出光束分量來確定
全文摘要
提出了一種用于測量光束的偏振的系統和方法。該系統被配置成并且可操作地用于確定沿著輸入光束的橫截面的偏振式樣，并且該系統包括光學系統和像素矩陣。光學系統包括偏振分束組件，偏振分束組件被配置成并且可操作地用于將輸入光束分成預定數目的彼此之間具有預定偏振關系的光束分量，偏振分束組件包括第一偏振分束器和雙折射元件，第一偏振分束器位于輸入光束的光路中，用于將所述輸入光束分成彼此之間具有特定偏振關系的第一多個光束分量，雙折射元件位于所述第一多個光束分量的光路中，用于將第一多個光束分量中的每個光束分量分成一對具有尋常偏振和非尋常偏振的光束，由此生成所述預定數目的輸出光束分量。像素矩陣位于所述輸出光束分量的基本上不相交的光路中，并且生成分別表示所述輸出光束分量內的強度分布的輸出數據片，包含在所述數據片中的數據表示沿著輸入光束的橫截面的偏振式樣。
文檔編號G01J4/04GK102933944SQ201180015634
公開日2013年2月13日 申請日期2011年3月24日 優先權日2010年3月24日
發明者尼爾·戴維森, 阿舍·弗里澤姆, 莫蒂·弗里德曼 申請人:耶達研究開發公司