基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统，包括两个光纤耦合的激光光源，每个光源通过光纤分路器分成强度相同的多路光，每路光经长度相同的单模光纤传输后固定在相应的光纤支架上，使得每个光源的其中一路光作为照明光引入样品光路，通过待测样品，得到离轴数字全息的物光，其余的若干路光引入参考光路，经过偏振化后作为离轴全息的参考光，参考光和物光的叠加光场通过图像传感器记录，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，本发明专利技术结构简单，能实现偏振敏感介质空间分辨的二维Jones矩阵参量的一步测量。

Lensless Jones matrix holographic measurement and imaging system based on single-mode optical fiber

The invention discloses a lensless Jones matrix holographic measurement and imaging system based on single-mode fiber, including two fiber coupled laser source, each light source through the fiber optic splitter into multiple light of the same intensity, each light through the fiber lengths of the same post fixed on the bracket corresponding to the optical fiber, so that each one way of light as light source illumination light into the optical path through the sample, sample, get the off-axis digital holographic object light, some way the rest of the light into the reference light path through polarization as off-axis holographic reference light and the reference light and the object light superposition light field by the image sensor records. Four channel amplitude, phase and polarization information of object wave Jones matrix hologram, the invention has the advantages of simple structure, 2D Jones matrix to achieve polarization sensitive medium spatial resolution. One step measurement of quantity.

【技术实现步骤摘要】
基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统
本专利技术涉及一种基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统。
技术介绍
偏振是光的基本性质之一，与偏振相关的一个重要现象是通过偏振敏感介质的光线，或由这些介质反射之后的光线的偏振状态会发生变化。这种变化依赖于介质的偏振变换特性并且可以由其透射矩阵表征。对偏振敏感材料透射矩阵参数的精确测量对于揭示材料的内部结构或双折射性质、表征光学器件复杂调制性质、发现光与物质相互作用的物理机制等方面都具有重要的意义。描述偏振敏感材料透射矩阵的两种主要形式分别是Mueller和Jones矩阵。基于强度的Mueller矩阵形式被大多数常规的基于偏振的技术所采用，但它没有描述光偏振的场性质，并且不能直接保留光的相位信息。Jones矩阵方法可以直接描述光场的复振幅信息。通常，Jones矩阵的测量比Mueller矩阵更复杂，因为一般材料的琼斯矩阵包含至少四个与输入和输出光束的不同偏振状态相关联的复参数。最近，一些基于全息原理的偏振成像技术被提出，这些方法虽然可以得到空间解析的二维琼斯矩阵，但是都需要多次调整偏振元件，或者用到额外的设备控制偏振器件的旋转，这都增加了系统的复杂性，降低了系统的稳定性和测量精度。中国专利技术专利2014104949275公开了一种一步测量二维琼斯矩阵的方法，极大的提高测量的效率，而且使用了比以往的方法更简化的光学装置，但是所使用方法存在一定内在缺陷：使用的测量光路是基于马赫-曾德干涉的，不仅对光路调节精度要求高，需要用到较多的光学元件，而且只能局限在特定测量平台上进行测量。最近Yangetal.(文献1)提出了一种利用正交剪切光栅的一步测量方法，但是也是基于马赫-曾德干涉的方法，此外还用到了大量的透镜和反射镜，测量光路的调节也比较复杂。综上，现有的基于全息原理的琼斯矩阵测量和成像技术需要多次调整偏振元件，或者使用复杂的测量光路实现一步测量，这都增加了对光路调节精度的要求，降低了系统的稳定性，限制了测量系统的适用范围。文献1：T.D.Yang,K.Park,Y.G.Kang,K.J.Lee,B.M.Kim,andY.Choi,“Single-shotdigitalholographicmicroscopyforquantifyingaspatially-resolvedJonesmatrixofbiologicalspecimens,”Opt.Express24(25),29302–29311(2016).
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统，本系统基于光纤和无透镜离轴菲涅尔全息的原理进行设计，使用两个光纤分路器来产生离轴全息所需的多束参考和照明光束，光纤出射端固定在特殊设计的光纤支架上，仅仅需要三个分光棱镜就能实现全息图的四通道角分复用。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统，包括两个单模光纤耦合的激光光源，每个光源通过光纤分路器分成强度相同的多路光，每路光经长度相同的单模光纤传输后固定在相应的光纤支架上，使得每个光源的其中一路光作为照明光引入样品光路，得到离轴数字全息的物光；其余的若干路光引入参考光路，经过线偏振化后作为离轴全息的参考光；参考光和物光的叠加光场通过图像传感器记录，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。进一步的，所述光纤分路器为1×3的光纤分路器，将每个激光光源分成强度相同的三束。进一步的，样品光路的两路光的出射端放置于不同的光纤支架上。进一步的，样品光路的两路光经偏振分光棱镜和光轴方向与水平方向成45度的四分之一波片后，转变为右旋和左旋圆偏振光照射到待测样品上。进一步的，参考光路中，来自不同激光光源的一路光的出射端共同放置在中心与物光共路的光纤支架上。进一步的，所述参考光路的光线出射端的位置可在支架上做一维调节，以改变其与物光间的夹角。进一步的，所述参考光路的不同光线经过偏振分光棱镜转变为线偏振光作为离轴全息的参考光，分别形成水平偏振光和竖直偏振光，参考光和物光经过非偏振分光棱镜后在记录平面叠加在一起，叠加光场由图像传感器记录，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。进一步的，所述形成竖直偏振光的光线经过的光纤支架的横截面为具有一1/4面积缺口的圆，且该缺口位于0-90°，两个光源的不同光线设置于该缺口的不同边上。进一步的，所述形成水平偏振光的光线经过的光纤支架的横截面为具有一1/4面积缺口的圆，且该缺口位于135-45°，两个光源的不同光线设置于该缺口的不同边上。进一步的，所述参考光路的光纤支架的中心和样品光路的点源在空间上相对于其对应的偏振分光棱镜和非偏振分光棱镜对称分布。进一步的，得到的被测样品的琼斯矩阵为且其中，Cmn(m,n＝1,2)表示在不放置物体时照明光波Sm和参考光波Rmn在传感器所在的记录面上的干涉场的复振幅分布，Ymn为复振幅分布，IFrZ{}为进行衍射距离为z的逆菲涅尔衍射变换，z为待测样品和图像传感器间的距离。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术能实现偏振敏感介质空间分辨的二维Jones矩阵参量的一步测量；(2)本专利技术基于无透镜菲涅尔衍射全息，利用光纤分路器分出所需要的多束参考光和物光，实现全息图的四通道角分复用，能够通过一次测量得到四个矩阵参量；(3)本专利技术是无透镜的菲涅尔全息设计，光路简单易于调节且避免了透镜像差的影响；基于光纤的设计，大大减少了所用光学元件数量，同时也降低了系统成本，系统易于实现；(4)本专利技术结构紧凑，易于集成，适合于整体搬运和移动，有利于进一步的优化开发出一个集成和便携式的系统，适合实时测量偏振敏感材料的复杂琼斯矩阵图以及动态偏振成像。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是本专利技术的结构示意图；图2(a)、图2(b)是本专利技术的光纤支架的结构示意图；图3是本专利技术基于光纤的离轴菲涅尔全息记录系统原理图；图4(a)是本专利技术实验中记录的一幅四通道角分复用全息图；图4(b)为图4(a)中矩形区域的放大图；图4(c)全息图的空间频谱图5(a)-(b)分别是实验测量得到的琼斯矩阵参量的振幅和相位分布；图5(c)-(d)是相同参数下，对应的理论计算得到的琼斯矩阵参量的振幅和相位分布；从左向右分别是：Jxx,Jxy,Jyx和Jyy；。图6是本专利技术应力PMMA样品，圆形区域是照明区域；图7(a)-(d)分别是PMMA样品的测量结果中琼斯矩阵参量Jxx,Jxy,Jyx和Jyy的振幅分布；图7(e)-(h)是PMMA样品的测量结果中对应琼斯矩阵参量的相位分布；图8(a)-(d)分别是云母片样品的测量结果的琼斯矩阵参量Jxx,Jxy,Jyx和Jyy的振幅分布；图8(e)-(h)是云母片样品的测量结果的对应琼斯矩阵参量的相位分布；图8(i)-(j)是云母片样品的测量结果的两个特征值的相位分布；图8(k)是云母片样品沿两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统，其特征是：包括两个单模光纤耦合的激光光源，每个光源通过光纤分路器分成强度相同的多路光，每路光经长度相同的单模光纤传输后固定在相应的光纤支架上，使得每个光源的其中一路光作为照明光引入样品光路，得到离轴数字全息的物光；其余的若干路光引入参考光路，经过线偏振化后作为离轴全息的参考光。参考光和物光的叠加光场通过图像传感器记录，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统，其特征是：包括两个单模光纤耦合的激光光源，每个光源通过光纤分路器分成强度相同的多路光，每路光经长度相同的单模光纤传输后固定在相应的光纤支架上，使得每个光源的其中一路光作为照明光引入样品光路，得到离轴数字全息的物光；其余的若干路光引入参考光路，经过线偏振化后作为离轴全息的参考光。参考光和物光的叠加光场通过图像传感器记录，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。2.如权利要求1所述的一种基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统，其特征是：所述光纤分路器为1×3的光纤分路器，将每个激光光源分成强度相同的三束。3.如权利要求1所述的一种基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统，其特征是：样品光路的两路光的出射端放置于不同的光纤支架上。4.如权利要求1所述的一种基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统，其特征是：样品光路的两路光经偏振分光棱镜和光轴方向与水平方向成45度的四分之一波片后，转变为右旋和左旋圆偏振光照射到待测样品上。5.如权利要求1所述的一种基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统，其特征是：参考光路中，来自不同激光光源的一路光的出射端共同放置在中心与物光共路的光纤支架上。6.如权利要求1所述的一种基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统，其特征是：所述参考光路的光线出射端的位置可在支架上做一维调节，以改变其与物光间的夹角。7.如权利要求1所述的一种基于单模光纤的无透镜Jones矩阵全息测量和成像系统，其特征是：所述参考光路的不同光线经过偏振分光棱镜转变为线偏振光作...

【专利技术属性】
技术研发人员：国承山，刘轩，杨杨，韩璐，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37