基于斯托克斯参量测量的偏振共焦显微成像技术的研究

提出了一种基于斯托克斯(Stokes)参量测量的偏振共焦显微成像新方法。以斯托克斯参量、偏振度、相位差、方位角和椭率角等偏振参量作为成像物理量,通过系统集成方法将斯托克斯参量测量系统整合到共焦显微成像系统,通过共焦显微成像系统的显微物镜将激光聚焦到样品表面,而带有样品偏振信息的反射光进入斯托克斯参量测量系统进行偏振测量,把从斯托克斯参量测量系统中出射的4个斯托克斯光分别聚焦到4个点探测器进行光电探测,实现斯托克斯参量的共焦探测,同时获得同一物点的4个斯托克斯参量以及偏振度、相位差、方位角和椭率角等偏振参量。对样品进行二维扫描,获得不同物点的4个斯托克斯参量及其相关的偏振参量,利用计算机软件进行图像重建,从而获得样品的斯托克斯参量及其相关偏振参量的共焦显微图像。     

基于光栅透射光斯托克斯参量的实时压力传感方法及性能优化

提出了基于光纤光栅透射光斯托克斯参量测量的新型实时压力传感方法。深入分析了透射光第一斯托克斯参量和压力所致线双折射之间的单调变化关系。分析表明,入射线偏振光入射角度以及相应测量波长点的选择对系统灵敏度、线性度及动态范围有重要影响。利用光纤光栅和高速在线检偏器搭建了实时压力测量系统,实验数据验证了压力和透射光第一斯托克斯参量之间的单调变化关系,证明了此方法的可行性。最后对实验误差和系统性能进行了分析并提出了改进方案。     

双弹光调制广义偏振测量的数字锁相数据处理研究

针对高精度、快速实时的偏振测量需求,提出了一种双弹光差频调制的偏振参量测量方法。对偏振测量原理进行了详细分析,针对双弹光调制器工作控制及信号解调需求,设计了基于数字可编程逻辑门阵列(FPGA)的多通道数字锁相数据处理方案。FPGA提供一定频率占空比的脉冲宽度调制波(PWM),经高压谐振电路输出正弦高压驱动弹光调制器工作,与此同时,探测器探测到的调制光信号经模数转换器(ADC)采集后进入FPGA中。FPGA提供本地参考信号完成多个频率信号的同时解调,进而单次测量便可得到4个斯托克斯分量。搭建了实验系统进行了实验验证,利用旋转1/4波片法建立了偏振产生装置,实现了对线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的测量。实验结果表明,系统测量的相对误差小于0.8%,重复性标准差小于0.2%,单次测量时间小于200ms,实现了高精度、重复性好、实时的偏振测量。     

基于磁光调制的光弹性应力快速测量方法

提出了基于磁光调制测量光弹性应力的方法,并设计了包括终端配套软件在内的一体化测量装置.通过贝塞尔函数展开推导应力大小及方向的公式,实验中仅需旋转起偏器一次来确定应力的实际方向,降低了旋转玻璃样品在装置设计上的难度;并利用磁光调制的方式正弦调制入射激光,通过检测光强频谱图精准判断消光位置,保证测量的精准度.实验结果表明,通过此方法测得的应力大小及方向精度高,完成一组测量的速度较快.多组测量数据的离散度较小,约1nm/cm,运用该方法对有应力分布的平板玻璃和受压玻璃进行测量并扫描成像,得到它们的应力分布图像.该方法能够准确、快速和无损地测量光弹性样品任意位置的应力.     

偏振光斯托克斯参量的高速实时测量技术

为了满足对高速变化的偏振态的测量,提出一种能够对偏振态实现高速测量的技术。阐述了利用1/4波片与起偏器测量偏振光的斯托克斯参量常规的原理和方法,根据高速测量的要求推导出了新的斯托克斯参量计算公式,并依据此公式设计了基于多通道偏振态高速测量的方案,设计了具体的方法并编写了控制与算法程序。测试表明,该系统的测量速度达到了每秒700次偏振态测量,测量速度主要由电子线路的性能决定,测得的结果稳定可靠实现了光纤传输偏振态的高速测量。     

椭圆偏振光参量的测定

描述光波偏振态有多种方法,使用斯托克斯参量来表示单色波偏振态是其常用的一种。实验是在主轴坐标系中进行的,在直角坐标系和主轴坐标系中斯托克斯参量的表示是不相同的,可用一定的关系进行转换。通过实验测量斯托克斯参量,求出椭圆偏振光参量。实验结果与理论计算值相符合。     

双弹光级联的差频调制型应力双折射测量

针对光学材料、光学元件的快速、高精度应力测试评估需求，提出了一种基于双弹光级联差频调制的应力双折射测量方案。应力双折射延迟量和快轴方位角信息被加载到差频弹光调制信号中，运用数字锁相技术同时提取弹光调制的差频信号和基频信号，进一步求解出应力双折射延迟量和快轴方位角。对该新方案的原理进行了分析，并搭建了实验系统，对系统初始偏移值进行了实验定标。采用Soleil-Babinet补偿器完成了测量精度和重复性测试，并完成了施加应力样品的应力双折射测试。实验结果表明，该系统的延迟量测量精度为2.3%，延迟量测量重复性为0.032 nm，双折射测量重复性为0.17 nm/cm。此外，单数据点测量时间不超过200 ms。     

高光谱偏振成像全Stokes参量获取新方法（英文）

考虑到现有Stokes参量获取方法测量速度慢、测量精度低、系统结构复杂等特点,提出了一种基于双液晶可调相位延迟器(liquid crystal variable retarder,LCVR)和声光可调滤波器(acousto-optic tunable filter,AOTF)的光谱偏振成像系统中全Stokes参量的新获取方法。从AOTF和LCVR的工作原理出发,介绍了系统的基本探测原理;根据偏振分析提出了快速获取全Stokes参量的新方法——该方法选取四个固定的LCVR控制电压,同时控制两个相同的LCVR对光波进行相位调制,得到四组(八个)两两相同的相位延迟量即可求得Stokes参量。此外,设计了能够稳定输出均方根为0~+8.72V连续可调方波的LCVR控制器,并对其进行定标,实现了不同波长下光波的精确调制。搭建实验样机,以偏振方向分别为0°,90°和45°的三个偏振片P_1,P_2,P_3作为偏振测量目标,测得了波长为632nm时的全Stokes参量图;以画有夹角为30°的红色、绿色、蓝色三色线条的实验板作为光谱测量目标,对400~750nm光谱范围的71个通道(光谱带宽为5nm)进行光谱成像,得到了与红色、绿色和蓝色的分析谱段范围相一致的光谱曲线。结果表明,该系统不仅可以快速准确地获取全部Stokes参量,而且系统结构简单、成像质量良好。     

用Stokes参量法实现数字同轴偏振全息的研究

提出了一种基于Stokes参量的数字同轴偏振全息方法.在实验中用一束线偏振光和一束椭圆偏振光作为参考光, 分别与物光进行干涉,通过拍摄在两个相互垂直方向上的全息图,计算出物光在这两个方向的振幅和相位信息, 从而得到物光的Stokes参量和物体的全偏振信息,实现对各向异性物体偏振态空间分布的图像重建. 实验结果表明,该方法可用于物体的全偏振特性的测量.这种方法在求出物光Stokes参量的同时, 也可消除零级像和共轭像的干扰,因此也可用于同轴或离轴全息.     

基于数字全息及复用技术的全场偏振态测试方法

提出了一种在数字全息记录系统中利用偏振和角分复用技术对光场进行偏振态检测的方法. 将全息系统中的一束参考光分为偏振方向相互正交、初相位相同的两束光, 并分别与物光相同偏振方向的两个分量干涉, 形成两幅子全息图, 同时记录在一帧画面中. 为了分开记录到的物光两个分量, 系统中利用了角分复用技术, 即在两束参考光中引入不同载频, 使物光两分量的频谱位于全息图频谱面的不同区域. 通过滤波、逆傅里叶变换和衍射计算, 获取距离全息图不同位置处物光两正交分量复振幅信息. 利用复振幅信息, 可以构建被测物光的斯托克斯参量和琼斯矢量, 从而表征物光的偏振态. 实验中, 通过对一束椭圆偏振光进行偏振态测量以及对该光束在不同空间位置处的偏振态进行表征, 表明该方法可以实现光束偏振态全场测试, 并且具有较高的可靠性. 关键词： 数字全息 偏振态 琼斯矢量 斯托克斯参量     

A new method for photoelastic fringe analysis from a single image using elliptically polarized white light

A new two-dimensional photoelastic method for the analysis of fringe order and the principal direction of birefringence from a single image combining an elliptically polarized white light and color image processing is demonstrated. To determine fringe order, a database-search approach based on the primary color analysis is employed. After determining fringe order, the principal direction of birefringence is obtained by solving a non-linear equation. The equation of emerging light intensity is derived and the theory of the proposed method is described. Then, the successful application of the method to photoelastic analysis is shown. It is emphasized that the proposed method can be applicable to time-varying phenomena since multiple exposures are not necessary for sufficient data acquisition for the completion of stress analysis.     

超声聚焦探头在固体中辐射声场的动态光弹测量方法

超声聚焦探头在声场聚焦区域具有很高的检测灵敏度和分辨力,是工业超声检测中常用的探头。聚焦探头在固体中的聚焦特性直接影响检测效果,其传统测量方法通过水中聚焦参数间接换算而来,结果存在一定的误差。动态光弹法可以直接观测透明固体中的探头辐射声场,具有直观、无反射体或水听器的浸入影响、全场观测等特征。进一步采用圆偏振光并结合Senarmont补偿法,可精确测量透明固体中探头辐射声场的绝对应力分布,给出聚焦探头在固体中的聚焦参数,包括焦距、焦柱长度和焦斑宽度。实验测量结果与有限元仿真计算及小球反射法测量结果吻合较好,表明了动态光弹法定量测量聚焦探头辐射声场的可行性。     

Measurement of birefringence in thin-film waveguides by Rayleigh scattering

A method of measuring birefringence in slab and ridge waveguides based on the coherent superposition of Rayleigh light scattering from TE and TM polarized modes is described and demonstrated in silica-on-silicon waveguides. A measurement accuracy of approximately 10(-6) has been achieved. This method is used to determine the evolution of waveguide birefringence with annealing temperature in phosphorous-doped glass waveguides. The measured birefringence increases rapidly with annealing temperatures up to 800 degrees C but remains unchanged for higher-temperature anneals. We interpret this threshold as the temperature above which glass can flow.     

Spectroscopic polarimetry with a channeled spectrum

We describe a novel method for the spectroscopic measurement of the state of polarization (SOP) of light. A pair of thick birefringent retarders is incorporated into the spectroscopic polarimeter, so the generated channeled spectrum is composed of three quasi-cosinusoidal components carrying the information about the SOP of the light that is being measured. Fourier inversion of the channeled spectrum provides significant parameters for determination of the spectrally resolved Stokes parameters of light. No mechanically movable components for polarization control or active devices for polarization modulation are used, and all the Stokes parameters can be determined at once from only the single spectrum. The effectiveness of this method is demonstrated by the generation of elliptically polarized light whose SOP varies with wave number.     

Measurement of low retardation using reflective optical system based on the photoelastic principle

A new measuring technique that can measure retardation and can output magnitude and direction of plane stress in each glass of a panel composed of double transparent pieces of glass has been developed using reflective confocal optics. The linear polarized probe beam is incident to the glass and we can detect a reflected beam converted to orthogonal polarization caused by the photoelastic phenomenon. Using the high extinction ratio (10⁶) beam-displacing prism as a polarization discriminator, we can measure the photoelasticity by rotating the polarization of the probe beam from 0 to π rad without disturbing the optical axis. This system has the ability to measure retardation. The lowest one is estimated as nearly 0.066 nm for 700 μm thickness glass which corresponds to 0.03 MPa stress from our calibration line.     

Dynamic photoelastic analysis by optical heterodyne polarimetry

This paper describes the mapping of the spatiotemporal principal stress distribution evolved with time in an epoxy photoelastic sample. In the optical heterodyne polarimeter exploited, the signal beam of light transmitted by the sample under continuously loaded condition is photomixed with the local oscillator beam of light made up of orthogonal linearly polarized two-frequency components. Every pixel of a MOS video camera used generates a beat photocurrent that possesses the two orthogonal field components of the elliptically polarized signal beam. The spatiotemporal principal stress distributions can be uniquely determined simultaneously and independently from these two orthogonal field components, and are successfully mapped in a time-sequential form. The spatial and temporal resolutions in the maps are 0.18 mm and 2.9 ms, respectively.     

Measurement of the stress state of materials by reflection of polarization-modulated light

Optics and Spectroscopy - A method for measuring mechanical stresses of photoelastic materials from the difference between the reflection coefficients of orthogonally polarized light waves incident...     

残余应力对光弹实验中超声图像的干扰分析

动态光弹成像技术是观测固体内部超声应力场的重要手段,然而样品在制作过程中会产生残余应力,给观测带来一定干扰,特别是缺陷附近的应力集中效应,使得缺陷散射声场的研究更为困难。本文利用线性应力理论分析了超声应力与残余应力的相互关系,并推导出该叠加应力场在光弹系统中的光强表达式,通过实验验证,证明了该理论的可行性。本文结果可为应力集中区域的散射声场分析提供借鉴。     

动态白光散斑法的灵敏度及其提高

本文用非相干成象系统频谱分析的概念,分析了动态白光散斑法的灵敏度问题。提出了提高灵敏度的方法,使之不仅能测量大的动态变形,而且也能测量小的动态变形,如果用光弹性材料作试件,能同时得到动态等差线,进行主应力分离。