一种可调节灵敏度的法拉第旋光分布测量装置及方法

1.本发明属于法拉第旋光分布测量领域，涉及一种可调节灵敏度的法拉第旋光分布测量装置及方法。


背景技术：

2.法拉第效应是指当光线沿磁场方向通过磁光介质时，线性偏振光的偏振面会旋转的现象。基于这种效应可以通过精确测量旋转角度来研究物质的磁光旋转特性，同时也可以测量介质周围的磁场。它被广泛地应用于工业、科研、航空航天等领域。基于法拉第旋转偏振的光纤传感器是测量分布式磁场的一个重要方法。在这种情况下，偏振敏感反射仪被用来测量瑞利反向散射光的偏振状态，通过适当的数据分析，可以从中获得平行于光纤轴的磁场分量。物质的范德华常数是描述了介质磁光特性的物理量，也可以用法拉第效应研究。同时，利用法拉第效应测量蒸汽或电子密度也是一种可靠的方法。
3.但是，由于在大部分旋光介质中旋光偏转角一般较小，测量过程产生的误差较大，且适用的场景较少。综上分析可知，在现有公开的背景技术中，如何提高旋光测量的灵敏度，减少测量误差是个亟需解决的难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种可调节灵敏度的法拉第旋光分布测量装置及方法，通过测量在有无旋光介质条件下旋光图像和阴影图像的强度变化确定偏转角的分布，并且通过调节旋光通道中第一分束镜与第二分束镜的分光比和第一检偏器与第二检偏器的角度设置，可以调节旋光测量的灵敏度，从而实现对法拉第旋光高效、可靠的测量。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种可调节灵敏度的法拉第旋光分布测量装置，包括：脉冲激光器、脉冲激光束、起偏器、旋光介质、第一分束镜、第二分束镜、反射镜、第一检偏器、第二检偏器、第一相机、第二相机和第三相机；
7.脉冲激光器作为光源，发射脉冲激光束，脉冲激光束穿过起偏器进入旋光介质后，进入第一分束镜分束，由第一分束镜反射的脉冲激光束通过第一检偏器进入第一相机；由第一分束镜透射的脉冲激光束进入第二分束镜进行分束，由第二分束镜反射的脉冲激光束通过第二检偏器进入第二相机，由第二分束镜透射的脉冲激光束通过反射镜进入第三相机；
8.起偏器为p偏振方向的光学仪器。
9.本发明的进一步改进在于：
10.第一相机、第二相机和第三相机的线性度为1。
11.起偏器、第一检偏器和第二检偏器为消光比大于100000:1的偏振片。
12.还包括真空腔体，旋光介质设置于真空腔体内部。
13.第一检偏器和第二检偏器的偏振方向相对于起偏器偏转角度相同，方向相反。
14.起偏器、第一分束镜和第二分束镜的中心在同一高度。
15.一种可调节灵敏度的法拉第旋光分布测量方法，包括：
16.基于脉冲激光束搭建光学测量系统，用于测量旋光图像和阴影图像；
17.基于旋光图像和阴影图像的光强分布得到比例系数；
18.结合比例系数相对于旋光的映射关系，获取法拉第旋光角的分布；
19.调节第一检偏器、第二检偏器、第一分束镜和第二分束镜的参数，实现测量灵敏度的调节。
20.基于脉冲激光束搭建光学测量系统，用于测量旋光图像和阴影图像，具体为：
21.脉冲激光器发射脉冲激光束，在脉冲激光束通过p偏振方向的起偏器成为线偏振光后，不穿过旋光介质的情况下，依次进入第一分束镜、第二分束镜和反射镜，第一相机通过第一检偏器拍摄第一分束镜反射脉冲激光束的照片i1，第二相机通过第二检偏器拍摄第二分束镜反射脉冲激光束的照片i2，第三相机拍摄反射镜反射的脉冲激光束的照片i3；
22.脉冲激光器发射脉冲激光束，在脉冲激光束通过p偏振方向的起偏器成为线偏振光后，同时穿过旋光介质的情况下，依次进入第一分束镜、第二分束镜和反射镜，第一相机通过第一检偏器拍摄第一分束镜反射脉冲激光束的照片i'1，第二相机通过第二检偏器拍摄第二分束镜反射脉冲激光束的照片i'2，第三相机拍摄反射镜反射的脉冲激光束的照片i'3。
23.基于旋光图像和阴影图像的光强分布得到比例系数，具体为：
24.第一检偏器的偏振方向相对于起偏器分别偏转 β，第二检偏器的偏振方向相对于起偏器分别偏转-β，当没有旋光介质时，设脉冲激光束能量分布为i(x,y)，则i1、i2和i3的强度分布分别如公式(1)、公式(2)和公式(3)所示：
25.i1(x,y)＝d1(0)i(x,y)cos2(β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
26.i2(x,y)＝d2(0)i(x,y)cos2(β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
27.i3(x,y)＝d3(0)i(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
28.其中，d1、d2和d3表示在成像系统中第一相机、第二相机和第三相机成像光强相对于入射光强度的比例系数，是入射光的偏振角的函数；
29.当存在旋光介质时，设等离子体导致的旋光大小为α(x,y)；第一分束镜和第二分束镜对s偏振光和p偏振光的透射和反射效率不同，第一分束镜和第二分束镜的反射光偏振角θ1，θ2为是α(x,y)的函数，具体表达式如公式(4)所示：
[0030][0031]
其中，s偏振光和p偏振光为脉冲激光束穿过起偏器时所产生的偏振光；pr、p
t
分别为第一分束镜和第二分束镜对p偏振光的反射和透射效率；sr、s
t
分别为第一分束镜和第二分束镜对s偏振光的反射和透射效率；
[0032]
考虑脉冲激光器的能量波动，设脉冲激光束能量分布为i'(x,y)，i'1、i'2和i'3的
强度分布分别如公式(5)、公式(6)和公式(7)所示：
[0033]
i'1(x,y)＝d1(α)i'(x,y)cos2(θ1(α)-β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0034]
i'2(x,y)＝d2(α)i'(x,y)cos2(θ2(α) β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0035]
i'3(x,y)＝d3(α)i'(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0036]
i1、i2、i3、i'1、i'2和i'3图像的光强分布取决于在脉冲激光束穿过旋光介质时，产生的旋光偏转角α和第一检偏器和第二检偏器的固有角度 β和-β，引入比例指标if如公式(8)所示：
[0037][0038]
结合比例系数相对于旋光的映射关系，获取法拉第旋光角的分布，具体为：当β取值固定时，比例指标if与旋光偏转角α为映射关系，根据比例指标if的值反推出旋光偏转角α的值。
[0039]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0040]
本发明通过设置第一分束镜、第二分束镜、第一检偏器、第二检偏器、旋光介质和反射镜，获取有旋光介质和无旋光介质条件下的旋光图像和阴影图像的强度变化确定偏转角的分布，并且通过调节旋光通道中第一分束镜与第二分束镜的分光比和第一检偏器与第二检偏器的角度设置，可以调节旋光测量的灵敏度，从而实现对法拉第旋光高效、可靠的测量。
附图说明
[0041]
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0042]
图1为本发明实施例的可调节灵敏度的法拉第旋光分布测量装置示意图；
[0043]
图2为本发明实施例的可调节灵敏度的法拉第旋光分布测量方法流程图；
[0044]
图3为本发明实施例的旋光诊断装置示意图。
[0045]
其中，1
‑‑
脉冲激光器；2
‑‑
脉冲激光束；3
‑‑
起偏器；4
‑‑
旋光介质；5
‑‑
第一分束镜；6
‑‑
第二分束镜；7
‑‑
反射镜；8
‑‑
第一检偏器；9
‑‑
第二检偏器；10
‑‑
第一相机；11
‑‑
第二相机；12
‑‑
第三相机；13
‑‑
真空腔体。
具体实施方式
[0046]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0047]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范
围。
[0048]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0049]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0050]
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0051]
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0052]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0053]
本发明所述可调节灵敏度的法拉第旋光分布测量方法基于以下理论基础实现：法拉第旋光效应是指当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面会随着平行于光线方向的磁场发生旋转的现象。对于法拉第旋光，本发明采用高消光比的检偏器对旋光的角度进行测量，通过两个旋光通道和一个阴影通道中光强的变化计算等离子体偏振角度的变化。
[0054]
参见图1，本发明公布了一种可调节灵敏度的法拉第旋光分布测量装置，包括：脉冲激光器1、脉冲激光束2、起偏器3、旋光介质4、第一分束镜5、第二分束镜6、反射镜7、第一检偏器8、第二检偏器9、第一相机10、第二相机11和第三相机12；
[0055]
脉冲激光器1作为光源，发射脉冲激光束2，脉冲激光束2穿过起偏器3进入旋光介质4后，进入第一分束镜5分束，由第一分束镜5反射的脉冲激光束2通过第一检偏器8进入第一相机10；由第一分束镜5透射的脉冲激光束2进入第二分束镜6进行分束，由第二分束镜6反射的脉冲激光束2通过第二检偏器9进入第二相机11，由第二分束镜6透射的脉冲激光束2通过反射镜7进入第三相机12；起偏器3为p偏振方向的光学仪器。第一相机10、第二相机11和第三相机12的线性度为1，可以保证旋光图像测量的准确度。起偏器3、第一检偏器8和第二检偏器9为消光比大于100000:1的偏振片，可以提升旋光测量的精度。旋光介质4设置于真空腔体13内部，真空腔体13使用钢板密封，使用真空泵抽至真空；第一检偏器8和第二检偏器9的偏振方向相对于起偏器3偏转角度相同，方向相反，从而提升旋光测量的灵敏度。起偏器3、第一分束镜5和第二分束镜6的中心在同一高度，方便提高进行测量的精准度。
[0056]
旋光介质4由金属丝阵负载施加脉冲电流产生的等离子体担任，脉冲电流峰值为450ka，上升沿为400ns；脉冲宽度为ns量级及以下，保证测量的时间分辨率。
[0057]
参见图2，本发明公布了一种可调节灵敏度的法拉第旋光分布测量方法，包括：
[0058]
s101，基于脉冲激光束搭建光学测量系统，用于测量旋光图像和阴影图像。
[0059]
当没有旋光介质4时，脉冲激光器1发射脉冲激光束2，在脉冲激光束2通过p偏振方向的起偏器3成为线偏振光后，不穿过旋光介质4的情况下，依次进入第一分束镜5、第二分束镜6和反射镜7，第一相机10通过第一检偏器8拍摄第一分束镜5反射脉冲激光束2的照片i1，第二相机11通过第二检偏器9拍摄第二分束镜6反射脉冲激光束2的照片i2，第三相机12拍摄反射镜7反射的脉冲激光束2的照片i3；
[0060]
当存在旋光介质4时，脉冲激光器1发射脉冲激光束2，在脉冲激光束2通过p偏振方向的起偏器3成为线偏振光后，同时穿过旋光介质4的情况下，线偏振光射入旋光介质，不同位置的激光偏振方向发生不同角度及方向的偏转，从而携带旋光信息。依次进入第一分束镜5、第二分束镜6和反射镜7，第一相机10通过第一检偏器8拍摄第一分束镜5反射脉冲激光束2的照片i'1，第二相机11通过第二检偏器9拍摄第二分束镜6反射脉冲激光束2的照片i'2，第三相机12拍摄反射镜7反射的脉冲激光束2的照片i'3。
[0061]
s102，基于旋光图像和阴影图像的光强分布得到比例系数。
[0062]
如图3所示，定义所有光的偏振角为偏振面与p偏振面的夹角。入射光的偏振方向与p偏振方向平行，因此入射光的偏振角为0。入射光为脉冲激光束2经过起偏器3后射入旋光介质4的光；第一分束镜5和第二分束镜6反射光的偏振角分别为θ1，θ2，当第一分束镜5和第二分束镜6对s偏振光和p偏振光的透射和反射效率不同时，θ1，θ2为0；第一检偏器(8)的偏振方向相对于起偏器3分别偏转 β，第二检偏器9的偏振方向相对于起偏器3分别偏转-β，相对p偏振光的角度为θ0±
β，阴影图像不设置检偏器，只使用一个金属膜反射镜进行反射，这个金属膜反射镜对入射光的偏振方向没有影响，因此反射光的偏振角θ3为0。反射光为经过第一分束镜5和第二分束镜6进入第一检偏器8和第二检偏器9的光。
[0063]
设脉冲激光束能量分布为i(x,y)，则i1、i2和i3的强度分布分别如公式(1)、公式(2)和公式(3)所示：
[0064]
i1(x,y)＝d1(0)i(x,y)cos2(β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0065]
i2(x,y)＝d2(0)i(x,y)cos2(β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0066]
i3(x,y)＝d3(0)i(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0067]
其中，d1、d2和d3表示在成像系统中第一相机10、第二相机11和第三相机12成像光强相对于入射光强度的比例系数，是入射光的偏振角的函数；第一相机10、第二相机11和第三相机12均为高线性度相机。
[0068]
设等离子体导致的旋光大小为α(x,y)；第一分束镜5和第二分束镜6对s偏振光和p偏振光的透射和反射效率不同，第一分束镜5和第二分束镜6的反射光偏振角θ1，θ2为是α(x,y)的函数，具体表达式如公式(4)所示：
[0069][0070]
其中，s偏振光和p偏振光为脉冲激光束2穿过起偏器3时所产生的偏振光；pr、p
t
分别为第一分束镜5和第二分束镜6对p偏振光的反射和透射效率；sr、s
t
分别为第一分束镜5和第二分束镜6对s偏振光的反射和透射效率；考虑脉冲激光器1的能量波动，设脉冲激光束2
能量分布为i'(x,y)，i'1、i'2和i'3的强度分布分别如公式(5)、公式(6)和公式(7)所示：
[0071]
i'1(x,y)＝d1(α)i'(x,y)cos2(θ1(α)-β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0072]
i'2(x,y)＝d2(α)i'(x,y)cos2(θ2(α) β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0073]
i'3(x,y)＝d3(α)i'(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0074]
i1、i2、i3、i'1、i'2和i'3图像的光强分布取决于在脉冲激光束2穿过旋光介质4时，产生的旋光偏转角α和第一检偏器8和第二检偏器9的固有角度 β和-β，引入比例指标if如公式(8)所示：
[0075][0076]
s103，结合比例系数相对于旋光的映射关系，获取法拉第旋光角的分布。
[0077]
当β取值固定时，比例指标if与旋光偏转角α为映射关系，根据比例指标if的值反推出旋光偏转角α的值。
[0078]
s104，调节第一检偏器、第二检偏器、第一分束镜和第二分束镜的参数，实现测量灵敏度的调节。
[0079]
通过调节第一检偏器8和第二检偏器9的角度取值或者第一分束镜5和第二分束镜6的分光比，均可以改变比例指标if相对于旋光偏转角α的变化梯度，从而改变旋光测量的灵敏度。
[0080]
该装置具体操作方法如下：
[0081]
开启脉冲激光器1，测量没有等离子体的阴影图像和旋光图像作为对照。对负载施加脉冲电流，同时触发脉冲激光器1和第一相机10、第二相机11和第三相机12，从而对放电过程中等离子体的旋光图像进行测量；对旋光图像进行处理，得到旋光偏转角分布；调节旋光诊断装置中第一分束镜5和第二分束镜6的分光比和第一检偏器8和第二检偏器9的角度设置，从而改变测量过程的灵敏度。
[0082]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。