一种圆偏振探测器的光学元件生成方法、装置及光学元件
1.本技术涉及光学技术领域，具体涉及一种圆偏振探测器的光学元件生成方法、装置及光学元件。
背景技术：
2.偏振作为光固有的重要特性，在科学研究中发挥着重要作用。偏振光在光通信、成像、显微镜和遥感在内的广泛应用显示了卓越的能力。特别是，右旋或左旋圆偏振光(cpl)在吸收或某些反应中具有完全不同的特性。cpl 已广泛应用于生物传感、光学成像、手性成分分析等。因此，在实际应用中区分左手和右手cpl的有效方法是重要而急迫的。例如，在偏振成像中，前三个斯托克斯参数(s0、s1、s2)与线偏振分量有关，而第四个参数s3则表征物体的圆偏振成分。目前，已有许多方法来区分圆偏振光束的旋向性。传统的偏振测量方法依赖于使用光学元件，例如h.g.berry、g.gabrielse、和 a.livingston的《measurement of the stokes parameters of light》以及 r.m.azzam、n.m.bashara和s.s.ballard的《ellipsometry and polarizedlight》中的旋转偏振器和延迟波片。光学实验室最常用的方法是使用四分之一波片的光学元件和偏光片的组合，这种方式体积庞大且难以集成。
3.如今，各种类型的光学元件基于在超表面上和超材料被广泛研究以实现圆偏振操纵和检测，具有设计灵活、性能优良、结构紧凑、易于小型化等优点。如c.zhang、j.hu、y.dong、a.zeng、h.huang及c.wang的《high efficiencyall-dielectric pixelated metasurface for near-infrared full-stokes polarization detection》中的像素化超表面及a.basiri、x.chen、j.bai、 p.amrollahi、j.carpenter、z.holman、c.wang及y.yao的《nature-inspiredchiral metasurfaces for circular polarization detection andfull-stokes polarimetric measurements》中的基于电介质的手性超材料和介电-金属混合结构以及基于单个或堆叠平面等离子体超表面的手性超材料。包括j.zhang,z.guo,k.zhou,l.ran,l.zhu,w.wang,y.sun,f.shen, j.gao,and s.liu的《circular polarization analyzer based on anarchimedean nano-pinholes array》中的具有空间方位变化的纳米棒、b.zhu、 g.ren,y.gao、b.wu、c.wan及s.jian的《graphene circular polarizationanalyzer based on unidirectional excitation of plasmons》金属纳米天线阵列和d.wen、f.yue、g.li、g.zheng、k.chan、s.chen、m.chen、k.f.li、 p.w.h.wong及k.w.cheah等人的《helicity multiplexed broadbandmetasurface holograms》超表面全息图。然而，制造过程通常耗时且成本高。此外，制造大面积的纳米结构将导致纳米制造的复杂性和更严格的要求。
技术实现要素：
4.鉴于上述问题，本技术提供了一种圆偏振探测器的光学元件生成方法、装置及光学元件，解决现有的圆偏振探测器的光学元件制造过程通常耗时长及成本高的问题。
5.为实现上述目的，发明人提供了一种圆偏振探测器的光学元件生成方法，包括以
下步骤：
6.将参考光调整为第一旋向圆偏振光，根据参考光与信号光之间的干涉角调整信号光为第一偏振态光，构建第一曝光偏振全息干涉场；
7.通过第一曝光偏振全息干涉场在偏振全息记录片的预设位置记录第一强度信号图；
8.将参考光调整为第二旋向圆偏振光，根据参考光与信号光之间的干涉角调整信号光为第二偏振态光，构建第二曝光偏振全息干涉场；
9.通过第二曝光偏振全息干涉场在偏振全息记录片的预设位置记录第二强度信号图；
10.基于偏光全息中的零再现效应，第一曝光偏振全息干涉场及第二曝光偏振全息干涉场分别记录在偏振全息记录片的预设位置产生偏振复用干涉场，制得全息元件。
11.进一步优化，所述第一旋向圆偏振光为右旋圆偏振光，所述第一偏振态光的偏振态为s-(1/cosθ)ip
+
；第二旋向偏振光为左旋圆偏振光，所述第二偏振态光的偏振态为s+(1/cosθ)ip
+
，θ为参考光与信号光之间的干涉角；
12.或者，第一旋向圆偏振光为左旋圆偏振光，所述第一偏振态光的偏振态为s+(1/cosθ)ip
+
；第二旋向偏振光为右旋圆偏振光，所述第二偏振态光的偏振态为s-(1/cosθ)ip
+
，θ为参考光与信号光之间的干涉角。
13.进一步优化，所述偏振全息记录片为菲醌掺杂聚甲基丙烯酸甲酯光聚合物。
14.还提供了另一个技术方案：一种圆偏振探测器的光学元件生成装置，包括：
15.激光器，用于产生激光；
16.偏振分束器，用于将激光器产生的激光分为信号光及参考光；
17.信号光路，用于将信号光照射偏振全息记录片；
18.参考光路，用于将参考光照射偏振全息记录片；
19.第一四分之一波片，所述第一四分之一波片设置在信号光路上，所述第一四分之一波片用于根据参考光与信号光之间的干涉角调整信号光的偏振态；
20.空间光调制器，所述空间光调制器设置在信号光路上，用于加载强度信号图；
21.第一成像透镜，所述第一成像透镜设置在信号光路中，用于将信号光路中的强度信号图成像至偏振全息记录片上；
22.第一半波片，所述第一半波片设置在参考光路上，用于将将参考光的s 偏振调节为p偏振；
23.第二四分之一波片，所述第二四分之一波片设置在参考光路上，用于将参考光调整为右旋圆偏振光或者左旋圆偏振光。
24.进一步优化，还包括扩束镜，所述扩束镜设置在激光器与偏振分束器之间，所述扩束镜用于对激光器产生的激光进行扩束。
25.进一步优化，还包括第二半波片，所述第二半波片设置在激光器与偏振分束器之间，所述第二半波片用于调整信号光和参考光的强度比。
26.进一步优化，所述偏振全息记录片为菲醌掺杂聚甲基丙烯酸甲酯光聚合物。
27.进一步优化，还包括第二成像透镜及感光元件；
28.所述第二成像透镜用于读取偏振全息记录片上的再现光，并在感光元件上成像。
29.进一步优化，所述感光元件为互补金属氧化物半导体。
30.进一步优化，所述信号光路包括第一反射镜，所述第一反射镜用于将信号光垂直射入偏振全息记录片；
31.所述参考光路包括第二反射镜及第三反射镜，所述第二反射镜及第三反射镜用于将参考光以预设干涉角射入偏振全息记录片，所述预设干涉角为参考光与信号光之间的干涉角。
32.还提供了另一个技术方案，一种圆偏振探测器的光学元件，所述光学元件为上述所述圆偏振探测器的光学元件生成方法制备或者由上述所述圆偏振探测器的光学元件生成装置制备。
33.区别于现有技术，上述技术方案，通过将参考光调整为第一旋向圆偏振光，根据参考光与信号光之间的干涉角调整信号光为第一偏振态光，构建第一曝光偏振全息干涉场；通过第一曝光偏振全息干涉场在偏振全息记录片的预设位置记录第一强度信号图；将参考光调整为第二旋向圆偏振光，根据参考光与信号光之间的干涉角调整信号光为第二偏振态光，构建第二曝光偏振全息干涉场；通过第二曝光偏振全息干涉场在偏振全息记录片中记录第二强度信号图。两次曝光干涉场记录在全息记录材料的同一位置，并产生偏振复用的干涉场，即偏振复用全息图，最终得到全息元件。根据零再现效应(nre) 的特性与圆偏振探测器所要实现的功能，构建了两组曝光干涉场,这两组干涉场可以在复用偏振全息图中产生所需的偏振干涉图案，并实现偏振旋向/手性的检测。可以在几秒内制备完成圆偏振探测器所需要的光学元件，偏振全息记录片可以采用常用的具有偏振灵敏度的全息材料，大大降低制造成本。
34.上述发明内容相关记载仅是本技术技术方案的概述，为了让本领域普通技术人员能够更清楚地了解本技术的技术方案，进而可以依据说明书的文字及附图记载的内容予以实施，并且为了让本技术的上述目的及其它目的、特征和优点能够更易于理解，以下结合本技术的具体实施方式及附图进行说明。
附图说明
35.附图仅用于示出本技术具体实施方式以及其他相关内容的原理、实现方式、应用、特点以及效果等，并不能认为是对本技术的限制。
36.在说明书附图中：
37.图1为具体实施方式所述圆偏振探测器的光学元件生成方法的一种流程示意图；
38.图2为具体实施方式所述圆偏振探测器的光学元件生成装置的一种结构示意图；
39.图3为具体实施方式所述再现阶段不同偏振态光束读取全息元件的衍射光实验得到的图像的一种示意图；
40.图4为具体实施方式所述衍射归一化强度与第一四分之一波片快轴旋转角度的依赖关系的一种示意图；
41.图5为具体实施方式所述衍射强度差值与第一四分之一波片快轴旋转角度的依赖关系的一种示意图。
42.上述各附图中涉及的附图标记说明如下：
43.1、激光器，2、扩束镜，3、第二半波片，4、偏振分束器，5、第二反射镜，6、第一半波
片，7、第三反射镜，8、第二四分之一波片，9、第一反射镜，10、空间光调制器；11、第一成像透镜，12、第一四分之一波片，13、偏振全息记录片，14、第二成像透镜，15、感光元件。
具体实施方式
44.为详细说明本技术可能的应用场景，技术原理，可实施的具体方案，能实现目的与效果等，以下结合所列举的具体实施例并配合附图详予说明。本文所记载的实施例仅用于更加清楚地说明本技术的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本技术的保护范围。
45.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中各个位置出现的“实施例”一词并不一定指代相同的实施例，亦不特别限定其与其它实施例之间的独立性或关联性。原则上，在本技术中，只要不存在技术矛盾或冲突，各实施例中所提到的各项技术特征均可以以任意方式进行组合，以形成相应的可实施的技术方案。
46.除非另有定义，本文所使用的技术术语的含义与本技术所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中对相关术语的使用只是为了描述具体的实施例，而不是旨在限制本技术。
47.在本技术的描述中，用语“和/或”是一种用于描述对象之间逻辑关系的表述，表示可以存在三种关系，例如a和/或b，表示：存在a，存在b，以及同时存在a和b这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的逻辑关系。
48.在本技术中，诸如“第一”和“第二”之类的用语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的数量、主次或顺序等关系。
49.在没有更多限制的情况下，在本技术中，语句中所使用的“包括”、“包含”、“具有”或者其他类似的表述，意在涵盖非排他性的包含，这些表述并不排除在包括所述要素的过程、方法或者产品中还可以存在另外的要素，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者产品中不仅可以包括那些限定的要素，而且还可以包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法或者产品所固有的要素。
50.与《审查指南》中的理解相同，在本技术中，“大于”、“小于”、“超过”等表述理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等表述理解为包括本数。此外，在本技术实施例的描述中“多个”的含义是两个以上(包括两个)，与之类似的与“多”相关的表述亦做此类理解，例如“多组”、“多次”等，除非另有明确具体的限定。
51.在本技术实施例的描述中，所使用的与空间相关的表述，诸如“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“垂直”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等，所指示的方位或位置关系是基于具体实施例或附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术的具体实施例或便于读者理解，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的位置、特定的方位、或以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本技术实施例的限制。
52.除非另有明确的规定或限定，在本技术实施例的描述中，所使用的“安装”“相连”“连接”“固定”“设置”等用语应做广义理解。例如，所述“连接”可以是固定连接，也可以是可
拆卸连接，或成一体设置；其可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通信连接；其可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；其可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本技术所属技术领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述用语在本技术实施例中的具体含义。
53.零再现效应(nre)是偏振全息术中的一种独特现象，由todorov等人首次观察并提出。当时，nre已经考虑到当用正交偏振读取波读取全息图时，衍射效率会下降到零。
54.记录和再现过程中的波束用g和f来区分，下标“+”和
“‑”
分别表示信号光和参考光。p偏振定义为在垂直于波传播的x-z平面中偏振的光束，而 s偏振平行于y轴。对于正交线偏振，单位向量可以表示为： pj(+，-)分别表示信号光和参考光的单位向量。
55.在记录阶段，体偏振光栅由入射角为θ
+
的矢量信号光g
+
和入射角为θ-的矢量参考光g-写入材料。两束光束以θ
+
＝θ-的对称角干涉，干涉图案的合成电场可以表示为u是位置向量，k
+
和k-分别对应信号光向量和参考光向量，其中
56.在这里，任意偏振态可以写成：m
∝
(αjs+βjp
+
)，其中，αj和βj表示任意实数或虚数，下标j＝1,2,3，分别对应于信号光、参考光和读取光。
57.在全息的再现阶段，使用满足布拉格条件的光波α3s+β3p
+
，读取波来重现全息图。通过结合新的张量理论和耦合波理论，一般再现光f+可以计算和描述为：
[0058][0059]
为了探测并区分正交圆偏振光(cpl)，设计记录了两组字母的偏振复用全息图,使得光学系统的视场中，再现图像取决于入射圆偏振光的手性。在该偏振复用全息图中，每个全息图分别包含偏振信息：右旋圆偏振光、左旋圆偏振光；及对应的振幅信息，即缩写字母“r”和“l”。当全息图被不同的圆偏振光再现时，右圆偏振(rcp)将衍射再现出字母“r”，而左圆偏振(lcp) 将衍射再现出字母“l”，故改变入射光的偏振旋向/手性会再现不同的再现信号图像。
[0060]
请参阅图1，本实施例提供了一种圆偏振探测器的光学元件生成方法，包括以下步骤：
[0061]
步骤s110：将参考光调整为第一旋向圆偏振光，根据参考光与信号光之间的干涉角调整信号光为第一偏振态光，构建第一曝光偏振全息干涉场；
[0062]
步骤s120：通过第一曝光偏振全息干涉场在偏振全息记录片的预设位置记录第一强度信号图及其对应的偏振态；
[0063]
步骤s130：将参考光调整为第二旋向圆偏振光，根据参考光与信号光之间的干涉角调整信号光为第二偏振态光，构建第二曝光偏振全息干涉场；
[0064]
步骤s140：通过第二曝光偏振全息干涉场在偏振全息记录片的预设位置记录第二强度信号图及其对应的偏振态；
[0065]
步骤s150：基于偏光全息中的零再现效应，第一曝光偏振全息干涉场及第二曝光偏振全息干涉场分别记录在偏振全息记录片的预设位置产生偏振复用干涉场，制得全息元件。
[0066]
两次曝光干涉场记录在全息记录材料的同一位置，并产生偏振复用的干涉场，即偏振复用全息图，最终得到全息元件。根据偏光全息中的零再现效应(nre)的特性与圆偏振探测器所要实现的功能，构建了两组曝光干涉场, 这两组干涉场可以在复用偏振全息图中产生所需的偏振干涉图案，并实现偏振旋向/手性的检测。可以在几秒内制备完成圆偏振探测器所需要的光学元件，偏振全息记录片可以采用常用的具有偏振灵敏度的全息材料，大大降低制造成本。
[0067]
在某些实施例中，所述第一旋向圆偏振光为右旋圆偏振光，所述第一偏振态光的偏振态为s-(1/cosθ)ip
+
；第二旋向偏振光为左旋圆偏振光，所述第二偏振态光的偏振态为s+(1/cosθ)ip
+
，θ为参考光与信号光之间的干涉角，其中， rcp为s+ip
+
，lcp为s-ip
+
。
[0068]
如下表所示：
[0069][0070]
上表总结了用于制备圆偏振检测器的偏振全息干涉场的构造。编号1和编号2的行对应于相同记录位置的顺序双重曝光过程，其参考光是正交圆偏振光束，读取光为右旋圆偏振光(rcp)或左旋圆偏振光(lcp)。
[0071]
其中，干涉角θ与信号光的偏振态是存在耦合关系的。在再现过程的最后两列中，当通过与参考光相同的rcp或lcp光束再现全息图时，会出现衍射项。然而，当用与记录参考正交的偏振光再现全息图时，衍射效率下降到零，这就是零再现效应(nre)。因此，当复用偏振全息图被rcp或lcp光再现时，携带一种圆偏振态的光会被衍射，而携带相反旋向的圆偏振态的光则相当于被ner效应阻挡，它是区分圆偏振光束旋向性的原理。根据上表可知，复用偏振全息图的ner特性对再现光圆偏振态的旋向有很强的依赖性，使该光学元件能够作为圆偏振检测器应用，满足圆偏振光或椭圆偏振光旋向性的测定。
[0072]
在其他实施例中，第一旋向偏振光为左旋圆偏振光，所述第一偏振态光的偏振态为s+(1/cosθ)ip
+
，所述第二旋向圆偏振光为右旋圆偏振光，所述第二偏振态光的偏振态为
s-(1/cosθ)ip
+
，θ为参考光与信号光之间的干涉角。
[0073]
在某些实施例中，所述偏振全息记录片为菲醌掺杂聚甲基丙烯酸甲酯光聚合物。偏振特性在偏振全息图中是通用的，偏振全息记录片并不限于某种特定的偏振敏材料。常用的具有偏振灵敏度的全息材料也可以应用于圆偏振探测器的光学元件的制备，而在本实施例中，偏振全息记录片采用的为菲醌掺杂聚甲基丙烯酸甲酯光聚合物的记录偏振敏感材料。菲醌掺杂聚甲基丙烯酸甲酯光聚合物(pq/pmma)该材料具有:光致双折射和偏振敏感特性，制备成本低，对光致收缩具有鲁棒性的特点。
[0074]
提供了一种基于偏振全息术中的零再现效应(nre)来检测光的圆偏振光旋向的新方案。圆偏振检测器是一种具有偏振选择性的偏振全息记录片，可根据入射光的旋向性来再现不同的图像。采用本技术中基于全息曝光法的圆偏振探测器的光学元件生成方法，可在几秒内制备完成得到偏振全息记录片。在理论上得到了同时满足复用偏振全息图中的nre效应的干涉场的解析解；并在实验上通过构建干涉场，以实现根据再现光的不同偏振属性区分圆偏振光(cpl)的手性。通过控制入射光偏振的旋向，即右旋圆偏振(rcp)或左旋圆偏振(lcp)光，两个对称分布的信号图像可以在一张相同的全息图中被交替读取。该方案基于正交圆偏振全息的零再现效应(nre)，且不受近轴近似或90度干涉角的限制和严格的曝光条件，在应用中更加实用，为制作圆偏振探测器提供了一种可行且方便的方法。
[0075]
此外，与纳米结构相比，基于偏振全息的方法在制造的效率和便利性上更具有优势，为现有的超材料技术提供了一种的新补充解决方案。因此，该方案在直接制造用于集成光学器件的大面积圆偏振探测器拥有的巨大潜力。
[0076]
请参阅图2，在另一实施例中，一种圆偏振探测器的光学元件生成装置，包括：
[0077]
激光器1，用于产生激光；
[0078]
偏振分束器4，用于将激光器1产生的激光分为信号光及参考光；
[0079]
信号光路，用于将信号光照射偏振全息记录片13；
[0080]
参考光路，用于将参考光照射偏振全息记录片13；
[0081]
第一四分之一波片12，所述第一四分之一波片12设置在信号光路上，所述第一四分之一波片12用于根据参考光与信号光之间的干涉角调整信号光的偏振态；
[0082]
空间光调制器10，所示空间光调制器10设置在信号光路上，用于加载强度信号图；
[0083]
第一成像透镜11，所述第一成像透镜11设置在信号光路上，用于将信号光路上的强度信号图成像至偏振全息记录片13上；
[0084]
第一半波片6，所述第一半波片6设置在参考光路上，用于将将参考光的 s偏振调节为p偏振；
[0085]
第二四分之一波片8，所述第二四分之一波片8设置在参考光路上，用于将参考光调整为右旋圆偏振光或者左旋向圆偏振光。
[0086]
激光器1产生波长为532nm的准直激光束，通过偏振分束器4分为信号光束和参考光束，在信号光路中，第一四分之一波片12用于将信号光的线性偏振态调整为椭圆偏振或圆偏振，在参考光路中，第一半波片6用于将参考光的s偏振态调节为p偏振态，第二四分之一波片8将参考光调整为椭圆偏振态或者圆偏振态，其中，可以通过调整水平线偏振光束与四分之一波片快轴的夹角，可以方便地获得不同旋向的圆偏振。其中，偏振全息记录片13上的入射光束直径约为5mm，写入光束的强度约为1mw/cm2。每个图像的曝光时间约为10秒，在
全息再现阶段，第一四分之一波片12被用来调整再现光波的偏振态。
[0087]
其中，信号光和参考光之间的干涉角是随机选择的，在本实施例中，记录材料干涉外角为48
°
，采用的偏振全息记录片13的折射率为1.5，根据斯涅尔定律，材料内部的两个记录波的干涉角为30
°
，如上表所述的用于制备圆偏振检测器的偏振全息干涉场的构造，信号光的偏振态与干涉角θ的耦合关，两个记录信号的椭圆偏振波应分别调节为s
±
1.15p
+
。
[0088]
在偏振复用记录阶段，将记录图像窗口分成两部分，一半耦合一种旋向手性，另一半耦合到另一个旋向手性，并在记录材料的同一位置依次记录两组偏振全息图：第一强度信号图及第二强度信号图。在第一次记录过程中，根据表所示，将参考光和信号光调整为左旋椭圆偏振态和右旋圆偏振态，利用透射式振幅空间光调制器10加载强度信号字母“r”(第一强度信号图)，并通过第一透镜将字母“r”成像至偏振全息记录片13中。在第二次记录过程中，分别通过分别旋转第一四分之一波片12和第二四分之一波片8，实现信号和参考光束的偏振旋向的反转，以记录另一个字母“l”(第二强度信号图)。两次曝光干涉场记录在全息记录材料的同一位置，并产生偏振复用的干涉场，即偏振复用全息图，最终制得全息元件。
[0089]
在某些实施例中，还包括扩束镜2，所述扩束镜2设置在激光器1与偏振分束器4之间，所述扩束镜2用于对激光器1产生的激光进行扩束。扩束镜2 设计用于扩大平行输入光束的直径至较大的平行输出光束。
[0090]
在某些实施例中，还包括第二半波片3，所述第二半波片3设置在激光器 1与偏振分束器4之间，所述第二半波片3用于调整信号光和参考光的强度比。
[0091]
在某些实施例中，所述偏振全息记录片13为菲醌掺杂聚甲基丙烯酸甲酯光聚合物。偏振特性在偏振全息图中是通用的，偏振全息记录片13并不限于某种特定的偏振敏材料。常用的具有偏振灵敏度的全息材料也可以应用于圆偏振探测器的光学元件的制备，而在本实施例中，偏振全息记录片13采用的为菲醌掺杂聚甲基丙烯酸甲酯光聚合物的记录偏振敏感材料。菲醌掺杂聚甲基丙烯酸甲酯光聚合物(pq/pmma)该材料具有:光致双折射和偏振敏感，低成本制造，对光致收缩具有鲁棒性的特点。
[0092]
在某些实施例中，还包括第二成像透镜14及感光元件15；
[0093]
所述第二成像透镜14用于读取偏振全息记录片13上的再现光，并在感光元件15上成像。
[0094]
通过第二成像透镜14和感光元件15进行偏振全息记录片13上的再现光的读取。通过感光元件15可以探测制备完成的全息元件中再现图案的效果。其中，所述感光元件15为互补金属氧化物半导体。互补金属氧化物半导体cmos (complementary metal-oxide semiconductor)和ccd一样同为在扫描仪中可记录光线变化的半导体。目前cmos感光器件主要应用于少数名片扫描仪和文件扫描仪。cmos的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在cmos上共存着带n(带
–
电)和p (带+电)级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。在其他实施例中，感光元件15也可以采用电荷耦合器件(ccd)。
[0095]
在某些实施例中，所述信号光路包括第一反射镜9，所述第一反射镜9用于将信号光垂直射入偏振全息记录片13；
[0096]
所述参考光路包括第二反射镜5及第三反射镜7，所述第二反射镜5及第三反射镜7用于将参考光以预设干涉角射入偏振全息记录片13，所述预设干涉角为参考光与信号光之
间的干涉角。通过第一反射镜9将信号光垂直射入偏振全息记录片13，可以使得信号光可以垂直被衍射出来，可以将感光元件 15垂直放置于偏振全息记录片13后面，垂直于信号光，便于再现光的读取。而根据信号光垂直射入偏振全息记录片13，通过第二反射镜5及第三反射镜 7将参考光以相应的干涉角射入偏振全息记录片13中。而在其他实施例中，也可以将信号光以其他角度射入偏振全息记录片13，而根据信号光射入的角度设置相应的信号光的反射镜组以及参考光的反射镜组。在其他组实施例中，信号光路及参考光路的搭建也可以采用其他方式的反射镜组进行搭建，只要满足信号光及参考光的偏振态以及信号光与参考光之间的干涉角，采用的记录材料(偏振全息记录片)是偏振敏感的，即可制备得到圆偏振探测器的光学元件。
[0097]
另一实施例中，一种圆偏振探测器的光学元件，所述光学元件为上述实施例中的圆偏振探测器的光学元件生成方法制备或者上述实施例中的所述圆偏振探测器的光学元件生成装置制备。
[0098]
为了证明制备好的圆偏振探测器的性能，测量衍射信号强度变化随着不同入射偏振光的改变情况来分析生成的偏振全息记录片的效果。当入射偏振态为水平时，分别以15
°
为步长对第一四分之一波片12由0
°
到165
°
进行旋转。如图3所示的再现阶段不同偏振态光束读取全息元件的衍射光实验得到的图像，图中左下角的度数是第一四分之一波片12相对于水平的相应旋转角度，从0
°
到165
°
，步长为15
°
入射光的偏振态：(a)和(g)为线偏振光，(d)为rcp，(j)为lcp；(b)、(c)、(e)(f)为右旋椭圆偏振光，(h)、 (i)、(k)、(l)为左旋椭圆偏振光。随着不同入射偏振光的椭圆率的改变，两个信号图像的强度会产生上升和下降，一般地，rcp和lcp构成一组偏振的正交基矢，入射光束可以分解为不同正交成分比例(如线性和椭圆偏振光) 的叠加，则“r”和“l”将同时再现。图3中，(a)和(g)是水平线偏振入射光的实验结果，其中第一四分之一波片12的快轴位于水平或垂直位置。由于线偏振光包含等比例的rcp和lcp分量，故字母“r”和“l”将同时再现。
[0099]
图3中(d)和(j)显示了用正交旋向圆偏振光束照射探测器时的衍射结果。用相应rcp或lcp光束照射时，记录的字母“r”和“l”被顺序再现出来。如图3中(d)所示，当用rcp光照射全息图时，可以观察到具有非常高保真度且没有失真的清晰信号图像(右侧的“r”),同理入射光为lcp时，衍射图像为“l”，如图3(j)所示。有实验现象可知，再现图像是可切换的，即“r”或“l”，取决于入射光偏振手性，实现了rcp和lcp光束的偏振旋向的检测。
[0100]
当读取光转换为左旋椭圆偏振光束时，lcp分量将占主导，其中字母“l”将比图3(h)中的“r”更加突出。因此，“l”和“r”的强度出现交替升降，并对应于rcp和lcp的主导趋势。因此，偏振光束的旋向性可以直接由字母“r”和“l”之间的相对强度直观地决定。
[0101]
此外，如图4所示的衍射归一化强度与第一四分之一波片12快轴旋转角度的依赖关系及图5所示的衍射强度差值与第一四分之一波片12快轴旋转角度的依赖关系，为表征圆偏振检测器的性能，还定量分析了在不同偏振态的入射光照射下，两个再现图像之间的强度演变。字母“r”和“l”的强度值，可以利用cmos拍摄的衍射图中，字母相对应的有效区域中像素强度相加之和来获得(单位像素的强度低于cmos的最大灵敏度阈值)。图4所示的衍射强度与第一四分之一波片12快轴旋转角度的依赖关系，其中点和实线分别代表实验和模拟数据。
[0102]
制备完成的圆偏振光探测器的检测能力可以通过偏振消光差来评估，偏振消光差
定义为正交圆偏振光束读取的强度差。为了进一步表征圆偏振探测器的性能，我们计算了不同偏振态读取光得到的再现光强度衍射差(dr-dl)，其中dr和dl分别代表由rcp和lcp光再现的字母“r”和“l”的衍射强度。从图5可以看出，(dr-dl)的绝对差值高达到4000，展现了很高的偏振灵敏度，这样进一步说明利用该方法制备圆偏振探测器，可以很好地区分右旋圆偏振态光和左旋圆偏振态光。
[0103]
本方案中制造了一种基于偏振全息中的零再现效应(nre)的光学元件，用于探测圆偏振的旋向。从理论上给出圆偏振探测器的工作原理，并通过秒量级的曝光，制备该元件，该方案为圆偏振探测器提供了一种简单的制造方案。
[0104]
此外，通过各种再现偏振光束的读取，来展示圆偏振检测器的性能。实验结果表明，改变入射偏振态的偏振旋向会导致不同的再现信号图像，当rcp 入射衍射成字母“r”，lcp入射衍射成字母“l”，即直观地实现了圆偏振的旋向/手性检测。此外，通过再现全息字母“r”和“l”的相对强度也可以确定椭圆偏振光束的旋向。
[0105]
同时提供了一种基于偏振复用全息的偏振旋向检测方法,该方案将在全斯托克斯参数检测、材料表征、医学诊断和生物医学成像方面表现出巨大的潜力。
[0106]
最后需要说明的是，尽管在本技术的说明书文字及附图中已经对上述各实施例进行了描述，但并不能因此限制本技术的专利保护范围。凡是基于本技术的实质理念，利用本技术说明书文字及附图记载的内容所作的等效结构或等效流程替换或修改产生的技术方案，以及直接或间接地将以上实施例的技术方案实施于其他相关的技术领域等，均包括在本技术的专利保护范围之内。
技术特征：
1.一种圆偏振探测器的光学元件生成方法，其特征在于，包括以下步骤：将参考光调整为第一旋向圆偏振光，根据参考光与信号光之间的干涉角调整信号光为第一偏振态光，构建第一曝光偏振全息干涉场；通过第一曝光偏振全息干涉场在偏振全息记录片的预设位置记录第一强度信号图；将参考光调整为第二旋向圆偏振光，根据参考光与信号光之间的干涉角调整信号光为第二偏振态光，构建第二曝光偏振全息干涉场；通过第二曝光偏振全息干涉场在偏振全息记录片的预设位置记录第二强度信号图；基于偏光全息中的零再现效应，第一曝光偏振全息干涉场及第二曝光偏振全息干涉场分别记录在偏振全息记录片的预设位置产生偏振复用干涉场，制得全息元件。2.根据权利要求1所述圆偏振探测器的光学元件生成方法，其特征在于，所述第一旋向圆偏振光为右旋圆偏振光，所述第一偏振态光的偏振态为s-(1/cosθ)ip
+
；第二旋向偏振光为左旋圆偏振光，所述第二偏振态光的偏振态为s+(1/cosθ)ip
+
,θ为参考光与信号光之间的干涉角；或者，第一旋向圆偏振光为左旋圆偏振光，所述第一偏振态光的偏振态为s+(1/cosθ)ip
+
；第二旋向偏振光为右旋圆偏振光，所述第二偏振态光的偏振态为s-(1/cosθ)ip
+
，θ为参考光与信号光之间的干涉角。3.一种圆偏振探测器的光学元件生成装置，其特征在于，所述装置应用于如权利要求1-2任意一项所述圆偏振探测器的光学元件生成方法，所述装置包括：激光器，用于产生激光；偏振分束器，用于将激光器产生的激光分为信号光及参考光；信号光路，用于将信号光照射到偏振全息记录片；参考光路，用于将参考光照射到偏振全息记录片；第一四分之一波片，所述第一四分之一波片设置在信号光路上，所述第一四分之一波片用于根据参考光与信号光之间的干涉角调整信号光的偏振态；空间光调制器，所述空间光调制器设置在信号光路上，用于加载强度信号图；第一成像透镜，所述第一成像透镜设置在信号光路上，用于将信号光路上的强度信号图成像至偏振全息记录片上；第一半波片，所述第一半波片设置在参考光路上，用于将将参考光的s偏振调节为p偏振；第二四分之一波片，所述第二四分之一波片设置在参考光路上，用于将参考光调整为右旋圆偏振光或者左旋圆偏振光。4.根据权利要求3所述圆偏振探测器的光学元件生成装置，其特征在于，还包括扩束镜，所述扩束镜设置在激光器与偏振分束器之间，所述扩束镜用于对激光器产生的激光进行扩束。5.根据权利要求3所述圆偏振探测器的光学元件生成装置，其特征在于，还包括第二半波片，所述第二半波片设置在激光器与偏振分束器之间，所述第二半波片用于调整信号光和参考光的强度比。6.根据权利要求3所述圆偏振探测器的光学元件生成装置，其特征在于，所述偏振全息记录片为菲醌掺杂聚甲基丙烯酸甲酯光聚合物。
7.根据权利要求3所述圆偏振探测器的光学元件生成装置，其特征在于，还包括第二成像透镜及感光元件；所述第二成像透镜用于读取偏振全息记录片上的再现光，并在感光元件上成像。8.根据权利要求7所述圆偏振探测器的光学元件生成装置，其特征在于，所述感光元件为互补金属氧化物半导体。9.根据权利要求3所述圆偏振探测器的光学元件生成装置，其特征在于，所述信号光路包括第一反射镜，所述第一反射镜用于将信号光垂直射入偏振全息记录片；所述参考光路包括第二反射镜及第三反射镜，所述第二反射镜及第三反射镜用于将参考光以预设干涉角射入偏振全息记录片，所述预设干涉角为参考光与信号光之间的干涉角。10.一种圆偏振探测器的光学元件，其特征在于，所述光学元件为权利要求1-2任意一项所述圆偏振探测器的光学元件生成方法制备或者由权利要求3-9任意一项所述圆偏振探测器的光学元件生成装置制备。
技术总结
本发明涉及一种圆偏振探测器的光学元件生成方法、装置及光学元件，所述方法包括以下步骤：将参考光调整为第一旋向圆偏振光，调整信号光为第一偏振态光，构建第一曝光偏振全息干涉场；通过第一曝光偏振全息干涉场在偏振全息记录片中产生第一强度信号图；将参考光调整为第二旋向圆偏振光，调整信号光为第二偏振态光，构建第二曝光偏振全息干涉场；通过第二曝光干涉场在偏振全息记录片记录第二强度信号图，在偏振全息记录片的预设位置产生偏振复用干涉场，制得全息元件。实现了在几秒内制备完成圆偏振探测器所需要的光学元件，偏振全息记录片可以采用常用的具有偏振灵敏度的全息材料，大大降低制造成本。大大降低制造成本。大大降低制造成本。
