偏振成像系统以及采用该偏振成像系统成像的方法

技术领域

本发明涉及偏振光学领域，尤其涉及一种光学非线性偏振调控元件，调控入射光波偏振的方法以及其应用。

背景技术

偏振光已被人们广泛使用，当前人们已经拥有多种方法与装置以实现对光波偏振态的调控，例如采用电光调制器、液晶调制器、磁光调制器等。它们的原理是利用电场或磁场使电光晶体、液晶分子、磁光晶体的双折射特性或旋光特性发生改变，进而使得透射光的偏振态发生变化。

然而以上方法中加载的调控电场或磁场信号均依赖于电子线路产生，其开关速度受限于电路的响应速度。另外，如果类似的元件使用于现代光信息通信系统中，在信息代码生成与调控阶段伴随着电信号-光信号之间的转换，造成时间浪费，限制了通讯系统中信息的传输速率与带宽。而利用光学调控手段可以实现较快的响应速度。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种全光式的利用光学非线性效应的偏振调控元件的偏振成像系统以及采用该偏振成像系统成像的方法。

一种偏振成像系统，其特征在于，其包括：一光学非线性偏振调控元件，该光学非线性偏振调控元件包括：一绝缘透明基底；一设置于该绝缘透明基底的一表面的金属等离子激元层，所述等离子激元层包括多个周期设置的具有手性的微结构；以及一设置于该金属等离子激元层远离该绝缘透明基底的表面且将该金属等离子激元层覆盖的折射率可调控薄膜；所述折射率可调控薄膜包括折射率在光照下可调控的材料；一偏振光源，所述偏振光源用于发射偏振入射光，使该偏振入射光从所述光学非线性偏振调控元件的折射率可调控薄膜一侧入射，并从绝缘透明基底一侧出射形成第一偏振调制出射光；一调控光源，所述调控光源用于发射调控光，并使该调控光从所述光学非线性偏振调控元件的折射率可调控薄膜一侧入射，从而改变所述折射率可调控薄膜的折射率，使从绝缘透明基底一侧出射的第一偏振调制出射光改变为第二偏振调制出射光；一消光滤波装置，所述消光滤波装置用于对上述第一偏振调制出射光进行消光以及过滤从绝缘透明基底一侧出射的调控光；以及一成像装置，所述成像装置用于对接收到的光进行成像。

如上述偏振成像系统，优选地，所述折射率可调控薄膜部分延伸至所述等离子激元层的开口中并与所述绝缘透明基底的表面接触；所述折射率在光照下可调控的材料为半导体材料，非线性晶体材料，光折变材料，光致变色材料以及光致异构材料中的一种或几种。

如上述偏振成像系统，优选地，所述折射率可调控薄膜包括一聚甲基丙烯酸甲酯聚合物以及多个分散于该聚合物中的乙基红光致异构材料；所述金属为金、银、铜、铁、铝、镍等或其合金；所述微结构的厚度为30纳米~100纳米，周期为300纳米~1000纳米，尺寸为100纳米~500纳米。

如上述偏振成像系统，优选地，所述多个微结构间隔设置形成一阵列；所述微结构包括一矩形本体以及一由该矩形本体延伸出来的矩形尖端凸起；所述矩形本体与所述矩形尖端凸起为一整体结构；所述矩形尖端凸起靠近一角处设置，且所述矩形尖端凸起的一长边与该矩形本体的一边平齐。

如上述偏振成像系统，优选地，进一步包括二向色镜；所述偏振光源、光学非线性偏振调控元件、消光滤波装置以及成像装置依次间隔设置在一条直线上；所述二向色镜设置于所述偏振光源和所述光学非线性偏振调控元件之间，从而使所述偏振光源发射的偏振入射光可以通过所述二向色镜、所述光学非线性偏振调控元件以及所述消光滤波装置后到达所述成像装置；所述调控光源设置于所述二向色镜一侧，且其发射的调控光可以经所述二向色镜反射后与所述偏振入射光重合。

如上述偏振成像系统，优选地，所述二向色镜的角度为45度，从而确保所述调控光的光斑形状经所述二向色镜反射后照射在所述光学非线性偏振调控元件上时与所述二向色镜反射前保持一致。

如上述偏振成像系统，优选地，进一步包括一设置于所述偏振光源和所述二向色镜之间的第一光路调节装置以及一设置于所述调控光源和所述二向色镜之间的第二光路调节装置；所述第一光路调节装置包括依次设置于所述偏振光源发光面一侧的一第一凸透镜、一第一针孔、一第二凸透镜以及一第三凸透镜；所述第二光路调节装置包括一依次设置于所述调控光源发光面一侧的第四凸透镜、一第二针孔、一第五凸透镜、一成像掩模以及第六凸透镜。

如上述偏振成像系统，优选地，进一步包括一设置于所述二向色镜和所述光学非线性偏振调控元件之间第一显微物镜；一设置于所述消光滤波装置和所述光学非线性偏振调控元件之间的第二显微物镜；以及一设置于所述消光滤波装置和成像装置之间的成像透镜。

一种采用上述偏振成像系统成像的方法，其包括：打开所述偏振光源使其发射偏振入射光，使该偏振入射光从所述光学非线性偏振调控元件的折射率可调控薄膜一侧入射，并从绝缘透明基底一侧出射形成第一偏振调制出射光，并将该第一偏振调制出射光照射在所述成像装置上；调节所述消光滤波装置，使所述第一偏振调制出射光消光，所述成像装置无法接收到信号；以及打开所述调控光源发射调控光，并使该调控光从所述光学非线性偏振调控元件的折射率可调控薄膜一侧入射，从而改变所述折射率可调控薄膜的折射率，使从绝缘透明基底一侧出射的第一偏振调制出射光改变为第二偏振调制出射光，且所述第二偏振调制出射光照射在所述成像装置上进行成像。

如上述成像的方法，优选地，所述绝缘透明基底为二氧化硅层，所述等离子激元层为金微结构阵列，所述折射率可调控薄膜包括聚甲基丙烯酸甲酯聚合物以及多个分散于该聚合物中的乙基红光致异构材料；所述偏振入射光为x偏振红光，所述第一偏振调制出射光和第二偏振调制出射光为椭圆偏振光，所述调控光为偏振绿光；所述第二偏振调制出射光的椭偏角χ与主轴方向旋转角φ相对于所述第一偏振调制出射光的椭偏角χ与主轴方向旋转角φ发生波长移动；所述第二偏振调制出射光在所述成像装置上成像的图案与所述成像掩模的图案相同。

与现有技术相比较，本发明提供的偏振成像系统可以实现对偏振光的全光式调控成像。该成像方法，具有方法简单，相应速度快的优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光学非线性偏振调控元件的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的光学非线性偏振调控元件的等离子激元层的微结构的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的光学非线性偏振调控元件的等离子激元层的微结构阵列的扫描电镜照片。

图4为本发明实施例提供的采用本发明的光学非线性偏振调控元件调控入射光偏振的方法流程图。

图5为本发明实施例中，采用调控光照射前，不同波长x偏振光透过本发明的光学非线性偏振调控元件后转化为椭偏光的椭偏角χ与极轴（偏振面）旋转角φ。

图6为本发明实施例中，本发明的光学非线性偏振调控元件的透射光椭偏角χ与极轴旋转角φ在采用调控光照射前和照射后的对比。

图7为本发明实施例中，采用调控光照射前和照射后，本发明的光学非线性偏振调控元件的透射光的椭偏角χ与极轴旋转角φ的差Δχ和Δφ。

图8为本发明实施例中，采用绿光调控光照射前和照射后，本发明的光学非线性偏振调控元件的乙基红分子结构的光致异构变化。

图9为本发明实施例中，采用调控光照射时，光学非线性偏振调控的时间响应特性。

图10为本发明实施例提供的采用本发明的光学非线性偏振调控元件的偏振成像系统。

图11为本发明实施例提供的偏振成像系统的待成像掩模的结构示意图。

图12为本发明实施例提供的偏振成像系统采用图11的成像掩模的成像结果。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的光学非线性偏振调控元件，调控入射光波偏振的方法以及其应用作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明实施例提供一种光学非线性偏振调控元件100，该光学非线性偏振调控元件100包括一绝缘透明基底101、一等离子激元层102以及一折射率可调控薄膜103。所述绝缘透明基底101、等离子激元层102以及折射率可调控薄膜103依次层叠设置。

具体地，所述等离子激元层102设置于该绝缘透明基底101的一表面。所述折射率可调控薄膜103设置于该等离子激元层102远离该绝缘透明基底101的表面且将该等离子激元层102覆盖。可以理解，该光学非线性偏振调控元件100还可包括一透明保护层(图未示)覆盖于该折射率可调控薄膜103远离该等离子激元层102的表面。

所述绝缘透明基底101为一曲面型或平面型的结构。该绝缘透明基底101主要起支撑的作用。该绝缘透明基底101可以由硬性材料或柔性材料形成。具体地，所述硬性材料可选择为氧化硅、氮化硅、蓝宝石、陶瓷、玻璃、石英、金刚石或塑料等。所述柔性材料可选择为聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯（PE）、聚酰亚胺（PI）或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等聚酯材料，或聚醚砜(PES)、纤维素酯、聚氯乙烯(PVC)、苯并环丁烯(BCB)或丙烯酸树脂等材料。形成所述绝缘透明基底101的材料并不限于上述列举的材料，只要能使绝缘透明基底101起到支撑作用且透明的材料即可。所述绝缘透明基底101的形状、尺寸和厚度可以根据实际需要选择。本实施例中，所述绝缘透明基底101为一厚度为500微米的二氧化硅层。

所述等离子激元层102的材料为金属以产生表面等离子体激元，如金、银、铜、铁、铝、镍等或其合金。所述等离子激元层102包括多个周期设置的具有手性的微结构1022。所述周期设置的微结构1022通过聚焦离子束刻蚀或电子束曝光等技术加工金层制备。所述多个微结构1022间隔设置使得该等离子激元层102可以透光。该微结构1022的图形不限，只要具有手性即可。所述微结构1022的厚度h为30纳米~100纳米，周期为300纳米~1000纳米，尺寸为100纳米~500纳米。可以理解，所述微结构1022也可以为形成于一连续金属层上的开口。本实施例中，先在所述绝缘透明基底101表面沉积一层100纳米厚的金膜，再通过聚焦离子束刻蚀制备多个周期为300纳米的周期性分布的微结构1022。进一步参见图2-3，所述微结构1022包括一矩形本体1024以及一由该矩形本体1024延伸出来的矩形尖端凸起1026。所述矩形本体1024与所述矩形尖端凸起1026为一整体结构。所述矩形尖端凸起1026靠近一角处设置。所述矩形尖端凸起1026的一长边与该矩形本体1024的一边平齐。所述矩形本体1024的边长为200纳米，所述矩形尖端凸起1026的长为45纳米，宽为28纳米。

所述折射率可调控薄膜103设置于所述等离子激元层102远离所述绝缘透明基底101的表面，且部分延伸至所述等离子激元层102的开口中并与所述绝缘透明基底101的表面接触。即所述折射率可调控薄膜103部分设置于所述等离子激元层102的表面，部分设置于该绝缘透明基底101通过该多个开口暴露的表面。所述折射率可调控薄膜103远离所述绝缘透明基底101的表面可以为一平面或曲面。所述折射率可调控薄膜103的厚度H为100纳米~800纳米，优选为200纳米~500纳米。所述折射率可调控薄膜103包括折射率在光照下可调控的材料，例如半导体，非线性晶体，光折变材料，光致变色材料，或光致异构材料等。所述折射率可调控薄膜103可以通过旋涂、喷涂、印刷、沉积等方法制备。本实施例中，所述折射率可调控薄膜103包括一PMMA聚合物1034以及多个分散于该聚合物1034中的乙基红光致异构材料1032。所述折射率可调控薄膜103厚度为300纳米。所述折射率可调控薄膜103的制备方法为先将乙基红光致异构材料1032均匀分散于PMMA胶体中形成一混合液，然后将该混合液通过旋涂的方法涂覆于所述等离子激元层102的表面。

请参见图4，本发明实施例提供一种采用本发明的光学非线性偏振调控元件100调控入射光波偏振的方法，具体包括以下步骤：

步骤S10，采用一偏振入射光120从所述折射率可调控薄膜103一侧照射该光学非线性偏振调控元件100，并从该绝缘透明基底101一侧得到第一偏振调制出射光122；以及

步骤S20，采用一调控光140从所述折射率可调控薄膜103一侧照射该光学非线性偏振调控元件100，同时保持上述偏振入射光120继续照射，并从该绝缘透明基底101一侧得到第二偏振调制出射光124。

步骤S10中，所述绝缘透明基底101为一厚度为500微米的二氧化硅层。所述等离子激元层102为如图2-3所述的金微结构1022阵列。所述折射率可调控薄膜103包括PMMA聚合物1034以及多个分散于该聚合物1034中的乙基红光致异构材料1032。所述偏振入射光120为x偏振光，经过该光学非线性偏振调控元件100调制后得到的第一偏振调制出射光122为椭圆偏振光，其主轴方向旋转角φ，椭偏角为χ。参见图5，本发明实施例测试得到的该光学非线性偏振调控元件100对不同波长的第一偏振调制出射光122的椭偏角χ与主轴方向旋转角φ。本发明实施例采用的结构和材料，对x偏振光具有更好的偏振调控效果。

步骤S20中，所述调控光140为可以使所述折射率可调控薄膜103的折射率发生变化的光。本实施例中，所述调控光140为偏振绿光，其可以改变乙基红光致异构材料的折射率。当所述调控光140照射后，检测到所述第二偏振调制出射光124。参见图6，本发明实施例将测试得到的该光学非线性偏振调控元件100对不同波长的第一偏振调制出射光122的椭偏角χ与主轴方向旋转角φ和第二偏振调制出射光124的椭偏角χ与主轴方向旋转角φ进行对比。由图6可知，当所述调控光140照射后，得到的第二偏振调制出射光124的光谱特性相对于第一偏振调制出射光122的光谱特性发生波长移动。参见图7，分别显示了不同波长的第一偏振调制出射光122的椭偏角χ与主轴方向旋转角φ和第二偏振调制出射光124的椭偏角χ与主轴方向旋转角φ差值。

参见图8(a)-(b)，分别为乙基红在绿光照射前后的分子结构变化。由于绿光照射使得乙基红发生键角旋转，导致采用乙基红的折射率可调控薄膜103的折射率发生变化，从而使得该光学非线性偏振调控元件100的旋光光谱特性发生如图6所示的波长移动。

参见图9，为本发明实施例中，采用调控光140照射时，调控光140和被调控后的第二偏振调制出射光124的时间响应图。由图9可见，该调控过程具有较快的时间响应，约300微秒内，被调控后的第二偏振调制出射光124的强度便可以上升或下降至最大值。

可以理解，该方法中，所述偏振入射光120和调控光140照射的顺序不限，只要确保在某一时间内，所述偏振入射光120和调控光140同时照射该光学非线性偏振调控元件100即可。例如，可以先采用调控光140照射，再采用偏振入射光120照射，同时保持上述调控光140继续照射，从而直接得到第二偏振调制出射光124。

该光学非线性偏振调控元件100具有以下优点：通过采用相应的调控光140照射该光学非线性偏振调控元件100，导致其折射率可调控薄膜103的折射率发生变化，从而使得该光学非线性偏振调控元件100的偏振调控光谱特性发生波长移动，该方法简单。

请参阅图10，本发明实施例提供一种偏振成像系统10，其包括：一偏振光源12、一调控光源14、一消光滤波装置16、一成像装置18以及上述光学非线性偏振调控元件100。

所述偏振光源12用于发射偏振入射光120，使该偏振入射光120从所述光学非线性偏振调控元件100的折射率可调控薄膜103一侧入射，并从绝缘透明基底101一侧出射形成第一偏振调制出射光122。本实施例中，所述偏振光源12为一超连续谱激光器，其可以发射波长为650纳米-1000纳米之间的x偏振光，作为偏振入射光120。

所述调控光源14用于发射调控光140，并使该调控光140从所述光学非线性偏振调控元件100的折射率可调控薄膜103一侧入射，从而改变所述折射率可调控薄膜103的折射率，使从绝缘透明基底101一侧出射的第一偏振调制出射光122改变为第二偏振调制出射光124。所述第二偏振调制出射光124照射在所述成像装置18上进行成像。本实施例中，所述调控光源14为一激光器，其可以发射波长为532纳米的绿光y偏振光，作为调控光140。

所述消光滤波装置16用于对上述第一偏振调制出射光122进行消光以及过滤从绝缘透明基底101一侧出射的调控光140，从而确保只有所述第二偏振调制出射光124照射在所述成像装置18上进行成像。具体地，本实施例中，所述消光滤波装置16包括一长通滤波片162、一1/4波片164以及一偏振片166。所述长通滤波片162用于对从绝缘透明基底101一侧出射的绿光调控光140进行过滤。所述1/4波片164和偏振片166用于对从绝缘透明基底101一侧出射的第一偏振调制出射光122进行消光。所述偏振片166为GlanTaylor棱镜。

所述成像装置18可以为任何可以成像的装置。本实施例中，所述成像装置18为一包括电荷耦合元件(CCD)的成像的装置。

所述偏振光源12、调控光源14、消光滤波装置16、光学非线性偏振调控元件100以及成像装置18的位置关系不限，只要能满足上述光路要求即可。具体地，本实施例中，所述偏振光源12、光学非线性偏振调控元件100、消光滤波装置16以及成像装置18依次间隔设置在一条直线上。所述偏振光源12和所述光学非线性偏振调控元件100之间设置一45度二向色镜11，从而使所述偏振光源12发射的偏振入射光120可以通过所述二向色镜11、所述光学非线性偏振调控元件100以及所述消光滤波装置16后到达所述成像装置18。所述调控光源14设置于所述二向色镜11一侧，且其发射的调控光140可以经所述二向色镜11反射后与所述偏振入射光120重合。可以理解，所述二向色镜11的角度不限于45度，只要所述调控光源14发射的调控光140经所述二向色镜11反射后可以照射在所述光学非线性偏振调控元件100上即可。所述二向色镜11的角度优选为45度，可以确保所述调控光140的光斑形状经所述二向色镜11反射后照射在所述光学非线性偏振调控元件100上时与所述二向色镜11反射前保持一致。

进一步，所述偏振成像系统10还包括一第一光路调节装置13，用于调节所述偏振入射光120的光路，并通过空间滤波提高入射光质量。所述第一光路调节装置13为可选结构。具体地，所述第一光路调节装置13包括依次设置于所述偏振光源12发光面一侧的一第一凸透镜132、一第一针孔134、一第二凸透镜136以及一第三凸透镜138。所述第一凸透镜132用于对所述偏振光源12发出的偏振入射光120进行汇聚。所述第一针孔134用于滤除偏振光源12发出的偏振入射光120的空间高频成分，提高激光光斑模式的质量。可以理解，如果所述偏振入射光120为激光且光斑模式的高斯分布较好，则可以省略所述第一针孔134。所述第二凸透镜136用于对所述第一针孔134的光束进行准直。所述第三凸透镜138与第一显微物镜17用于将入射光120进行缩束，并平行照射于所述光学非线性偏振调控元件100表面。

进一步，所述偏振成像系统10还包括一第二光路调节装置15，用于调节所述调控光140的光路，从而提高入射光质量。所述第二光路调节装置15为可选结构。具体地，所述第二光路调节装置15包括一依次设置于所述调控光源14发光面一侧的第四凸透镜152、一第二针孔154、一第五凸透镜156、一成像掩模157以及第六凸透镜158。所述第二针孔154用于提高激光光斑模式的高斯分布。可以理解，如果所述调控光140光斑模式分布较好，则可以省略所述第二针孔154。

进一步，所述偏振成像系统10还包括分别设置于所述光学非线性偏振调控元件100两侧的第一显微物镜17和第二显微物镜19。所述第一显微物镜17为一设置于所述二向色镜11和所述光学非线性偏振调控元件100之间的10×（N.A.=0.25）显微物镜。所述第二显微物镜19为一设置于所述消光滤波装置16和所述光学非线性偏振调控元件100之间的10×（N.A.=0.26）显微物镜。所述第一显微物镜17和所述第六凸透镜158配合，可以将所述成像掩模157成像在所述光学非线性偏振调控元件100表面。所述第一显微物镜17和所述第三凸透镜138可以将所述偏振入射光120的光束缩小并平行照射于所述光学非线性偏振调控元件100的表面。所述第二显微物镜19用于收集和准直所述光学非线性偏振调控元件100的透射光。

进一步，所述偏振成像系统10还包括一设置于所述消光滤波装置16和成像装置18之间的成像透镜182。所述成像透镜182用于使经过所述消光滤波装置16的第二偏振调制出射光124可以汇聚成像于所述成像装置18上。所述成像透镜182为一凸透镜。

本发明实施例采用上述偏振成像系统10进行成像实验，具体步骤如下。首先，打开所述偏振光源12使其发射红光偏振入射光120，使该偏振入射光120从所述光学非线性偏振调控元件100的折射率可调控薄膜103一侧入射，并从绝缘透明基底101一侧出射形成第一偏振调制出射光122，并将该第一偏振调制出射光122照射在所述成像装置18上。其次，调节所述消光滤波装置16，使所述第一偏振调制出射光122消光，所述成像装置18无法接收到信号。最后，打开所述调控光源14发射绿光调控光140，并使该调控光140从所述光学非线性偏振调控元件100的折射率可调控薄膜103一侧入射，从而改变所述折射率可调控薄膜103的折射率，使从绝缘透明基底101一侧出射的第一偏振调制出射光122改变为第二偏振调制出射光124。所述第二偏振调制出射光124照射在所述成像装置18上进行成像。参见图11，所述成像掩模157具有一十字形开孔，因此，照射在所述折射率可调控薄膜103上的调控光140的光斑形状也为十字形。参见图12，当打开所述所述调控光源14后，所述成像装置18上的成像形状也为十字形。

本发明提供的偏振成像系统10可以通过所述调控光源14来控制所述成像装置18上的成像，方法简单。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。