1.本发明涉及光电设备技术领域，具体涉及一种偏振器件的自动化测试系统。
背景技术：2.光的衍射、干涉和偏振等现象可以证实光的波动性，因此光可以作为载体对信息的发射、传递、接收、存储等过程进行振幅、偏振、相位、频率等多维度的调控。空间光调制器作为实现光场动态调控的核心元件，在数字全息、光通信系统中的模式复用、激光雷达测距等领域具有广泛的应用前景。
3.从数字全息技术到光通信模块，再到近年火热的用于自动驾驶的车载激光雷达，空间光调制器都扮演着重要的作用。空间光调制器的核心元件是硅基液晶，其根据类型可以分为振幅型和相位型。通过给像素单元加载电压控制液晶分子的空间取向，利用液晶的双折射特性可以调控光场相位和偏振。传统的硅基液晶空间光调制器具有偏振相关的光学响应，一般针对单一维度实现光场的动态调控。为满足实际应用的需求，高性能的硅基液晶空间光调制器至关重要，然而器件工作时的性能会受限于液晶分子空间分布的不均匀性：1)液晶厚度的不均匀性；2)液晶分子在外加电压的变化下可能发生“扭曲”现象；3)靠近对准层的液晶分子对于外加电压的变化不敏感。
4.硅基液晶空间光调制器作为一种典型的偏振器件具有广泛的适应性，为满足实际应用的需求，大带宽、低功耗、高效率和高集成度是光电子器件技术领域关注的核心问题，而偏振器件的性能通常与多个维度的物理量相关。对于偏振器件的设计与性能优化，面向多个维度、精确且高效的测试方案显得至关重要。
技术实现要素：5.本公开针对偏振器件的设计与性能优化，为精确且高效地从多个维度测量偏振响应和相位响应，提供一种偏振器件的自动化测试系统。
6.为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
7.一种偏振器件的自动化测试系统，包括测试光路总成和自动化控制模块。
8.测试光路总成用于测试偏振器件的偏振响应和/或相位响应，且具有至少一个光学镜片组、至少一个可调谐激光器模块、至少一个光电探测器和至少一个相机。
9.自动化控制模块具有至少一个调节机构，用于带动所述至少一个光学镜片组旋转改变光轴取向，并联动所述至少一个可调谐激光器模块和/或至少一个光电探测器和/或至少一个相机。
10.本公开的至少一实施例提供的偏振器件的自动化测试系统中，所述至少一个光学镜片组包含有：至少一个起偏器、至少一个检偏器和至少一个波片。
11.至少一个起偏器用于获得偏振态可调、高线偏度的线偏振光。
12.至少一个检偏器用于与所述至少一个起偏器的光轴保持平行或正交，组成平行或正交检偏系统。
13.本公开的至少一实施例提供的偏振器件的自动化测试系统中，所述波片为四分之一波片。
14.本公开的至少一实施例提供的偏振器件的自动化测试系统中，所述起偏器包含有半波片和第一线偏振片。
15.本公开的至少一实施例提供的偏振器件的自动化测试系统中，所述检偏器为第二线偏振片
16.本公开的至少一实施例提供的偏振器件的自动化测试系统中，所述测试光路总成还具有至少一个偏振控制器、至少一个准直镜、至少一个第三线偏振片、至少一个透镜组、至少一个分束器和至少一个反射镜。
17.本公开的至少一实施例提供的偏振器件的自动化测试系统中，还包括：光学4f系统；其中，所述透镜组通过所述光学4f系统用于改变经过所述准直镜后的光斑大小。
18.本公开的至少一实施例提供的偏振器件的自动化测试系统中，所述第二线偏振片还被配置为通过所述调节机构移动至所述分束器后面，并与第一线偏振片的光轴取向保持平行作起偏用，致使小角度入射的物光可以通过样品反射后由所述光电探测器采集光功率测量偏振响应。
19.本公开的至少一实施例提供的偏振器件的自动化测试系统中，还包括：终端；其中，所述测试光路总成和自动化控制模块均与终端电性连接。
20.本发明的有益效果为：具有波长可调、功率可调、偏振态可调、自动化控制等优点，根据检偏法和干涉法能实现偏振响应和相位响应的自动化测量。该自动化测试系统及其方法可以精确且高效地从多个维度(如波长、偏振和电压)实现偏振器件性能的全面测试，如偏振转换效率、插入损耗、相位调制量、偏振相关损耗等参数指标，并指出偏振转换效率和相位调制量之间的关系，对于偏振器件的设计与性能优化具有重要意义。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
22.图1为一种偏振器件的自动化测试系统示意图。
23.图2为正入射时一种偏振器件的测试光路示意图。
24.图3为小角度入射时一种偏振器件的测试光路示意图。
25.图4为不同波长下的取向测试结果。
26.图5为不同波长下的偏振转换效率测试结果。
27.图6为不同波长和灰阶下的偏振转换效率测试结果。
28.图7为1550nm波长且不同灰阶下检偏法的相位调制量测试结果。
29.图8为0度起偏角时不同波长和灰阶下的插入损耗测试结果。
30.图9为90度起偏角时不同波长和灰阶下的插入损耗测试结果。
31.图10为1550nm波长且不同灰阶下干涉法的相位调制量测试结果。
32.图11为小角度入射时不同波长和起偏角下的插入损耗测试结果。
33.图12为小角度入射时不同波长下的偏振相关损耗测试结果。
34.图13为一种偏振器件的自动化测试系统示意图。
35.图中：
36.10、测试光路总成；101、可调谐激光器模块；102、偏振控制器；103、准直镜；104、透镜组；105、第一偏振片；106、第二偏振片；107、第三偏振片；108、半波片；109、四分之一波片；110、分束器；111、反射镜；112、探测机构；
37.20、自动化控制模块；201、电动旋转台；202、电压源；
38.30、pc终端；
39.40、样品。
具体实施方式
40.下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。
41.在实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、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，仅是为了便于描述，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。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
42.另外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，安装、连接和相连等术语应做广义理解，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.本公开至少一实施例提供一种偏振器件的自动化测试系统，包括测试光路总成、自动化控制模块和pc终端。测试光路总成包含有可调谐激光器模块、偏振控制器、准直镜、透镜组、第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片、半波片、四分之一波片、分束器、反射镜、光电探测器、ccd相机；自动化控制模块包含有电动旋转台、旋转控制器和电压源，通过控制电动旋转台改变线第一偏振片、第二偏振片和四分之一波片的光轴取向，并且联动可调谐激光器模块、电动旋转台、旋转控制器、电压源、光电探测器和ccd相机完成光功率和图像的自动化采集。电压源用来加载交流电压，用作信号发生器或者是空间光调制器的驱动设备。
44.利用波片和偏振片的组合可以搭建起偏和检偏系统，通过联动可调谐激光器模块、电动旋转台、旋转控制器、电压源和光电探测器，实现调节波长和电压、旋转正交检偏和平行检偏系统并且采集光功率，从多个维度(如波长、偏振和电压)实现偏振响应的自动化测量；利用分束器先将光分成两路，其中物光经过样品，参考光经过四分之一波片和反射镜，两路光反射后再次经过分束器后形成干涉条纹，通过联动可调谐激光器模块、电动旋转台、旋转控制器、电压源和ccd相机，调节波长和电压、旋转正交检偏或平行检偏系统并且采
集干涉图样，从多个维度(如波长、偏振和电压)实现相位响应的自动化测量。
45.该自动化测试系统可以精确且高效地从多个维度(如波长、偏振和电压)实现偏振器件性能的全面测试，如偏振转换效率(pcr)、插入损耗(il)、相位调制量(δδ)、偏振相关损耗(pdl)等参数指标。
46.为理解偏振转换效率和相位调制量之间的关系，考虑偏振器件的双折射特性并且构造如下的旋转琼斯矩阵：
[0047][0048]
此时，双折射分子的光轴与x轴的夹角为θ，φ＝a
l-asexp(iδ)，a
l
和as分别表示沿双折射分子长轴和短轴的振幅响应，δ(δ＝φ
s-φ
l
)表示沿双折射分子长轴和短轴响应的相位差。考虑振幅响应相等(a
l
＝as＝a)，平行检偏和正交检偏系统的响应可以表示为：
[0049][0050][0051][0052][0053]
根据式(4)，在正交检偏系统下，无论沿双折射分子长短轴的复振幅如何响应，当θ＝nπ/2(n为整数，检偏器的光轴与双折射分子的光轴平行或正交)时，光功率出现最小值，双折射分子的取向可以认为是正交检偏下光功率出现最小值时的θ值。此时，偏振转换效率(pcr,单位：db)可以表示为：
[0054]
pcr(θ)＝10log[p
outy
(θ)]-10log[p
outx
(θ)]；
[0055]
ꢀꢀꢀ
(5)
[0056][0057]
当θ＝(2n+1)π/4(n为整数，检偏器的光轴与双折射分子的光轴夹角为45度或135度)时，偏振转换效率出现最大值并且可以表示为：
[0058][0059]
根据式(7)可以得到偏振转换效率(pcr)和相位差(δ)的关系，而偏振转换效率和
相位差都会随波长和电压而变化，因此可以得到偏振转换效率(pcr)和相位调制量(δδ)的关系。
[0060]
其中，所述可调谐激光器模块、偏振控制器、准直镜和线偏振片的组合用于获得波长可调、功率可调、高线偏度的线偏振光。
[0061]
其中，所述透镜组通过4f系统用于改变经过准直镜后的光斑大小。
[0062]
其中，所述半波片和第一偏振片的组合作为起偏器，用于获得偏振态可调、高偏振度的线偏振光。
[0063]
其中，所述第二线偏振片作为检偏器，通过样品反射的物光经过分束器和检偏器后由光电探测器采集光功率。
[0064]
其中，所述分束器将光分成两路，四分之一波片和反射镜的组合用于改变参考光的偏振态，通过样品反射的物光经过分束器和检偏器后与参考光干涉，由ccd相机采集干涉图像。
[0065]
其中，所述第二线偏振片可以移动至分束器后面，并且与分束器前的第一线偏振片的光轴取向保持平行作为起偏器，小角度入射时物光通过样品反射后由光电探测器采集光功率。
[0066]
下面以硅基液晶空间光调制器为例结合说明书附图进一步地说明对本公开的方案。
[0067]
如图1和图2所示，一种偏振器件的自动化测试系统及其方法，包括测试光路总成10、自动化控制模块20和pc终端；测试光路总成10包括可调谐激光器模块101、偏振控制器102、准直镜103、第一偏振片105、第二偏振片106、第三偏振片107、透镜组104、半波片108、分束器110、探测机构112、四分之一波片109和反射镜111；探测机构112包含有光电探测器和ccd相机。自动化控制模块包含有电动旋转台201、旋转控制器(未图示)和电压源202。自动化控制模块20在pc终端使用python建立可调谐激光器模块101、电动旋转台201、旋转控制器、电压源202、光电探测器和ccd相机的连接，通过电动旋转台201控制第一偏振片105、第二偏振片106、半波片108和四分之一波片109，并且联动可调谐激光器模块101、电动旋转台201、旋转控制器、电压源202、光电探测器和ccd相机完成光功率和图像的自动化采集。
[0068]
更具体的，通过可调谐激光器模块101、偏振控制器102、准直镜103和第三偏振片107获得波长可调、功率可调、高线偏度的线偏振光，并通过透镜组104改变光斑大小。
[0069]
更具体的，通过电动旋转台201控制半波片108和第一线偏振片并作为起偏器，获得偏振态可调、高线偏度的线偏振光。
[0070]
更具体的，通过电动旋转台201控制第二线偏振片并作为检偏器，使它与起偏器的光轴保持平行或正交，组成平行或正交检偏系统。
[0071]
更具体的，联动可调谐激光器模块101、电动旋转台201、旋转控制器和光电探测器，转动平行检偏系统和正交检偏系统，通过光电探测器采集光功率可以获得不同波长下液晶取向和偏振转换效率测试结果，如图4和图5所示。当检偏器的光轴与液晶的光轴平行或正交时，光功率(单位：dbm)出现最小值；当检偏器的光轴与液晶的光轴夹角为45或135度时，偏振转换效率(pcr，单位：db)出现最大值。
[0072]
更具体的，联动可调谐激光器模块101、电动旋转台201、旋转控制器、电压源202和光电探测器，根据取向测试结果设置起偏角为45度和135度，在平行和正交检偏系统下给硅
基液晶空间光调制器加载不同的灰阶，并通过光电探测器采集光功率可以获得不同波长和灰阶下的偏振转换效率测试结果，如图6所示。偏振转换效率(pcr，单位：db)定义为正交检偏和平行检偏下的光功率之差。经过液晶两次调制后，当相位差满足π的奇数倍时，偏振转换效率出现最大值；当相位差满足π的偶数倍时，偏振转换效率出现最小值。随着灰阶的增大，偏振转换效率先后出现最大值和最小值并且最终回到初始值附近，说明相位差已经变化2π。以1550nm波长为例，根据公(7)计算不同灰阶下的相位差，以相位差的最小值和最大值作为0和π的参考点，可以获得1550nm波长且不同灰阶下检偏法的相位调制量测试结果，如图7所示。
[0073]
更具体的，联动可调谐激光器模块101、电动旋转台201、旋转控制器、电压源202和光电探测器，根据取向测试结果设置起偏角为0度和90度，在平行和正交检偏系统下给硅基液晶空间光调制器加载不同的灰阶，并通过光电探测器采集光功率。参考反射镜111，按照上述步骤采集光功率可以获得不同波长和灰阶下的插入损耗测试结果，如图8和图9所示。插入损耗(il，单位：db)定义为经过反射镜111与样品40后的总光功率之差，总光功率为在平行和正交检偏系统下的光功率之和。由于空气、玻璃盖板和液晶层之间折射率不匹配而导致的界面反射，沿液晶长轴取向(0度)的线偏振光经过不同波长和灰阶下的液晶调制后，插入损耗变化显著；沿液晶长轴取向(90度)的线偏振光经过不同波长下的液晶调制后，插入损耗变化显著。
[0074]
更具体的，联动可调谐激光器模块101、电动旋转台201、旋转控制器、电压源202和ccd相机，设置波长为1550nm，根据取向测试结果设置起偏角为0度和90度，四分之一波片109的取向角为0度。使用分束器110将光分成两路，其中物光经过硅基液晶空间光调制器，参考光经过四分之一波片109和反射镜111，两路光反射后再次经过分束器110后形成干涉条纹。在平行和正交检偏系统下给硅基液晶空间光调制器加载不同的灰阶，干涉条纹会发生移动，并通过ccd相机采集干涉图样可以获得1550nm波长且不同灰阶下干涉法的相位调制量测试结果，如图10所示。暗干涉条纹每移动一个周期，相位调制量变化2π。
[0075]
更具体的，小角度入射时的一种偏振器件的自动化测试系统，由如下步骤实现：
[0076]
先通过电动旋转台201控制半波片108和第一线偏振片，获得偏振态可调、高线偏度的线偏振光，然后将第二线偏振片移动至分束器110后，再通过电动旋转台201控制第一偏振片105和第二偏振片106作为起偏器，使它们的光轴保持平行。
[0077]
在具体实施过程中，联动可调谐激光器模块101、电动旋转台201、旋转控制器和光电探测器，转动起偏器，小角度入射时物光通过硅基液晶空间光调制器反射，然后用光电探测器采集光功率。参考反射镜111，按照上述步骤采集光功率可以获得不同波长和起偏角下的插入损耗和偏振相关损耗测试结果，如图11和图12所示。插入损耗(il，单位：db)定义为经过反射镜111与样品40后的总光功率之差，偏振相关损耗(pdl，单位：db)定义为不同偏振态下插入损耗的最大差值。本方案采用3种偏振态的组合分析偏振相关损耗：所有角度的线偏振光；0到180度的线偏振光；0度、45度、90度和135度等特殊角度的线偏振光，发现结果大致相等，说明偏振相关损耗主要来自于液晶长短轴(0度和90度)的振幅响应差异。
[0078]
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一些实施例”、“其他实施例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的
是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0079]
尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。
技术特征：1.一种偏振器件的自动化测试系统，其特征在于，包括：测试光路总成，用于测试偏振器件的偏振响应和/或相位响应，且具有至少一个光学镜片组、至少一个可调谐激光器模块、至少一个光电探测器和至少一个相机；以及自动化控制模块，具有至少一个调节机构，用于带动所述至少一个光学镜片组旋转改变光轴取向，并联动所述至少一个可调谐激光器模块和/或至少一个光电探测器和/或至少一个相机。2.根据权利要求1所述的一种偏振器件的自动化测试系统，其特征在于，所述至少一个光学镜片组包含有：至少一个起偏器，用于获得偏振态可调、高线偏度的线偏振光；至少一个检偏器，用于与所述至少一个起偏器的光轴保持平行或正交，组成平行或正交检偏系统；以及至少一个波片。3.根据权利要求2所述的一种偏振器件的自动化测试系统，其特征在于，所述波片为四分之一波片。4.根据权利要求3所述的一种偏振器件的自动化测试系统，其特征在于，所述起偏器包含有半波片和第一线偏振片。5.根据权利要求4所述的一种偏振器件的自动化测试系统，其特征在于，所述检偏器为第二线偏振片。6.根据权利要求5所述的一种偏振器件的自动化测试系统，其特征在于，所述测试光路总成还具有至少一个偏振控制器、至少一个准直镜、至少一个第三线偏振片、至少一个透镜组、至少一个分束器和至少一个反射镜。7.根据权利要求6所述的一种偏振器件的自动化测试系统，其特征在于，还包括：光学4f系统；其中，所述透镜组通过所述光学4f系统用于改变经过所述准直镜后的光斑大小。8.根据权利要求6所述的一种偏振器件的自动化测试系统，其特征在于，所述第二线偏振片还被配置为通过所述调节机构移动至所述分束器后面，并与第一线偏振片的光轴取向保持平行作起偏用，致使小角度入射的物光可以通过样品反射后由所述光电探测器采集光功率测量偏振响应。9.根据权利要求1所述的一种偏振器件的自动化测试系统，其特征在于，还包括：终端；其中，所述测试光路总成和自动化控制模块均与终端电性连接。10.根据权利要求1所述的一种偏振器件的自动化测试系统，其特征在于，所述自动化控制模块还包括：电压源。
技术总结本发明公开一种偏振器件的自动化测试系统，包括测试光路总成和自动化控制模块；测试光路总成用于测试偏振器件的偏振响应和/或相位响应，且具有至少一个光学镜片组、至少一个可调谐激光器模块、至少一个光电探测器和至少一个相机；自动化控制模块，具有至少一个调节机构，用于带动所述至少一个光学镜片组旋转改变光轴取向，并联动所述至少一个可调谐激光器模块和/或至少一个光电探测器和/或至少一个相机。该偏振器件的自动化测试系统具有波长可调、功率可调、偏振态可调、自动化控制等优点，能根据检偏法和干涉法实现偏振响应和相位响应的自动化测量。应的自动化测量。应的自动化测量。
技术研发人员：陈钰杰 李嘉麒 朱照祥 余思远
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2022.04.11
技术公布日：2022/7/5
