CN102937515B - 正弦相位调制器峰值延迟量的标定装置和标定方法 - Google Patents

Abstract

一种正弦相位调制器峰值延迟量的标定装置和标定方法，其特点在于，该装置由激光光源、偏振分光棱镜、波片、反射镜、光电探测器、控制器、锁相放大器和计算机组成。本发明具有结构紧凑、装置简单、操作方便的特点，能标定小于半个波长的峰值延迟量，而且标定精度高。

Description

正弦相位调制器峰值延迟量的标定装置和标定方法

技术领域

本发明涉及偏振测量技术领域，特别是一种正弦相位调制器峰值延迟量的标定装置和标定方法。

技术背景

正弦相位调制器是对相位延迟量进行正弦调制的偏振组件。峰值延迟量是正弦相位调制器重要的参数之一。由于在使用过程中容易受环境、电学参数、材料本身性质等因素的影响，正弦相位调制器使用之前需要对峰值延迟量进行标定。

在先技术[1]（参见R.A.Cline,W.B.Westerveld,and J.S.Risley.A new method formeasuring the retardation of a photoelastic modulator using single photon countingtechniques.Rev.Sci.Instrum.64,1169-1174,1993）描述了一种基于单光子技术的标定相位调制器的方法。当测量光强足够强时，使用模拟锁相放大器，通过多次谐波比例法测得峰值延迟量。当测量光强很弱时，使用类数字锁相放大器的单光子计数技术，通过比例法测得峰值延迟量。该方法可以标定任何峰值延迟量，但是它需要在弱信号下的原子碰撞装置中进行，装置复杂。

在先技术[2](参见A.Zeng,L.Huang,Z.Dong,J.Hu,H.Huang,andX.Wang.Calibration method for a photoelastic modulator with a peak retardation of less than ahalf-wavelength.Applied Optics.46,699-703,2007)描述了一种利用一阶贝塞尔函数最大值法标定相位调制器的新方法。该方法首先利用一阶贝塞尔函数的最大值点1.841rad进行粗略标定，再利用零阶贝塞尔函数和二阶贝塞尔函数比例法进行精确标定。该装置只需用到激光光源、起偏器、波片、相位调制器、检偏器和光电探测器，测量精度高。但该方法标定步骤繁复，操作繁琐。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种正弦相位调制器峰值延迟量的标定装置和标定方法。该装置和方法具有结构紧凑、装置简单、操作方便的特点，能标定小于半个波长的峰值延迟量，而且标定精度高。

本发明的技术解决方案如下：

一种正弦相位调制器峰值延迟量的标定装置，其特点在于，该装置由激光光源、偏振分光棱镜、波片、反射镜、光电探测器、控制器、锁相放大器和计算机组成，上述元部件的位置关系如下：

沿所述的激光光源的光束前进方向依次是所述的偏振分光棱镜、波片和反射镜，所述的光电探测器处于经所述的反射镜返回的光束经所述的偏振分光棱镜的反射光路中，所述的光电探测器的输出端接所述的锁相放大器的信号输入口，所述的控制器的第一输出端与待标定的正弦相位调制器的控制端相连，该控制器的第二输出端接所述的锁相放大器的参考信号端口，锁相放大器的输出信号通过串口接所述的计算机的输入端，经数据处理，得到出射光强的一次谐波分量并显示在所述的计算机上；

所述的偏振分光棱镜是具有起偏和检偏两个窗口的偏振分光棱镜，该偏振分光棱镜起偏方向和检偏方向相互垂直，该偏振分光棱镜的起偏方向沿水平方向，检偏方向沿垂直方向。

所述的波片是相位延迟量在45°~135°范围内的波片，该波片的快轴方位与偏振分光棱镜的起偏方向成45°夹角。

利用所述的正弦相位调制器标定装置标定正弦相位调制器的峰值延迟量的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将待标定的正弦相位调制器插在所述的波片和反射镜之间，所述的正弦相位调制器的方向和偏振分光棱镜的起偏方向成45°夹角，与偏振分光棱镜的检偏方向成135°夹角，调整光路使正弦相位调制器的反射光与所述的偏振分光棱镜的检偏窗口方向一致；

②调整所述的反射镜，使反射光依次经过正弦相位调制器、波片和偏振分光棱镜，从偏振分光棱镜的检偏窗口出射；

③通过所述的控制器改变正弦相位调制器的相位延迟量幅值，所述的光电探测器记录从偏振分光棱镜的检偏窗口出射的光束光强，并转变为电信号，该电信号输入所述的锁相放大器的信号输入口，所述的控制器输出的信号接所述的锁相放大器的参考信号口，锁相放大器的输出信号通过串口接所述的计算机的输入端，经数据处理，得到出射光强的一次谐波分量并显示在所述的计算机上；

④当所述的计算机上显示的一次谐波分量为零时，所述的控制器输入的相位延迟量幅值即为所述的正弦相位调制器的峰值相位延迟量。

与先技术相比，本发明的技术效果如下：

1．偏振分光棱镜同时作为起偏器和检偏器，结构紧凑，装置简单。

2．只用一次谐波分量即可标定正弦相位调制器的峰值延迟量，操作方便。

3．使用反射光路可以标定小于半个波长的峰值延迟量，与普通标定方法相比，标定精度提高一倍。

附图说明

图1为本发明正弦相位调制器峰值延迟量标定装置实施例的结构框图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明正弦相位调制器峰值延迟量标定装置实施例的结构框图。由图可见，本发明正弦相位调制器峰值延迟量标定装置，该装置由激光光源1、偏振分光棱镜2、波片3、反射镜5、光电探测器6、控制器7、锁相放大器8和计算机9组成，其位置关系为：

沿所述的激光光源1的光束前进方向依次是所述的偏振分光棱镜2、波片3和反射镜5，所述的光电探测器6处于经所述的反射镜5返回的光束经所述的偏振分光棱镜2的反射光路中，所述的光电探测器6的输出端接所述的锁相放大器8的信号输入口，所述的控制器7的第一输出端与待标定的正弦相位调制器4的控制端相连，该控制器7的第二输出端接所述的锁相放大器8的参考信号端口，该锁相放大器8的输出信号通过串口接所述的计算机9的输入端，经数据处理，得到出射光强的一次谐波分量并显示在所述的计算机9上。

所述的偏振分光棱镜2是有起偏和检偏两个窗口的偏振分光棱镜，该偏振分光棱镜起偏方向和检偏方向相互垂直，该偏振分光棱镜2的起偏方向沿水平方向，检偏方向沿垂直方向。

所述的波片3是相位延迟量在45°~135°范围内的波片，波片3的快轴方位与偏振分光棱镜2的起偏方向成45°夹角。

本发明的最佳实施例的结构如图1所示，其具体结构和参数如下：

所述的激光光源1为波长635nm的半导体激光器，所述的偏振分光棱镜2为消光比达到100000:1的双窗口格兰—泰勒棱镜，所述的波片3是零级石英四分之一波片，所述的反射镜5为反射率为50%的反射楔镜，所述的光电探测器6由光电二极管和前置放大电路组成，所述的控制器7可控制相位调制器4的相位延迟量的幅值在0~2π范围内变化，所述的锁相放大器8为Hinds Instrument公司Signaloc2100型号的锁相放大器。

利用所述的正弦相位调制器峰值延迟量标定装置标定正弦相位调制器峰值延迟量的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将待标定的正弦相位调制器4***所述的波片3和反射镜5之间并与控制器7连接，所述的正弦相位调制器4的方向和偏振分光棱镜2的起偏窗口的透振方向成45°夹角，与偏振分光棱镜2的检偏窗口的透振方向成135°夹角。调整光路使反射光依次经过正弦相位调制器4、波片3和偏振分光棱镜2，从偏振分光棱镜2的检偏窗口出射；

②利用所述的光电探测器6记录从偏振分光棱镜2检偏窗口出射的光束光强，并转变为电信号，该电信号接入所述的锁相放大器8的输入信号口。所述的控制器7引出的信号接入锁相放大器8的参考信号口。锁相放大器8的输出信号通过串口通信接入所述的计算机9。

③通过所述的控制器7改变正弦相位调制器4的相位延迟量幅值，所述的光电探测器6记录从偏振分光棱镜2的检偏窗口出射的光束光强，并转变为电信号，该电信号输入所述的锁相放大器8的信号输入口，所述的控制器7输出的信号接所述的锁相放大器8的参考信号口，该锁相放大器8的输出信号通过串口接所述的计算机9的输入端，经数据处理，得到出射光强的一次谐波分量并显示在所述的计算机9上：

④当所述的计算机9上显示的一次谐波分量为零时，所述的控制器7输入的相位延迟量的幅值即为所述的正弦相位调制器4的峰值相位延迟量。

经过所述的偏振分光棱镜2出射窗口出射的线偏振光的琼斯矢量为

$G_P=\sqrt{I_0}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right],---\left(1\right)$

其中I₀为初始光强。

线偏振光第一次经过所述的波片3时，其琼斯矩阵可以表示为

$G_W=\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}+i\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)& i\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin \left(2\mathrm{\ρ}\right)\\ i\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin \left(2\mathrm{\ρ}\right)& \cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}-i\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)\end{array}\right],---\left(2\right)$

其中δ和ρ分别为所述的波片3的相位延迟量和快轴方位角，其中波片3的快轴方位与偏振分光棱镜2的起偏方向成45°夹角，即ρ=45°。

线偏振光第一次经过所述的正弦相位调制器4时，其琼斯矩阵可以表示为

$G_R=\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\Δ}}{2}+i\sin \frac{\mathrm{\Δ}}{2}\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)& i\sin \frac{\mathrm{\Δ}}{2}\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\\ i\sin \frac{\mathrm{\Δ}}{2}\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)& \cos \frac{\mathrm{\Δ}}{2}-i\sin \frac{\mathrm{\Δ}}{2}\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right],---\left(3\right)$

其中Δ和θ分别为所述的正弦相位调制器4的相位延迟量和快轴方位角。其中所述的正弦相位调制器4和偏振分光棱镜2的起偏方向成45°夹角，即θ=45°。

所述的反射镜5的琼斯矩阵为

$G_M=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& -1\end{array}\right],---\left(4\right)$

反射光束第二次经过所述的正弦相位调制器4时，其琼斯矩阵表示为

$G_R^{\′}=\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\Δ}}{2}+i\sin \frac{\mathrm{\Δ}}{2}\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)& -i\sin \frac{\mathrm{\Δ}}{2}\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\\ -i\sin \frac{\mathrm{\Δ}}{2}\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)& \cos \frac{\mathrm{\Δ}}{2}-i\sin \frac{\mathrm{\Δ}}{2}\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right],---\left(5\right)$

其中θ=45°。反射光第二次经过所述的波片3时，其琼斯矩阵为

$G_W^{\′}=\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}+i\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)& -i\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin \left(2\mathrm{\ρ}\right)\\ -i\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\sin \left(2\mathrm{\ρ}\right)& \cos \frac{\mathrm{\δ}}{2}-i\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)\end{array}\right],---\left(6\right)$

其中ρ=45°。待标定的光束从所述的偏振分光棱镜2的检偏窗口出射时，偏振分光棱镜2作为检偏器，其琼斯矩阵为

$G_A=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1\end{array}\right].---\left(7\right)$

所述的光电探测器6探测光的琼斯矢量E可以表示为

$E=G_P{G}_W{G}_R{G}_M{G}_R^{\′}{G}_W^{\′}{G}_A=\sqrt{I_0}\left[\begin{array}{c}0\\ -i[\cos \mathrm{\Δ}\sin \mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\ρ}+\sin \mathrm{\Δ}({\sin }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}\cos 4\mathrm{\ρ}+{\cos }^4\frac{\mathrm{\δ}}{2})]\end{array}\right],---\left(8\right)$

令 $k_1=\sin \mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\ρ},k_2={\sin }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}\cos 4\mathrm{\ρ}+{\cos }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2},$ 则公式（8）可以写为

$E=\left[\begin{array}{c}0\\ -i(k_1\cos \mathrm{\Δ}+k_2\sin \mathrm{\Δ})\end{array}\right]\sqrt{I_0},---\left(9\right)$

则出射光强I可以表示为

$I=E\·E^{*}=I_0[k_1^2{\cos }^2\mathrm{\Δ}+k_2^2{\sin }^2\mathrm{\Δ}+k_1{k}_2\sin \left(2\mathrm{\Δ}\right)]$

$=I_0[\frac{k_1^2+k_2^2}{2}+\frac{k_1^2-k_2^2}{2}\cos 2\mathrm{\Δ}+k_1{k}_2\sin \left(2\mathrm{\Δ}\right)].---\left(10\right)$

所述的正弦相位调制器4的相位延迟量Δ＝Δ₀sinωt，其中Δ₀为相位延迟量的幅值，ω为调制频率。由雅克比-安格尔恒等式和欧拉公式可将三角函数展开成贝塞尔函数形式

$\sin \left(2\mathrm{\Δ}\right)=\sin \left[2{\mathrm{\Δ}}_0\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\right]=\underset{2k+1}{\mathrm{\Σ}}2J_{2k+1}\left(2{\mathrm{\Δ}}_0\right)\sin \left[(2k+1)\mathrm{\ωt}\right],(k=\mathrm{0,1,2}\·\·\·)---\left(11\right)$

出射光强I中含有sin(2Δ)分量，将出射光强I展开成贝塞尔函数可以得一次谐波分量，即所述的计算机9记录一次谐波分量为

I_1f＝2k₁k₂I₀J₁(2Δ₀)＝KI₀J₁(2Δ₀)（12）

当计算机9记录的一次谐波分量I_1f达到零值时，此时对应的相位延迟量的幅值Δ₀即为正弦相位调制器4的峰值延迟量。

Claims (1)

1.一种利用正弦相位调制器峰值延迟量的标定装置标定正弦相位调制器的峰值延迟量的方法，所述的正弦相位调制器峰值延迟量的标定装置由激光光源(1)、偏振分光棱镜(2)、波片(3)、反射镜(5)、光电探测器(6)、控制器(7)、锁相放大器(8)和计算机(9)组成，上述元部件的位置关系如下：

沿所述的激光光源(1)的光束前进方向依次是所述的偏振分光棱镜(2)、波片(3)和反射镜(5)，所述的光电探测器(6)处于经所述的反射镜(5)返回的光束经所述的偏振分光棱镜(2)的反射光路中，所述的光电探测器(6)的输出端接所述的锁相放大器(8)的信号输入口，所述的控制器(7)的第一输出端与待标定的正弦相位调制器(4)的控制端相连，该控制器(7)的第二输出端接所述的锁相放大器(8)的参考信号端口，该锁相放大器(8)的输出信号通过串口接所述的计算机(9)的输入端，经数据处理，得到出射光强的一次谐波分量并显示在所述的计算机(9)上；

所述的偏振分光棱镜(2)是具有起偏和检偏两个窗口的偏振分光棱镜，该偏振分光棱镜起偏方向和检偏方向相互垂直，该偏振分光棱镜的起偏方向沿水平方向，检偏方向沿垂直方向；

所述的波片(3)是相位延迟量在45°～135°范围内的波片，该波片(3)的快轴方位与偏振分光棱镜(2)的起偏方向成45°夹角；

其特征在于该方法包括下列步骤：

①将待标定的正弦相位调制器(4)插在所述的波片(3)和反射镜(5)之间，所述的正弦相位调制器(4)的方向和偏振分光棱镜(2)的起偏方向成45°夹角，与偏振分光棱镜的检偏方向成135°夹角，调整光路使正弦相位调制器(4)的反射光与所述的偏振分光棱镜的检偏窗口方向一致；

②调整所述的反射镜(5)，使反射光依次经过正弦相位调制器(4)、波片(3)和偏振分光棱镜(2)，从偏振分光棱镜的检偏窗口出射；

③通过所述的控制器(7)改变正弦相位调制器(4)的相位延迟量的幅值，所述的光电探测器(6)记录从偏振分光棱镜的检偏窗口出射的光束光强，并转变为电信号，该电信号输入所述的锁相放大器(8)的信号输入口，所述的控制器(7)输出的信号接所述的锁相放大器(8)的参考信号口，锁相放大器(8)的输出信号通过串口接所述的计算机(9)的输入端，经数据处理，得到出射光强的一次谐波分量并显示在所述的计算机(9)上；

④当所述的计算机(9)上显示的一次谐波分量为零时，所述的控制器(7)输入的相位延迟量的幅值即为所述的正弦相位调制器(4)的峰值相位延迟量。