CN103335821B - 四分之一波片相位延迟量的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种四分之一波片相位延迟量的测量装置和测量方法，该装置由准直光源、圆起偏器、光弹调制器、圆检偏器、光电探测器、光弹控制器、锁相放大器和计算机组成。本发明只需一个光弹调制器即可测量四分之一波片的相位延迟量，只需要一个锁相放大器，装置简单，结构紧凑，操作方便。

Description

四分之一波片相位延迟量的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及偏振测量技术领域，特别是一种四分之一波片相位延迟量的测量装置和测量方法。

技术背景

波片在偏振照明、生物检测、光学检测等领域具有广泛的应用。四分之一波片是必不可少的一类偏振器件，常常和线起偏器配合使用产生圆偏振光。相位延迟量是四分之一波片的重要参数，为了提高偏振光学***的性能，需要精确测量偏振光学***中四分之一波片的相位延迟量。

在先技术[1](BaoliangWang,Linearbirefringencemeasurementinstrumentusingtwophotoelasticmodulators,Opt.Eng.41(5),981-987,2002)描述了用两个光弹调制器来测量相位延迟量的方法。该***包含一个He-Ne激光器，一个起偏器，两个调制频率不同的光弹调制器，一个检偏器，一个光电探测器。样品放置于两个光弹调制器之间，用锁相放大器来分析探测器信号，最后用计算机程序来计算相位延迟量和快轴方位角。这种方法使用光弹调制器，可以提高测量精度。但是该方法使用两个调制频率不同的光弹调制器和锁相频率不同的锁相放大器，装置复杂，操作不便。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种四分之一波片相位延迟量的测量装置和测量方法。该装置和方法只需用到一个光弹调制器即可测量四分之一波片的相位延迟量，装置简单，结构紧凑；只需要一个锁相放大器，数据处理电路简洁，操作方便。

本发明的技术解决方案：

一种四分之一波片相位延迟量的测量装置，其特点在于该装置由准直光源、圆起偏器、光弹调制器、圆检偏器、光电探测器、光弹控制器、锁相放大器和计算机组成。上述元部件的位置关系如下：

沿所述的准直光源出射的光束前进方向依次是所述的圆起偏器、光弹调制器、圆检偏器和光电探测器。在所述的光弹调制器和圆检偏器之间设置待测波片的插口。所述的光弹控制器的第一输出端接所述的光弹调制器的控制端，光弹控制器的第二输出端接锁相放大器的参考信号输入端，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端，锁相放大器的信号输出端通过串口接入所述的计算机。该计算机安装有与所述的锁相放大器配套的Signaloc2100数据采集程序，该Signaloc2100数据采集程序用于采集锁相放大器输出信号的直流分量和二次谐波分量。

所述的圆检偏器由四分之一波片和线检偏器组成，四分之一波片的快轴方位角和线检偏器的透振方向成45°夹角。

所述的光弹控制器通过输入面板设定光弹调制器的峰值延迟量、调制频率和工作波长。

利用所述的四分之一波片相位延迟量的测量装置测量待测四分之一波片相位延迟量的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将待测波片***所述的光弹调制器和圆检偏器之间；

②所述的光弹控制器通过输入面板设定光弹调制器的峰值相位延迟量为2.405rad，所述的光电探测器记录从圆检偏器出射的光束光强并转变为电信号，该电信号输出至所述的锁相放大器的信号输入端，所述的光弹控制器输出端与锁相放大器的参考信号端相连，锁相放大器的输出信号包含二次谐波分量V_2f和直流分量V_DC，锁相放大器的输出信号通过串口输入计算机;

③所述的计算机通过Signaloc2100数据采集程序采集所述的锁相放大器输出信号的二次谐波分量V_2f和直流分量V_DC，并进行下列计算：

$\mathrm{\δ}=\arccos \left(\frac{V_{2f}}{\sqrt{2}{V}_{\mathrm{DC}}{J}_2\left({\mathrm{\Δ}}_0\right)}\right)$

得到待测波片的相位延迟量δ。

与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1.只需用到一个光弹调制器，装置简单，结构紧凑。

2.只需要一个锁相放大器，数据处理电路简洁，操作方便。

附图说明

图1为本发明四分之一波片相位延迟量的测量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是本发明四分之一波片相位延迟量的测量装置实施例的结构框图。由图可见，本发明四分之一波片相位延迟量的测量装置由准直光源1、圆起偏器2、光弹调制器3、圆检偏器5、光电探测器6、光弹控制器7、锁相放大器8和计算机9组成，其位置关系为：

沿所述的准直光源1出射的光束前进方向依次是所述的圆起偏器2、光弹调制器3、圆检偏器5、光电探测器6和光弹控制器7。在所述的光弹调制器3和圆检偏器5之间设置待测波片4的插口。所述的光弹控制器7的第一输出端接所述的光弹调制器3的控制端，同时光弹控制器7的第二输出端接锁相放大器8的参考信号输入端，所述的光电探测器6的输出端接所述的锁相放大器8的信号输入端，锁相放大器8的输出端通过串口接入所述的计算机9，该计算机9安装有与所述的锁相放大器8配套的Signaloc2100数据采集程序，该Signaloc2100数据采集程序用于采集锁相放大器8输出信号的直流分量和二次谐波分量。

所述的圆检偏器5由四分之一波片和线检偏器组成，四分之一波片的快轴方位角和线检偏器的透振方向成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：

所述的准直光源1为波长632.8nm的He-Ne激光器，，所述的圆起偏器2为利用方解石晶体和石英晶体制作成的消光比优于10^-3的圆起偏器，所述的光弹调制器3为HindsInstruments公司研制的PEM100光弹调制器，所述的圆检偏器5由相位延迟分布误差小于0.3°的石英四分之一波片和消光比优于10^-3的格兰–泰勒棱镜组成，石英四分之一波片的快轴方位角和格兰–泰勒棱镜的透振方向成45°夹角。所述的光电探测器6由光电二极管和前置放大电路构成，所述的光弹控制器7是所述光弹调制器3的配套产品，所述的锁相放大器8是HindsInstruments公司研制的Signaloc2100锁相放大器。

利用所述的四分之一波片相位延迟量的测量装置测量待测波片相位延迟量的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将待测波片4***所述的光弹调制器3和圆检偏器5之间；

②所述的光弹控制器7通过输入面板设定光弹调制器3的峰值相位延迟量为2.405rad，所述的光电探测器6记录从圆检偏器5出射的光束光强并转变为电信号，该电信号输出至所述的锁相放大器8的信号输入端，所述的光弹控制器7输出端与锁相放大器8的参考信号端相连，锁相放大器8的输出信号包含二次谐波分量V_2f和直流分量V_DC，锁相放大器8的输出信号通过串口输入计算机9；

③所述的计算机9通过Signaloc2100数据采集程序采集所述的锁相放大器8输出信号的二次谐波分量V_2f和直流分量V_DC，并进行下列计算：

$\mathrm{\δ}=\arccos \left(\frac{V_{2f}}{\sqrt{2}{V}_{\mathrm{DC}}{J}_2\left({\mathrm{\Δ}}_0\right)}\right)$

得到待测波片4的相位延迟量δ。

本发明的工作原理如下：

经过所述的圆起偏器2出射的圆偏振光的斯托克斯矢量S_CP为

$S_{\mathrm{CP}}=I_0\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中I₀为准直光源的初始光强。所述的光弹调制器3可以用穆勒矩阵M_PEM表示为：

$M_{\mathrm{PEM}}=I_0\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left(\mathrm{\Δ}\right)& \sin \left(\mathrm{\Δ}\right)\\ 0& 0& -\sin \left(\mathrm{\Δ}\right)& \cos \left(\mathrm{\Δ}\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中Δ是光弹调制器3的相位延迟量，Δ=Δ₀sinωt，Δ₀是光弹调制器的峰值延迟量，ω是调制频率；所述待测波片4可以用穆勒矩阵M_S表示为：

$M_S=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)+{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)\cos \left(4\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(4\mathrm{\θ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)& -\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\δ}\right)\\ 0& \sin \left(4\mathrm{\θ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)& {\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)-{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)\cos \left(4\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\δ}\right)\\ 0& \sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\δ}\right)& -\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\δ}\right)& \cos \left(\mathrm{\δ}\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中δ和θ分别为所述待测波片4的相位延迟量和快轴方位角。所述圆检偏器5可以用穆勒矩阵M_CA表示为：

$M_{\mathrm{CA}}=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(4\right)$

所述的光电探测器6探测得到的出射光，可以用斯托克斯矢量S表示

$S=M_{\mathrm{CA}}{M}_{\mathrm{QWP}}{M}_{\mathrm{sample}}{M}_{\mathrm{PEM}}{S}_{\mathrm{CP}}---\left(5\right)$

光电探测器6的测量光强I可以表示为

$I=\frac{I_0}{2}(1-\sin \mathrm{\Δ}\cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}+\cos \mathrm{\Δ}\cos \mathrm{\δ})---\left(6\right)$

通过雅克比-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：

其中J₀是零阶贝塞尔函数，J_2k+1是第2k+1阶贝塞尔函数，J_2k是第2k阶贝塞尔函数。设置所述的光弹控制器7，使得光弹调制器峰值相位延迟量Δ₀＝2.405rad，从而J₁(Δ₀)＝0，将公式（7）（8）代入公式（6）展开可得到：

光电探测器3采集的电信号V与测量光强I的关系为：

$V=\mathrm{KI}---\left(10\right)$

其中K是***参数。从式（9）中能够分别得到直流分量V_DC，基频分量V_1f，二次谐波分量V_2f，锁相放大器8测得的信号值为均方根值，因此所述的锁相放大器8测得的二次谐波分量V_2f为：

$V_{2f}=\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{KI}}_0{J}_2\left({\mathrm{\Δ}}_0\right)\cos \mathrm{\δ}---\left(11\right)$

直流分量V_DC为：

$V_{\mathrm{DC}}=\frac{{\mathrm{KI}}_0}{2}---\left(12\right)$

为了消除因准直光源波动以及光学器件的吸收、反射、散射引起的光强变化，将二次谐波分量V_2f和直流分量V_DC相除，可得到

$\mathrm{\δ}=\arccos \left(\frac{V_{2f}}{\sqrt{2}{V}_{\mathrm{DC}}{J}_2\left({\mathrm{\Δ}}_0\right)}\right)---\left(13\right)$

通过公式（13）可以计算出待测波片4的相位延迟量。

Claims (1)

1.一种利用四分之一波片相位延迟量的测量装置测量待测四分之一波片相位延迟量的方法，该装置测量由准直光源(1)、圆起偏器(2)、光弹调制器(3)、圆检偏器(5)、光电探测器(6)、光弹控制器(7)、锁相放大器(8)和计算机(9)组成，上述部件的位置关系如下：

沿所述的准直光源(1)出射的光束前进方向依次是所述的圆起偏器(2)、光弹调制器(3)、圆检偏器(5)和光电探测器(6)，在所述的光弹调制器(3)和圆检偏器(5)之间设有待测波片(4)的插口，所述的光弹控制器(7)的第一输出端接所述的光弹调制器(3)的控制端，所述的光弹控制器(7)的第二输出端接所述的锁相放大器(8)的参考信号输入端，所述的光电探测器(6)的输出端接所述的锁相放大器(8)的信号输入端，所述的锁相放大器(8)的信号输出端通过串口接入所述的计算机(9)，该计算机(9)安装有与所述的锁相放大器(8)配套的Signaloc2100数据采集程序，该Signaloc2100数据采集程序用于采集锁相放大器(8)输出信号的直流分量和二次谐波分量；

其特征在于，该测量方法包括下列步骤：

①将待测波片(4)***所述的光弹调制器(3)和圆检偏器(5)之间；

②所述的光弹控制器(7)通过输入面板设定光弹调制器(3)的峰值相位延迟量为2.405rad，所述的光电探测器(6)记录从圆检偏器(5)出射的光束光强并转变为电信号，该电信号输出至所述的锁相放大器(8)的信号输入端，所述的光弹控制器(7)的第二输出端与锁相放大器(8)的参考信号输入端相连，锁相放大器(8)的输出信号包含二次谐波分量V_2f和直流分量V_DC，锁相放大器(8)的输出信号通过串口输入计算机(9)；

③所述的计算机(9)通过Signaloc2100数据采集程序采集所述的锁相放大器(8)输出信号的二次谐波分量V_2f和直流分量V_DC，并进行下列计算：

得到待测波片(4)的相位延迟量δ，式中J₂是第2阶贝塞尔函数，Δ₀是光弹调制器的峰值延迟量。