CN2515652Y - 光学波片厚度的测量仪 - Google Patents

Abstract

一种光学波片厚度的测量仪,主要适用于测量光学晶体波片的厚度。包括含有支柱顶端的台顶,中间有支撑台,低端有台座的检测台。台顶的通光孔中心与支撑台通光孔中心与台座的通光孔中心是一条垂直线,与置于台顶单色光源发射的光束经过起偏器、全反射镜,穿过待测波片、再经过检偏器至探测器的光路的光轴重合。计算机控制两个分别与置放待测波片的上转盘和置放检偏器的下转盘连接的步进电机。依据待测波片具有晶体双折射的特性,测得滞后角,获得待测波片的厚度。与在先技术相比,本实用新型的测量仪具有测量精度高,测量误差达到小于1微米。使用方便,操作简单可靠。

Description

光学波片厚度的测量仪

技术领域：

本实用新型是关于光学波片厚度的测量仪，主要适用于测量光学晶体波片的厚度。

背景技术：

被广泛应用的光学波片在光轴准确定向的情况下，起关键作用的是厚度。制作光学波片，厚度的准确控制与测量是十分重要的。但是，在先技术光学波片测试仪器中，只适用于单一厚度(仅是四分之一，二分之一和全波)的波片测量(参见在先技术[1]“用He-Ne激光器研制1.06μm四分之一波片”蒋秉植等，《LaserJournal》Vol.7，No.1，1986，P.24)，或只能对一种特定波长(如1.06μm，0.6328μm)的光学波片进行测量，(参见在先技术[2]“波片测量中的补偿法”苏美开等，《应用激光》Vol.1，No.10，1991)，而且测量仪器复杂、使用繁琐。

发明内容：

本实用新型是利用晶体制成的待测波片特性，即晶体双折射构成寻常光和非寻常光产生相位变化不同，两者相位之差被称为滞后角，这一滞后角与波片厚度有严格对应的关系，因此测量滞后角得到波片的厚度。

本实用新型的波片厚度测量仪含有检测台18，检测台18有支柱5，支柱5的顶端有带通光孔的台顶4，支柱5的中间有带通光孔的支撑台8，支柱5的底端有带通光孔的台座12，台顶4内置有单色光源1，起偏器2和全反射镜3；支撑台8上带有微动螺杆9，置有连接第一步进电机17的带中心通光孔的上转盘7，待测波片6置放在上转盘7上的中心通孔的位置上；台座12上置有带与台座12通光孔相对应的中心通光孔的下转盘11，台座12内置有入射面对着台座12通光孔的检偏器10，有接收面对着检偏器出射面的探测器14，探测器14的输出连接到计算机13上，有电源16分别与单色光源1、第一步进电机17、第二步进电机15和计算机13连接，上述的台顶4的通光孔中心与支撑台8的通光孔中心与台座12的通光孔中心是在一条垂直线上，此垂直线与单色光源1发射的光束经过起偏器2、全反射镜3，穿过待测波片6，再经过检偏器10至探测器14的接收面的光路的光轴重合。如图1所示。

本实用新型的测量仪如上所述的总体结构如图1示。测量仪含检测台18，检测台18是由按支柱5的上、中、下排列的台顶4，支撑台8，台座12和支柱5共四大部分构成。支撑台8上又有带中心通光孔的、方向可精密微调的上转盘7和调整用的微动镙杆9以及第一步进电机17；台座12上有带中心通光孔的下转盘11和台座12以及第二步进电机15。上转盘7和下转盘11的边沿都带有精密齿轮。与步进电机17、15相连。

单色光源1、起偏器2、反射镜3置于台顶4内，单色光源1固定在台顶4内的后边，输出光指向前方的起偏器2，起偏器2置于台顶4内的中间，台顶4内的前端安置反射镜3；待测波片6置于支撑台上的上转盘7上的中心通光孔处；检偏器10置于下转盘11上的中心通光孔处，探测器14置于台座12内最下端，入射面朝向检偏器10的输出光束面以接收检偏器10的输出光束。

单色光源1、起偏器2、反射镜3可以排成一直线其中心线与中心光线重合。

待测波片7、检偏器10分别置于上转盘7和下转盘11中心通光孔的位置上。

当光路中未放入待测波片6时，由计算机控制下转盘11转动，使检偏器10的偏振方向与起偏器2的偏振方向垂直，则来自起偏器2的平行偏振光不能通过检偏器10，成正交消光状态。

所说的电源16提供单色光源电能，采用电流、电压稳定技术，以便得到稳定光功率输出提高测量精度。本实用新型中电源16也为两个步进电机17、15提供驱动电能，精密地推动检测台18上的两个转盘7、11的机械运动，在计算机的控制下完成上转盘7和下转盘11的旋转。

所说的两个步进电机17、15与上、下转盘7和11连接都采用了精密变速齿轮，从变速中提高测角精度。变速比设计成整数，消除了因小数取舍带来的累积误差。

本实用新型中的探测器14用于测量光的强度变化，采用光强动态范围优于信噪比10³∶1的光敏元件，并与光源的光谱相匹配，如优质的硅光电池、光敏半导体管等；起偏器2和检偏器12可以是各种偏振棱镜或其他性能优良的起偏、检偏器，如带有偏振膜的偏振片等；单色光源1最好为激光器，如氦氖(He-Ne)激光器、半导体激光器、倍频激光器，也可用其它波长经过选定的光源。

本实用新型中支撑台9的方向调整机构，即微动镙杆10用于保证待测波片精细调节到所需要的位置上，免除旋转时带来***误差。

本实用新型中所述控制上转盘7和下转盘11的旋转，都由精确的高频电脉冲为基本单位完成。每一脉冲为步进电机的一步长，每一步长转动一微小角度，而每一步长对应的微小角度又由变速齿轮的直径比进一步提高了角分辨率，提高测量精度。

与在先技术相比，本实用新型不再受某一特定波长的限制，也不只限于测量四分之一或二分之一或全波波片单一厚度，可测量多种厚度的晶体光学波片。

本实用新型测量过程是：首先调整测量仪，令起偏器2与检偏器10处于偏振方向正交的消光状态，将待测波片6置于上转盘7上，让光线中心通过待测波片6的中心并光束的入射方向成垂直待测波片的方向。旋转上转盘7，得到探测器14读数最小时，令上转盘7再旋转45度。在这一特定方位开始旋转下转盘11，直到探测器14显示出光强重现最小，测出下转盘11所转过的角度，得到的就是相位变化的滞后角δ。再由滞后角δ求得待测波片的厚度。

待测波片厚度的计算：

d为光束垂直入射待测波片的厚度，寻常光在待测波片中传播后再出射时增加光程为L_o＝n_od，对应的相位角为Φ_o

                 Φ_o＝2πn_od/λ

同样，对于非寻常光增加的相位角为Φ_e，

                 Φ_e＝2πn_ed/λ其中n_o、n_e为待测波片的晶体对寻常光和非寻常光的折射率，λ为入射光波长。

由相位角为Φ_o，Φ_e给出滞后角δ，

                δ＝Φ_e-Φ_o＝2π(n_e-n_o)d/λ

从上得出

                d＝λδ/[2π(n_e-n_o)]

为了能测得实际待测波片的厚度(除极少数波片只有四分之一、二分之一或整个波长的厚度外，一般都叠加多个全波长厚度)需要增加一个修正值。将上述厚度d上加几个或几十个整数波长的厚度。因为实际的波片，待测波片6的厚度一般不是只有四分之一、二分之一波长和一个整波长的厚度(因这样的波片太薄，不利使用时固定或不利加工)，而是几个或几十个整数波长基础上再附加四分之一、二分之一、一个整波长厚的晶体波片。因此，实际厚度D应为：

                            D＝Nd_λ+d其中N为真实厚度中所含全波长厚度d_λ的整数倍。

本实用新型的测量仪已经完全自动化，只要在计算机上键入必要的参数，检测仪自动运转，最后结果就是波片的厚度，可由打印机打出测量结果。

与在先技术相比，本实用新型的测量仪是用光的波长和直接测得滞后角δ为测量基数，测量精度高。由计算机控制全过程的测量，所以不仅测量精确可靠，而且完成一个待测波片的测量只需要20秒钟。所给出待测波片的厚度误差达到几分之一微米(小于1微米)。全部测量由计算机控制进行，使用方便，操作简单可靠。

附图说明：

图1为本实用新型测量仪的结构示意图

具体实施方式：

具体实施的结构如图1。

起偏器2和检偏器10用消光好的方解石棱镜(消光比大于1比1万)，置放待测波片7、检偏器12的可旋转的上转盘7和下转盘11上分别都带有精密齿轮，精密齿轮与步进电机衔接，齿轮与步进电机之间的速度比为20∶1。置于台顶4内的单色光源1选用单色性好的、方向性好的、输出波长稳定的氦-氖(He-Ne)激光器，电源16为恒流电源。探测器6用的光敏元件测量范围大于三个量级的优质硅光电池。

所检测的待测波片6是石英晶体，测量结果N＝12，d_λ＝69.93μm，d_λ/2＝39.97μm，D＝Nd_λ+d_λ/2＝874.10μm，测量10次以上，误差小于0.3μm。

Claims (3)

1.一种光学波片厚度的测量仪，包含单色光源(1)，起偏器(2)和检偏器(10)，其特征在于含有检测台(18)，检测台(18)有支柱(5)，支柱(5)的顶端有带通光孔的台顶(4)，支柱(5)的中间有带通光孔的支撑台(8)，支柱(5)的底端有带通光孔的台座(12)，台顶(4)内置有单色光源(1)，起偏器(2)和全反射镜(3)；支撑台(8)上带有微动螺杆(9)，置有连接第一步进电机(17)的上转盘(7)，待测波片(6)置放在上转盘(7)上的中心孔的位置上；台座(12)上置有带与台座(12)通光孔相对应的中心通孔的下转盘(11)，台座(12)内置有入射面对着台座(12)通光孔的检偏器(10)，有接收面对着检偏器出射面的探测器(14)，探测器(14)的输出连接到计算机(13)上，有电源(16)分别与单色光源(1)、第一步进电机(17)、第二步进电机(15)和计算机(13)连接，上述的台顶(4)的通光孔中心与支撑台(8)的通光孔中心与台座(12)的通光孔中心是在一条垂直线上，此垂直线与单色光源(1)发射的光束经过起偏器(2)、全反射镜(3)，穿过待测波片(6)，再经过检偏器(10)至探测器(14)的接收面的光路的光轴重合。

2.根据权利要求1所述的光学波片厚度的测量仪，其特征在于所说的起偏器(2)和检偏器(10)是偏振棱镜，或者是带有偏振膜的偏振片。

3.根据权利要求1所述的光学波片厚度的测量仪，其特征在于所说的单色光源(1)是氦氖激光器，或者是半导体激光器，或者是倍频激光器。

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