CN100363728C - 激光回馈波片测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测量技术领域，其特征是利用632.8nm的He-Ne激光器与外部反射镜构成的激光回馈系统来测量波片的位相延迟。被测波片安放在回馈外腔中，当回馈镜沿激光轴线左右移动时，激光的偏振态将在两个正交的方向跳变。偏振跳变的位置与被测波片的位相差有关，在一个激光强度调制周期中，两个偏振态的占空比与被测波片的位相延迟具有线性关系，根据这一原理可以实现波片位相延迟的测量。激光回馈波片测量方法及其实现装置具有结构简单、装配调整容易、测量精度高、成本低的特点。适用于实时与在线式测量。

Description

激光回馈波片测量装置

技术领域

本发明属于激光测量技术领域。

背景技术

波片作为位相延迟器，在与偏振光有关的光学系统中有着广泛的应用，如外差激光干涉仪，偏振光干涉系统，偏光显微镜、椭偏仪、光隔离器、窄带光滤波器、可调光衰减器、光盘驱动器光拾取头等等，其中以具有π/2位相差的四分之一波片最为常用。作为光学系统的重要组成元件，波片自身位相延迟量的精度会影响整个系统的效果或测量精度。因此波片位相差的精确测量是非常重要的。在很多光学系统中，需要准确知道波片的位相差，这就要求有高精度的测量方法。目前，国内外高精度的波片测量方法有许多，以测量四分之一波片为主，比较典型的波片测量方法有以下几种。

1、旋转消光法

一个标准1/4波片的快轴与起偏器的偏振方向成45°角，被测1/4波片的快轴与起偏器的偏振光方向相同。HeNe激光器出射的激光经起偏器后成为一束线偏振光，再分别通过待测波片和标准波片后，又成为一线偏振光。旋转检偏器，可以找到一个消光位置。这时检偏器的偏振方向与起偏器的偏振方向夹角的两倍就是波片位的相差。这就是旋转消光法测量四分之一波片位相差的基本原理，其中消光位置的判别决定了波片位相差的测量精度。目测消光位置的方法可以使波片测量精度达到3°-5°，若使用半影检偏器检测可以使波片的测量精度提高到1°左右。若想进一步提高精度，需要高精度的测角仪来进行角度的测量，但这使测量设备的体积和成本都很大，增加了系统的复杂性。

2、电光调制法

电光调制法的基本原理与旋转消光法相同，但是采用了KD*P电光晶体，以电光调制检测法来判断消光位置，提高了判断消光位置的精度，最终波片位相差的测量精度可以达到0.5°左右。

3、磁光调制法

磁光调制法本质上也是旋转消光法，只是判断消光位置时采用了磁光调制的方法。由于磁光调制法可以精确判断消光位置，判断精度可以达到1″，所以波片位相差的测量精度理论上可以达到10″。实际上由于稳定性和调节精度等原因，测量重复性可以达到约0.1°。这种方法结构较复杂，需要专门的温度稳定机构，调整的工序多、要求高，调整的精度对测量结果影响很大，所以实际应用时会受到很多限制。

4、旋转检偏器法

让单色光源通过起偏器成为线偏振光，再通过待测波片(快轴与起偏器轴成45°)和一个以光路为轴旋转的检偏器进入高灵敏度的光电探测器。如果待测波片具有准确的λ/4延迟，则透射光应为圆偏振光，透过旋转检偏器的光强信号始终不变。如果延迟偏离了λ/4，则透射光将成为椭圆偏振光，光强信号也成为一个振荡信号，其振幅和平均光强由椭圆偏振光的椭圆率决定。测量出透射的平均光强和光强振荡变化幅度，就可以计算出波片位相差。这种方法的精度一般可以达到1°左右。

5、光学外差干涉法

纵向塞曼激光器输出一束包含左旋、右旋具有微小频差的两种圆偏振光，通过待测四分之一波片和偏振片(波片快轴与偏振片偏振方向成45°角)后，在偏振片的偏振方向上形成干涉，然后由光电探测器接收。探测器的输出与入射光的光强成正比，因此外差干涉信号带有被测波片的位相差信息。通过测量外差信号交流量的幅度，就可以确定波片的相位延迟量。这种方法的测量精度受限于被测波片和偏振片方向的调整误差和电压测量精度，一般为0.2°-0.3°。

6、激光频率分裂测量法

基于激光频率分裂技术的波片位相延迟测量是将波片放入激光腔内，由于波片的双折射效应，激光的一个模式将被分裂为两个正交的偏振分量。这两个偏振分量之间的频差与波片的位相差成正比，所以，通过测量频差就可以得到波片的位相延迟。这种方法的测量精度很高，可以达到0.05°，理论上可以测量任意位相延迟的波片，并且可以溯源到光波长。但不足的是，被测波片的两个表面需要镀增透膜，由于被测波片是放置在激光内腔，所以受激光器本身温度的影响较大。

从上面的分析我们可以看出，虽然目前国内外关于波片位相延迟的测量方法较多，但这些方法的测量设备较为复杂，对方向角调整的要求较高。绝大多数需要精确的角度测量，而高精度的测角仪体积很大，成本也很高，另外还有的设备需要高精度的标准四分之一波片。这就增加了测量系统的复杂性，由于测量环节引入了较多的仪器误差和方位调整误差，使测量精度的进一步提高受到了限制。

发明内容

本发明利用双折射外腔回馈可以导致激光偏振跳变的基本原理，提出了一种新的波片测量方法，并构建了测量系统。在波片外腔回馈条件下，两个偏振态在一个激光强度调制周期内的占空比与外腔波片的位相差具有线性关系，并且当波片的位相差等于π/2时，即四分之一波片，两个本征态在一个激光强度调制周期中的占空比相等，激光输出强度曲线类似于正弦波的全波整流，两个偏振光的强度平等转移。通过测量两个偏振态在一个激光强度调制周期内的占空比就可以高精度地确定外腔双折射元件的位相差。由于激光回馈系统具有结构简单、使用方便的特性，且被测波片位于激光器外，所以，该测量系统不但可以实现波片的高精度测量，同时还可以作为在线式波片测量系统，实时检测波片的位相差。

本发明的特征在于，所述的基于激光回馈的波片测量装置含有：

A：半内腔式的632.8nm的He-Ne激光器，所述的He-Ne激光器含有：

增益管10，内有He、Ne混合气体，气压比例为7∶1；

增透窗片11，所述的增透窗片11固定在所述增益管10的一端；

谐振腔，所述的谐振腔包括：

第一内腔反射镜8，所述的第一内腔反射镜8固定在所述增益管10的另一端；

第二内腔反射镜12，位于上述增透窗片11的另一端；

第一压电陶瓷13，固定在上述第二内腔反射镜12上，在输入电压作用下，所述的第一压电陶瓷13推动上述第二内腔反射镜12沿激光轴线方向左、右移动，改变激光的频率；

B：激光回馈外腔，所述的激光回馈外腔包括：

激光回馈外腔反射镜4，固定在所述第一内腔反射镜8的一侧，与所述第一内腔反射镜8有一定的距离；

被测波片6，安放在上述激光回馈外腔反射镜4与所述第一内腔反射镜8之间；

第二压电陶瓷3，固定在上述激光回馈外腔反射镜4上，在输入电压作用下，它推动上述激光回馈外腔反射镜4沿激光轴线方向左、右移动；

所述的激光回馈外腔反射镜4、被测波片6、第二压电陶瓷3以及所述的He-Ne激光器中第一内腔反射镜8共同构成所述的激光回馈外腔；

C：测量电路，所述的测量电路包括：

分光镜15，位于上述第二内腔反射镜12的一侧，靠近上述第二内腔反射镜12；

第一光电探测器14，测量经上述分光镜15反射后的激光输出的光强；

偏振片16，它位于上述分光镜15之后，将两正交偏振光的强度进行不同的衰减；

第二光电探测器17，位于上述偏振片16之后，探测通过偏振片后的激光光强；

所述He-Ne激光器的石英外壳9、第一光电探测器14、第二光电探测器17固定在各自的支架上，被测波片6固定在三维波片架5上，第二压电陶瓷3固定在二维调节架2上，所述各个支架、三维波片架5、二维调节架2各自固定在装在罩子1内的平台18上；

D：数据处理系统，该数据处理系统包括：

模/数转换器，输入信号分别为第一光电探测器14和第二光电探测器17输出的激光强度信号；

数/模转换器，该数/模转换器的输出与所述的第二压电陶瓷3及所述的第一压电陶瓷13的输入端相连；

计算机与所述的模/数转换器的输出端、数/模转换器的输入端相连。

由实验结果与理论分析可知，只要测量出两个偏振态在一个激光强度调制周期的占空比，就可以得到被测波片的位相延迟。测波片的位相延迟的测量由数据处理系统自动完成。

附图说明

图1：激光回馈系统示意图；

图2：激光回馈波片测量装置示意图；

图3：测量装置对不同波片的测量结果：(a)第一光电探测器输出，(b)第二光电探测器输出；

图4：偏振跳变中两个偏振态的占空比与波片位相延迟的关系曲线：(a)实测曲线，(b)理论曲线。

具体实施方式

实验装置如附图1所示，8和12分别是激光器的第一内腔反射镜和第二内腔反射镜，它们的反射率R₁和R₂分别为99.8％与98.8％，它们之间的距离，即激光谐振腔长记为L；10为激光增益管，内有He、Ne混合气体，比例为7∶1；11是增透窗片，固定在上述增益管的一端；8、10、11和12共同构成了半外腔632.8nm的He-Ne激光器。13为第一压电陶瓷，它固定在上述第二内腔反射镜上，在输入电压作用下，它推动上述第二内腔反射镜沿激光轴线方向左、右移动，以改变激光的频率，并使激光工作在单模状态；4为激光回馈外腔反射镜，反射率R₃＝10％；3为第二压电陶瓷，它固定在上述激光回馈外腔反射镜上，在输入电压作用下，它推动上述激光回馈外腔反射镜沿激光轴线方向左、右移动；6为被测波片；4、6和8共同构成了激光回馈外腔，外腔长记为l。14是第一光电探测器，探测经分光镜15反射后的激光输出强度；17是第二光电探测器，探测激光偏振态的变化。

激光回馈波片测量系统的装置如附图2所示。1为系统外罩；2是二维调节架，与3固定在一起，用于调节回馈镜4的准直；5为三维波片架，用于调节被测波片6的准直；7是挡板，用于减少激光器的温升对回馈外腔的影响；9是激光器的石英外壳，可以减少外界环境对激光器的影响；18为系统底板，用于将系统的各个部分连接成一体，增加系统的稳定性，提高抗外界干扰的能力；上述He-Ne激光器的石英外壳9、第一和第二光电探测器各自经固定支架固定在装在罩子内的安装平台18上。

实例：如图1或图2的实验系统，当回馈镜4在第二压电陶瓷3的推动下，沿激光轴线左右移动时，由第一光电探测器14测得的激光强度调制曲线如图3(a)所示。图3(a)中有5条曲线，其中：曲线1是压电陶瓷的驱动电压；曲线2是回馈外腔中没有波片时的激光强度调制曲线，称之为传统激光回馈曲线；曲线3、曲线4与曲线5分别对应被测波片的位相差为20°，35°与80°时的激光强度调制曲线。从图3(a)可以看出，当激光回馈外腔含有波片6时，在激光输出强度调制曲线的B点出现了一个凹陷或突起，这说明回馈外腔中有波片时对激光的输出强度有影响。通过偏振片16观察，即通过第二光电探测器17，我们发现激光的偏振方向在B点发生了突然的变化，即从水平方向跳变到垂直方向，这就是激光的偏振跳变，由第二光电探测器17输出的激光强度调制曲线如图3(b)所示。由此得出如下的结论：1)不论被测波片的位相差多大，激光回馈输出强度的调制周期不变，仍然与传统激光回馈的相等；2)被测波片6的位相差不同，偏振跳变在一个激光强度调制周期中的位置也不同；3)激光偏振跳变时，两个偏振态的强度均被外腔长调制，即伴随着偏振态的变化，激光模式两个本征态之间的强度在相互转移；4)随着波片位相差的增大(0-π/2范围内)，两个偏振态在一个激光输出强度调制周期内的持续时间越来越接近；5)当波片位相差增加时，强度调制曲线上凹陷或突起的深度也在逐渐增加。

在一个激光强度调制周期内，两个正交偏振态的占空比随被测波片位相差变化的实测曲线如图4(a)所示，基本为线性关系。

由于波片的双折射性质，使激光模式的两个本征态在外腔具有不同的损耗，打破了激光的柱状对称性，使激光的偏振态发生跳变。偏振跳变的条件可以近似表示为：

1)偏振从水平方向跳变到垂直方向的条件为：

cos(2kl)≤0(1)

2)当激光偏振从垂直方向跳变到水平方向的条件为：

cos(2kl-2δ)≤0(2)

式中：k为波数，l为回馈腔长，δ为被测波片的位相延迟。由偏振跳变的条件可以推出两个偏振态在一个激光强度调制周期的占空比与被测波片位相延迟的关系为：

D_x＝(π-δ)/π(3)

D_y＝δ/π(4)

式中：D_x和D_y分别代表x偏振和y偏振的占空比。变化曲线如图4(b)所示。

Claims (1)

1.基于激光回馈的波片测量装置，其特征在于，所述的基于激光回馈的波片测量装置含有：

A：半内腔式的632.8nm的He-Ne激光器，所述的He-Ne激光器含有：

增益管(10)，内有He、Ne混合气体，气压比例为7∶1；

增透窗片(11)，所述的增透窗片(11)固定在所述增益管(10)的一端；

谐振腔，所述的谐振腔包括：

第一内腔反射镜(8)，所述的第一内腔反射镜(8)固定在所述增益管(10)的另一端；

第二内腔反射镜(12)，位于上述增透窗片(11)的另一端；

第一压电陶瓷(13)，固定在上述第二内腔反射镜(12)上，在输入电压作用下，所述的第一压电陶瓷(13)推动上述第二内腔反射镜(12)沿激光轴线方向左、右移动，改变激光的频率；

B：激光回馈外腔，所述的激光回馈外腔包括：

激光回馈外腔反射镜(4)，固定在所述第一内腔反射镜(8)的一侧，与所述第一内腔反射镜(8)有一定的距离；

被测波片(6)，安放在上述激光回馈外腔反射镜(4)与所述第一内腔反射镜(8)之间；

第二压电陶瓷(3)，固定在上述激光回馈外腔反射镜(4)上，在输入电压作用下，它推动上述激光回馈外腔反射镜(4)沿激光轴线方向左、右移动；

所述的激光回馈外腔反射镜(4)、被测波片(6)、第二压电陶瓷(3)以及所述的He-Ne激光器中第一内腔反射镜(8)共同构成所述的激光回馈外腔；

C：测量电路，所述的测量电路包括：

分光镜(15)，位于上述第二内腔反射镜(12)的一侧，靠近上述第二内腔反射镜(12)；

第一光电探测器(14)，测量经上述分光镜(15)反射后的激光输出的光强；

偏振片(16)，它位于上述分光镜(15)之后，将两正交偏振光的强度进行不同的衰减；

第二光电探测器(17)，位于上述偏振片(16)之后，探测通过偏振片后的激光光强；

所述He-Ne激光器的石英外壳(9)、第一光电探测器(14)、第二光电探测器(17)固定在各自的支架上，被测波片(6)固定在三维波片架(5)上，第二压电陶瓷(3)固定在二维调节架(2)上，所述各个支架、三维波片架(5)、二维调节架(2)各自固定在装在罩子(1)内的平台(18)上；

D：数据处理系统，该数据处理系统包括：

模/数转换器，输入信号分别为第一光电探测器(14)和第二光电探测器(17)输出的激光强度信号；

数/模转换器，该数/模转换器的输出与所述的第二压电陶瓷(3)及所述的第一压电陶瓷(13)的输入端相连；

计算机与所述的模/数转换器的输出端、数/模转换器的输入端相连。

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