CN101021447A - 测量1/4波片的相位延迟和快轴方向的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种测量1/4波片的相位延迟和快轴方向的方法和装置，该方法的原理是：采用了椭圆偏振的光强探测技术，依次将λ/4菲涅尔双菱体和待测1/4波片置于起偏器和检偏器之间，转动待测1/4波片和检偏器至不同的位置并探测输出的光强，即可得到1/4波片的相位延迟和快轴的方向。本发明装置能够在宽光谱范围内同时测量不同波长的1/4波片的相位延迟和快轴方向，测量精度高，而且操作方便，测量自动完成。

Description

测量1/4波片的相位延迟和快轴方向的方法和装置

技术领域

本发明属于偏振光学检测技术领域，特别是一种测量1/4波片的相位延迟和快轴方向的方法和装置。

背景技术

波片常用于椭偏测量或光学测量中用以改变光的偏振态，波片的相位延迟误差会对测量结果产生很大的影响，此外，在制作和使用过程中，也经常需要在宽光谱范围内精确测出波片的快、慢轴方向。实现1/4波片相位延迟和快轴方向的测量方法有很多种，主要有：光外差法，标准片补偿法，椭偏法等，上述方法往往只适用于测量某一特定单色波长下的1/4波片的相位延迟和快轴方向，而对于其它波长下的1/4波片，特别是多级波片，采用公式换算的方式，很难满足测量的精度；有的常常缺少标准片，或者即使有标准片，但该标准片的快轴方向又不容易知道，因此使测量受到限制；有的价格昂贵，或者人工操作，非常复杂。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对上述已有的各种测量方法中的不足：只适合某一特定单色波长下1/4波片的测量，不能实现宽光谱范围内的测量；测量精度难以提高、标准片和快轴方向难以得到；复杂的人工操作、不能自动完成测量等，提出一种测量1/4波片的相位延迟和快轴方向的方法和装置，使之能够在宽光谱范围内同时测量不同波长的1/4波片的相位延迟和快轴方向，测量精度高，而且操作方便，测量可自动完成。

本发明方法的原理是：采用了椭圆偏振的光强探测技术，依次将λ/4菲涅尔双菱体和待测1/4波片置于起偏器和检偏器之间，转动待测1/4波片和检偏器至不同的位置并探测输出的光强，即可得到1/4波片的相位延迟和快轴的方向。

本发明的技术解决方案如下：

一种测量待测1/4波片的相位延迟和快轴方向的方法，该方法包括下列步骤：

①调整起偏器和检偏器的透偏方向相互垂直：

在一单色光束的前进方向同光轴地依次设置起偏器、检偏器、第一聚焦透镜和第一光电探测器，调整起偏器和检偏器的透偏方向相互垂直，逆着光的传播方向看去，起偏器的偏振面在第1象限内且与水平方向X轴的夹角为45°，则检偏器的偏振面应在第2象限内，且与起偏器的偏振面垂直；

②给待测1/4波片标记主轴：

垂直光路在起偏器和检偏器之间放入待测1/4波片并绕光束转动该待测1/4波片，直到出现消光，第一光电探测器探测到的光强最小，表示待测1/4波片的快轴或慢轴与起偏器的偏振面平行，并标记下该主轴；然后将待测1/4波片绕光束顺时针转动45°，使所标记的主轴与X轴平行，此时，起偏器的透偏方向与所标记的该待测1/4波片的主轴方向的夹角为45°；

③置入λ/4菲涅尔双菱体置入光路：

再将λ/4菲涅尔双菱体放入起偏器和待测1/4波片之间的光路中，并使光束垂直入射λ/4菲涅尔双菱体的端棱面，光束经过λ/4菲涅尔双菱体后产生相位差δ_FR＝E_⊥-E_∥90°，使经过起偏器的线偏振光变为右旋圆偏振光，该右旋圆偏振光再经过待测1/4波片后，这时待测1/4波片上所标记的X轴方向的主轴为慢轴或快轴；

④测量：

当绕光束顺时针转动检偏器，若光强逐渐变小，直到第一光电探测器探测出最小光强，这时检偏器所转过的角度即为该待测1/4波片的相位延迟，同时表明待测1/4波片所标记的X轴方向的主轴为慢轴；

⑤否则，继第③步，绕光束顺时针转动所述的检偏器，光强逐渐变大，直到第一光电探测器探测出最大光强，检偏器所转过的角度即为该待测1/4波片的相位延迟，同时表明待测1/4波片上所标记的X轴方向的主轴为快轴。

一种测量1/4波片的相位延迟和快轴方向的装置，包括一光谱仪单色光源，其点是在该光谱仪的单色光输出方向依次是滤光片和45°分光镜，在该45°分光镜的反射光束的前进方向同光轴地依次为起偏器、λ/4菲涅尔双菱体、待测1/4波片、检偏器、第一聚焦透镜和第一光电探测器，该第一光电探测器的输出经第一运算放大电路和第一A/D转换器接计算机，在所述的45°分光镜的透射光束的前进方向依次为衰减片、第二聚焦透镜和第二光电探测器，该第二光电探测器的输出经第二运算放大电路、第二A/D转换器接计算机，该计算机的输出端分别通过第一步进马达驱动系统和第二步进马达驱动系统控制所述的待测1/4波片和检偏器的运动。

下面对本发明的工作原理作说明：

λ/4菲涅尔双菱体的光学原理

λ/4菲涅尔双菱体是消色差相位延迟器，是基于菲涅尔反射的全内反射相变理论制成的，由于其高度消色差性，常可替代普通波片，用于在较大的光谱范围内改变光的偏振态，以实现宽光谱范围的准确测量，是现代激光技术中不可替代的一类重要的光学器件。λ/4菲涅尔双菱体消色差相位延迟器最初由Oxley提出，后来又由Kizel等人重新发展，是由两块菲涅尔菱体串接而成的。其优点主要有：出射光束和入射光束在同一直线上，即光束不发生偏移；由于四次全内反射的补偿性，使得双菱体的相位延迟受入射角的变化影响很小；相位延迟随波长的变化很小，因而具有很高的消色差特性。

当与入射面的方位角为45°的平面偏振光入射遇到菱体的内表面，由单次全内反射的垂直分量和平行分量相变之差产生的相位延迟δ为：

$\mathrm{\δ}={\mathrm{\δ}}_{\⊥}-{\mathrm{\δ}}_{//}=2\mathrm{arctg}\left(\frac{\cos \mathrm{\θ}\sqrt{n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-1}}{n{\sin }^2\mathrm{\θ}}\right),$

式中：θ为全内反射角，n为材料的折射率。对于λ/4菲涅尔双菱体，它的单次内反射产生的相位延迟δ＝22.5°。

入射角变化对λ/4双菱体相位延迟的影响：如图1所示，当入射光线为非正入射时，入射角为i，由斯涅尔定律和反射定律可知：在双菱体内的前两次内反射角分别变为 ${\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin i}{n}\right),$ 而后两次内反射角分别变为 ${\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin i}{n}\right).$ 前两次内反射时，由入射角变化引起的单次全内反射的相位延迟误差Δδ_il2为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{il}}=\frac{\mathrm{d\δ}}{\mathrm{d\θ}}\·\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{di}}\·\mathrm{\Δi}=\frac{2}{{\sec }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)}\·{\left(\frac{\cos \mathrm{\θ}\sqrt{n^2\mathrm{si}{n}^2\mathrm{\θ}-1}}{n{\sin }^2\mathrm{\θ}}\right)}_{\mathrm{\θ}}^{\′}\·\frac{(-\cos i)}{\sqrt{n^2-{\sin }^{2}i}}\·\mathrm{\Δi}$

$=-\frac{2\sin \mathrm{\θ}\·[{\cos }^2\mathrm{\θ}-(n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-1)]\·\cos i}{(n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-{\cos }^2\mathrm{\θ})\·\sqrt{n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-1}}\·\mathrm{\Δi}---\left(2\right)$

但经过后两次内反射后，由入射角变化引起的单次内反射的相位延迟误差Δδ_i2为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_{i2}=-\frac{2\sin \mathrm{\θ}\·[{\cos }^2\mathrm{\θ}-(n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-1)]\·\cos i}{(n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-{\cos }^2\mathrm{\θ})\·\sqrt{n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-1}}\·\mathrm{\Δi}---\left(3\right)$

比较(2)、(3)两式可知：光线在双菱体内经过前两次内反射后的相位延迟误差和经过后两次内反射后的相位延迟误差的大小相等符号相反，具有差动补偿效应，因此由入射角偏差引起相位延迟误差的大小为0。出射光线虽然仍与入射光线平行，但不在同一直线上，出射光线相对于入射光线将发生偏移。

波长变化对λ/4双菱体型相位延迟的影响：由于材料的色散使得菱体对不同波长的光具有不同的折射率，由折射率变化引起的相位延迟误差Δδ_n为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_n=\frac{\∂\mathrm{\δ}}{\∂n}\·\mathrm{\Δn}+\frac{\∂\mathrm{\δ}}{\∂\mathrm{\θ}}\·\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dn}}\·\mathrm{\Δn}---\left(4\right)$

$\frac{\∂\mathrm{\δ}}{\∂n}=\frac{2}{{\sec }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)}\·{\left(\frac{\cos \mathrm{\θ}\sqrt{n^2\mathrm{si}{n}^2\mathrm{\θ}-1}}{n{\sin }^2\mathrm{\θ}}\right)}_n^{\′}=\frac{2{\sin }^2\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}}{(n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-{\cos }^2\mathrm{\θ})\sqrt{n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-1}}---\left(5\right)$

$\frac{\∂\mathrm{\δ}}{\∂\mathrm{\θ}}=\frac{2}{{\sec }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)}\·{\left(\frac{\cos \mathrm{\θ}\sqrt{n^2\mathrm{si}{n}^2\mathrm{\θ}-1}}{n{\sin }^2\mathrm{\θ}}\right)}_{\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{2n\sin \mathrm{\θ}{[\cos }^2\mathrm{\θ}-(n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-1)]}{(n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-{\cos }^2\mathrm{\θ})\sqrt{n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-1}}---\left(6\right)$

当入射光线为非正入射并且与入射面夹角为i时，由斯涅尔定律得 $\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_0-\arcsin \left(\frac{\sin i}{n}\right),$ θ₀为正入射时的反射角，则 $\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dn}}=\frac{\sin i}{n\sqrt{n^2-{\sin }^{2}i}}.$ 单次全内反射的

为：

$\frac{\∂\mathrm{\δ}}{\∂\mathrm{\θ}}\·\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dn}}=\frac{2\sin \mathrm{\θ}{[\cos }^2\mathrm{\θ}-(n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-1)]\·\sin i}{n\·(n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-{\cos }^2\mathrm{\θ})\sqrt{n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-1}}---\left(7\right)$

同理可知，

在经过菱体的前两次和后两次内反射后大小相等符号相反，具有补偿效应，其影响忽略不计。由折射率变化引起的相位延迟误差Δδ_n只包括

项。在532nm下相位延迟为λ/4的K9玻璃材料的双菱体，在1064nm时产生的相位延迟误差为-0.65°。

由上述分析可知：入射角变化对λ/4菲涅尔双菱体的相位延迟具有补偿性；波长变化的影响非常小，波长从532nm至1064nm产生的相位延迟的变化仅为-0.65°，因而具有高度消色差的性能，如图2所示。

(2)1/4波片相位延迟和快轴方向的测量方法

测量装置：光源采用光谱仪出射的单色光，该单色光经45°分光镜后分成两路，反射光作为测量光路，透射光作为参考光路，其中，反射光，经起偏器、λ/4菲涅尔双菱体、待测1/4波片和检偏器检偏器后，再经过第一聚焦透镜聚焦，由第一光电探测器接收，将光信号转换为电信号，经过第一A/D转换器变成数字信号后由计算机采集，作为光强探测中的分子。透射光经衰减片后，由第二光电探测器接收，经过第二A/D转换器变成数字信号后，由所述的计算机采集，作为光强探测中的分母，进行数据处理。这样，所测的光强为测量光路中的光强除以探测光路中的光强，用以消除光源的波动。该装置本身的消光比可达到10^-6，能够实现高精度测量。

综上所述，本发明与已有的几种方法相比的优点在于：

①采用的λ/4菲涅尔双菱体消色差相位延迟器是基于反射的全内反射相变理论制成的，具有高度消色差性，常用于在较大的光谱范围内改变光的偏振态，以实现宽光谱范围的准确测量，克服了已有方法中只适用于测量单一波长的1/4波片的限制。

②采用λ/4菲涅尔双菱体进行测量时，只需把该双菱体的菱面垂直光线放入光路中即可；而无需像标准片法必须首先要知道或者测量出该标准片的快轴方向，并且在测量时，还需要旋转波片，使其快轴方向达到所需的位置。因此，采用λ/4菲涅尔双菱体法使测量的误差源更少、精度更高，操作更加简便、易行。

③此外，将光路分为测量光路和参考光路，采用软件除法技术，消除了光源波动的影响，可实现1/4波片相位延迟和快轴方向的精确测量。

④该系统不仅测量精度高，可靠性好，而且操作方便，可直接在计算机上完成所有操作，无需进行人工繁琐的操作，大大提高了测量效率。

附图说明

图1是λ/4菲涅尔菲涅尔双菱体的结构示意图。

图2是λ/4菲涅尔双菱体相位延迟误差随波长的变化曲线。

图3是本发明采用的λ/4菲涅尔双菱体测量波片相位延迟和快轴方向的测量仪示意图。

图4是本发明测量时，在放入λ/4菲涅尔双菱体前，起偏器、检偏器透偏方向相互垂直，且波片的某一主轴(快轴或慢轴)与起偏器的透偏方向一致时的示意图。

图5是本发明测量时，在放入λ/4菲涅尔双菱体后，当波片标记的主轴为慢轴时，光偏振态变化的示意图。

图6是本发明测量时，在放入λ/4菲涅尔双菱体后，当波片标记的主轴为快轴时，光偏振态变化的示意图。

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。

图1是本发明采用的λ/4菱体型菲涅尔菲涅尔双菱体的结构，θ为双菱体的结构角，其大小与全内反射角相等。由图1可知，出射光线和入射光线在同一条直线上，由于在菱体内发生4次内反射，所以当非正入射角发生变化时，对双菱体相位延迟变化的影响得到补偿；此外，也补偿了一部分折射率随波长变化的影响，使得该结构的双菱体具有良好的消色差性能。可适用于较宽光谱范围的波片的测量。

图2是λ/4菲涅尔双菱体的相位延迟误差随波长的变化曲线。由图可知，该双菱体在532nm波长时的相位延迟为90°，而在1064nm波长时的相位延迟比在532nm时减小了0.65°，具有较高的消色差性能。

请参照图3，由图3可知，本发明测量1/4波片的相位延迟和快轴方向的装置，包括一光谱仪1单色光源，在该光谱仪1的单色光输出方向依次是滤光片2和45°分光镜14，在该45°分光镜14的反射光束的前进方向同光轴地依次为起偏器3、λ/4菲涅尔双菱体4、待测1/4波片5、检偏器6、第一聚焦透镜7和第一光电探测器8，该第一光电探测器8的输出经第一运算放大电路11和第一A/D转换器12接计算机13，在所述的45°分光镜14的透射光束的前进方向依次为衰减片15、第二聚焦透镜16和第二光电探测器17，该第二光电探测器17的输出经第二运算放大电路18、第二A/D转换器19接计算机13，该计算机13的输出端分别通过第一步进马达驱动系统9和第二步进马达驱动系统10控制所述的待测1/4波片5和检偏器6的运动。

装置中，光谱仪1发出的单色光束经45°分光镜14后，分为两束。其中，反射光作为测量光路，经起偏器3、λ/4菲涅尔双菱体4、待测1/4波片5和检偏器6后，经第一聚焦透镜7聚焦后，由第一光电探测器8接收，将光信号转换为电信号，经过第一运算放大电路11后，由采集卡进行数据采集和第一A/D转换器12，将模拟信号转换为数字信号，然后，送入计算机13，进行处理，以作为光强探测中的分子。反射光作为参考光路，经衰减片15后，由第二光电探测器17接收，然后经过第二运算放大电路18、第二A/D转换器19，将数字信号送入计算机13，进行处理，以作为光强探测中的分母。待测1/4波片5放在起偏器3和检偏器6之间，待测1/4波片5和检偏器6分别由第一步进马达驱动系统9和第二步进马达驱动系统10带动，以光线方向为轴转动，以便于将它们转动到所需的位置。

图4所示的是本发明在实施1/4波片相位延迟和快轴方向的测量时，在放入λ/4菲涅尔双菱体4前，首先确定出待测1/4波片5的某一主轴(快轴或慢轴)的方向。具体方法由图4可见，逆着光的传播方向看去，起偏器3的透偏方向与水平方向X轴的夹角为45°，起偏器3和检偏器6的透偏方向相互垂直，待测1/4波片5置于起偏器3和检偏器6之间，然后由第一步进马达驱动系统9带动待测1/4波片5绕光线转动，并由第一光电探测器8实时地探测光强，直到出现最小值，此时待测1/4波片5的某一主轴方向与起偏器3的透偏方向一致，与水平X轴的夹角也为45°，并以此标记下该主轴。

图5所示的是本发明测量时，当标记的待测1/4波片5的主轴为慢轴时，光偏振态的变化情况。

具体方法是：首先将标记某一主轴的待测1/4波片5由第一步进马达驱动系统9带动，顺时针转动45°，使该主轴与X轴方向一致。然后，放入λ/4菲涅尔双菱体4，使其入射的端棱面与光线方向垂直，此时图5中所示的即为光经过各光学元件的偏振态。具体如下：经起偏器3后的与水平X轴方向为45°的线偏振光，在经过λ/4菲涅尔菱体4垂直Y轴方向和水平X轴方向的相位相差90°，变为右旋圆偏振光，再经待测1/4波片5后，圆偏振光又变为线偏振光或椭圆偏振光；然后，由第一步进马达驱动系统10带动检偏器6绕顺时针转动，光强逐渐减小，直到减小到最小值，此时检偏器6所转过的角度即为待测1/4波片5的相位延迟。

图6所示的是本发明测量时，当标记的待测1/4波片5的主轴为快轴时，光偏振态的变化情况。

具体方法是：首先将标记某一主轴的待测1/4波片5由第一步进马达驱动系统9带动，顺时针转动45°，使该主轴与X轴方向一致。然后，放入λ/4菲涅尔双菱体4，使其入射的端棱面与光线方向垂直，此时图6中所示的即为光经过各光学元件的偏振态。具体如下：经起偏器3后的与水平X轴方向为45°的线偏振光，在经过λ/4菲涅尔菱体4垂直Y轴方向和水平X轴方向的相位相差90°，变为右旋圆偏振光，再经待测1/4波片5后，圆偏振光又变为线偏振光或椭圆偏振光。然后，由第一步进马达驱动系统10带动检偏器6绕光束顺时针旋转，光强逐渐增大，直到增大到最大值，此时检偏器6所转过的角度即为待测1/4波片5的相位延迟。

Claims (2)

1、一种测量待测1/4波片的相位延迟和快轴方向的方法，其特征在于包括下列步骤：

①调整起偏器(3)和检偏器(6)的透偏方向相互垂直：

在一单色光束的前进方向同光轴地依次设置起偏器(3)、检偏器(6)、第一聚焦透镜(7)和第一光电探测器(8)，调整起偏器(3)和检偏器(6)的透偏方向相互垂直，逆着光的传播方向看去，起偏器(3)的偏振面在第1象限内且与水平方向X轴的夹角为45°，则检偏器(6)的偏振面应在第2象限内，且与起偏器(3)的偏振面垂直；

②给待测1/4波片(5)标记主轴：

垂直光路在起偏器(3)和检偏器(6)之间放入待测1/4波片(5)并绕光束转动该待测1/4波片(5)，直到出现消光，第一光电探测器(8)探测到的光强最小，表示待测1/4波片(5)的快轴或慢轴与起偏器(3)的偏振面平行，并标记下该主轴；然后将待测1/4波片(5)绕光束顺时针转动45°，使所标记的主轴与X轴平行，此时，起偏器(3)的透偏方向与所标记的该待测1/4波片(5)的主轴方向的夹角为45°；

⑧置入λ/4菲涅尔双菱体(4)置入光路：

然后再将λ/4菲涅尔双菱体(4)放入起偏器(3)和待测1/4波片(5)之间的光路中，并使光束垂直入射λ/4菲涅尔双菱体(4)的端棱面，光束经过λ/4菲涅尔双菱体(4)后产生相位差δ_FR＝E_⊥-E_//＝90°，使经过起偏器(3)的线偏振光变为右旋圆偏振光，该右旋圆偏振光再经过待测1/4波片(5)后，这时待测1/4波片(5)上所标记的X轴方向的主轴为慢轴或快轴；

④测量：

当绕光束顺时针转动检偏器(6)，若光强逐渐变小，直到第一光电探测器(8)探测出最小光强，这时检偏器(6)所转过的角度即为该待测1/4波片(5)的相位延迟，同时表明待测1/4波片(5)所标记的X轴方向的主轴为慢轴；

⑤否则，继第⑧步，绕光束顺时针转动所述的检偏器(6)，光强逐渐变大，直到第一光电探测器(8)探测出最大光强，检偏器(6)所转过的角度即为该待测1/4波片(5)的相位延迟，同时表明待测1/4波片(5)上所标记的X轴方向的主轴为快轴。

2、一种测量1/4波片的相位延迟和快轴方向的装置，包括一光谱仪(1)单色光源，其特征是在该光谱仪(1)的单色光输出方向依次是滤光片(2)和45°分光镜(14)，在该45°分光镜(14)的反射光束的前进方向同光轴地依次为起偏器(3)、λ/4菲涅尔双菱体(4)、待测1/4波片(5)、检偏器(6)、第一聚焦透镜(7)和第一光电探测器(8)，该第一光电探测器(8)的输出经第一运算放大电路(11)和第一A/D转换器(12)接计算机(13)，在所述的45°分光镜(14)的透射光束的前进方向依次为衰减片(15)、第二聚焦透镜(16)和第二光电探测器(17)，该第二光电探测器(17)的输出经第二运算放大电路(18)、第二A/D转换器(19)接计算机(13)，该计算机(13)的输出端分别通过第一步进马达驱动系统(9)和第二步进马达驱动系统(10)控制所述的待测1/4波片(5)和检偏器(6)的运动。

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