CN102175430B - 八分之一波片相位延迟量和快轴方位角的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种八分之一波片相位延迟量和快轴方位角的测量装置和方法，该装置由准直光源、圆起偏器、衍射光栅、聚焦透镜、衰减器、检偏器阵列、光电探测器阵列和信号处理系统组成，本发明能实时地测量八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角，而且测量结果不受光源光强波动的影响。

Description

八分之一波片相位延迟量和快轴方位角的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及八分之一波片，特别是一种八分之一波片相位延迟量和快轴方位角的测量装置和方法。

背景技术

八分之一波片广泛应用在非线性光学系统、光时复用系统、浸没光刻照明系统、光学传感器、特殊干涉仪、同步移相器等方面。八分之一波片通常被置于反射光路中使两次经过它的线偏振光转换成圆偏振光，其组合通常被置于透射光路中来改变光的偏振态。在八分之一波片的使用过程中，相位延迟量误差严重影响其使用效果，故需要精确地测量其相位延迟量。通常情况下八分之一波片的快轴方位角并未标明，在其使用过程中也需要精确地测量其快轴方位角，以便于其装配、调整。

在先技术[1](参见王伟，李国华，吴福全等.测量波片延迟量和快轴方位角的新方法.中国激光，Vol.30，1121-1123，2003)描述了一种可以测量八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的装置，该装置主要由光源、起偏器、检偏器和光电探测器组成。在测量过程中，匀速转动被测八分之一波片并对出射光强进行连续测量，获得出射光强随时间变化的曲线，利用出射光强随时间变化的正弦曲线上的波峰和波谷值来计算出相位延迟量，再利用变化曲线中第一个最大值出现的时间与被测八分之一波片的转动速度来计算出被测八分之一波片的快轴方位角。由于需要连续转动被测八分之一波片，该装置无法实现相位延迟量和快轴方位角的实时测量，且光源的光强波动会影响出射光强随时间变化的曲线，从而引入较大的测量误差。

在先技术[2](参见胡建明，曾爱军，王向朝.基于光弹调制技术的波片相位延迟量测量方法.光学学报，26，1681-1686，2006)描述了一种可以测量八分之一波片相位延迟量的装置，该装置主要由光源、光弹调制器、检偏器和光电探测器组成。在测量过程中，首先采用其它方法找到被测八分之一波片的快轴，然后调节被测八分之一波片使其快轴与光弹调制器的振动轴平行，最后利用探测光强的直流分量和基频分量来计算被测八分之一波片的相位延迟量。由于需要利用其它方法确定八分之一波片的快轴，故该装置无法实现相位延迟量和快轴方位角的同时测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的测量装置和方法，该装置能实时测量八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角，而且测量结果不受光源光强波动的影响。

本发明的技术解决方案如下：

一种八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的测量装置，其特点在于，该装置由准直光源、圆起偏器、衍射光栅、聚焦透镜、衰减器、检偏器阵列、光电探测器阵列和信号处理系统组成，其位置关系是：沿所述的准直光源的光束前进方向上，依次是所述的圆起偏器、衍射光栅、聚焦透镜、衰减器、检偏器阵列、光电探测器阵列，在所述的圆起偏器所述的衍射光栅之间设置待测八分之一波片的插口；

所述的衰减器置于所述的衍射光栅产生的零级子光束的前进方向上；

所述的圆起偏器由一个线起偏器和一个四分之一波片组成，所述的四分之一波片的快轴与所述的线起偏器的透光轴所成的角度为45°或者135°；

所述的检偏器阵列由三个结构相同的第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器在同一个平面内直线排列形成，并分别位于所述的衍射光栅所产生的+1级子光束、零级子光束和-1级子光束的方向，所述的第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器的透光轴与所述的圆起偏器中的线起偏器的透光轴所成的角度分别为0°、45°和90°；

所述的光电探测器阵列是由三个结构相同的第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器在同一个平面内直线排列形成，并分别置于所述的检偏器阵列的第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器的输出光方向；

所述的光电探测器阵列的第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的信号输出端与所述的信号处理系统的输入端相连。

所述的线起偏器为偏振片、偏振棱镜或偏振相位掩膜.。

所述的四分之一波片为晶体材料型四分之一波片、多元复合型四分之一波片、反射棱体型四分之一波片或双折射薄膜型四分之一波片。

所述的衰减器为镀反射薄膜的光学平板、有色玻璃平板或其它光吸收材料制作的平板，其衰减系数为衍射光栅产生的一级子光束与零级子光束的强度之比。

所述的光电探测器阵列为多个光电探测器形成的组合体或者多元光电探测器，所述的光电探测器为光电二极管、光电三极管、光电倍增管或者光电池。

所述的信号处理系统由信号放大电路、信号采集电路和带有数据处理与分析软件的计算机所构成。

利用所述的八分之一波片相位延迟量和快轴方位角的测量装置测量八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将待测的八分之一波片插入所述的圆起偏器和所述的衍射光栅之间的待测八分之一波片的插口中并调整光路；

②开启准直光源，利用所述的光电探测器阵列的第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器分别探测并将所述的检偏器阵列的第一检偏器、第二检偏器和第三检偏器的干涉光强I₀、I₄₅和I₉₀转变为电信号，然后将该电信号输入到所述的信号处理系统；

③所述的信号处理系统进行下列计算：

$\sin \mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{{(I_{90}-I_0)}^2+{[2I_{45}-(I_0+I_{90})]}^2}{{(I_0+I_{90})}^2}},$

$\sin 2\mathrm{\θ}=\frac{\frac{I_{90}-I_0}{I_0+I_{90}}}{\sqrt{\frac{{(I_{90}-I_0)}^2+{[2I_{45}-(I_0+I_{90})]}^2}{{(I_0+I_{90})}^2}}},$

$\cos 2\mathrm{\θ}=\frac{\frac{2I_{45}-(I_0+I_{90})}{I_0+I_{90}}}{\sqrt{\frac{{(I_{90}-I_0)}^2+{[2I_{45}-(I_0+I_{90})]}^2}{{(I_0+I_{90})}^2}}},$

计算出δ在0°～90°之间的值即可获得待测八分之一波片的相位延迟量，计算出θ在0°～180°之间的值，即可获得待测八分之一波片的快轴方位角。

与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1、可以同时测量相位延迟量和快轴方位角。利用衍射光栅和衰减器获得三束光强相等的子光束，子光束被同时聚焦到检偏器阵列上产生偏振干涉，形成三个偏振干涉光强信号。三个光强信号是相位延迟量、快轴方位角的函数，故可以同时测量八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角。

2、实现了相位延迟量和快轴方位角的实时测量。三个偏振干涉光强信号被光电探测器阵列中的三个光电探测器同时转换为电信号，三个电信号并行输入到信号处理系统进行高速处理，故可以实现相位延迟量和快轴方位角的实时测量。

3、测量结果不受光源光强波动的影响。在相位延迟量和快轴方位角的计算公式中，初始光强是分子与分母的公因子而被消去，故测量结果不受光源光强波动的影响。

附图说明

图1为本发明八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的测量装置实施例的结构框图

图2为本发明实施例中检偏器阵列的结构图

图3为本发明实施例中光电探测器阵列的结构图

图4为本发明实施例中依次移相90°的干涉光强形成与接收光路图

具体实施方式

下面结合实施例和附图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是本发明八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的测量装置实施例的结构框图。由图1可见，本发明八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的测量装置，由准直光源1、圆起偏器2、衍射光栅4、聚焦透镜5、衰减器6、检偏器阵列7、光电探测器阵列8、信号处理系统9组成，其位置关系是：沿准直光源1的光束前进方向上，依次是圆起偏器2、衍射光栅4、聚焦透镜5、衰减器6、检偏器阵列7、光电探测器阵列8。光电探测器阵列8输出的电信号输入到信号处理系统9中进行信号放大和数据处理。

所述的圆起偏器2由一个线起偏器和一个四分之一波片组成。所述的四分之一波片的快轴与所述的线起偏器的透光轴所成的角度为45°。

所述的衰减器6的衰减系数为衍射光栅4产生的一级子光束与零级子光束的光强之比。

所述的检偏器阵列7的结构如图2所示，由三个结构相同的第一检偏器701、第二检偏器702和第三检偏器703在同一个平面内直线排列形成，所述的第一检偏器701、第二检偏器702和第三检偏器703的透光轴与所述的圆起偏器2中的线起偏器的透光轴所成的角度分别为0°、45°和90°。

所述的光电探测器阵列8的结构如图3所示，与所述的检偏器阵列7的结构相对应，是由三个结构相同的第一光电探测器801、第二光电探测器802和第三光电探测器803在同一个平面内直线排列形成。

所述的信号处理系统9由信号放大电路、信号采集电路和带有数据处理与分析软件的计算机所构成。

待测八分之一波片3插入圆起偏器2和衍射光栅4之间的待测八分之一波片插口中。准直光源1出射的平行光束依次经过圆起偏器2形成圆偏振光，该圆偏振光经过待测八分之一波片3后由衍射光栅4进行分束，其中只有零级、+1级子光束和-1级子光束被有效利用。三个子光束形成依次移相90°的干涉光强并被接收的具体光路请参阅图4，三个子光束互成一定夹角并由聚焦透镜5进行聚焦，零级子光束经过衰减器6、第二检偏器702后进行偏振干涉，干涉光强由第二光电探测器802所接收。+1级子光束和-1级子光束分别经过第一检偏器701和第三检偏器703后进行偏振干涉，干涉光强相应地由第一光电探测器801和第三光电探测器803所接收。

准直激光束经过圆起偏器2后成为圆偏振光，该圆偏振光的Stokes矢量S_I为

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

其中I₀是圆偏振光的光强。待测八分之一波片3的Muller矩阵M_EWP可以表达为

$M_{\mathrm{EWP}}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\cos }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)+\cos \left(\mathrm{\δ}\right){\sin }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)& (1-\cos \left(\mathrm{\δ}\right))\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(\mathrm{\δ}\right)\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\\ 0& (1-\cos \left(\mathrm{\δ}\right))\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)& {\sin }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)+\cos \left(\mathrm{\δ}\right){\cos }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\δ}\right)\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\\ 0& -\sin \left(\mathrm{\δ}\right)\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(\mathrm{\δ}\right)\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\δ}\right)\end{array}\right],---\left(2\right)$

其中：δ为待测八分之一波片3的相位延迟量，δ接近45°，θ为待测八分之一波片3的快轴方位角，θ的变化范围为0°～180°。待测八分之一波片3的出射光束的Stokes矢量S_II为

$S_{\mathrm{II}}=M_{\mathrm{EWP}}{S}_I=I_0\left[\begin{array}{c}1\\ -\sin \mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\δ}\cos 2\mathrm{\θ}\\ -\cos \mathrm{\δ}\end{array}\right].---\left(3\right)$

待测八分之一波片3的出射光束经过衍射光栅4之后形成零级、+1和-1级子光束，+1级和-1级子光束的Stokes矢量S₊₁和S_-1为：

$S_{+1}=S_{-1}=I^{\′}\left[\begin{array}{c}1\\ -\sin \mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\δ}\cos 2\mathrm{\θ}\\ -\cos \mathrm{\δ}\end{array}\right],---\left(4\right)$

其中I′为+1级或-1级子光束的强度。零级子光束经过衰减器6后的Stokes矢量S₀为：

$S_0=I^{\′}\left[\begin{array}{c}1\\ -\sin \mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\δ}\cos 2\mathrm{\θ}\\ -\cos \mathrm{\δ}\end{array}\right].---\left(5\right)$

检偏器阵列7中的第一检偏器701、第二检偏器702和第三检偏器703可以用Muller矩阵M_AA共同表示为

$M_{\mathrm{AA}}=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& \cos 2\mathrm{\α}& \sin 2\mathrm{\α}& 0\\ \cos 2\mathrm{\α}& {\cos }^{2}2\mathrm{\α}& \sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\α}& 0\\ \sin 2\mathrm{\α}& \sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\α}& {\sin }^{2}2\mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right],---\left(6\right)$

其中α为第一检偏器701、第二检偏器702和第三检偏器703的透光轴方位角，即分别为0°、45°和90°。经过第一检偏器701、第二检偏器702和第三检偏器703的偏振干涉光束的Stokes矢量分别表示为

$S_{-1}^{\′}=M_{\mathrm{AA}}{S}_{-1}=\frac{I^{\′}(1-\sin \mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\θ})}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ 1\\ 0\\ 0\end{array}\right],---\left(7\right)$

$S_0^{\′}=M_{\mathrm{AA}}{S}_0=\frac{I^{\′}(1+\sin \mathrm{\δ}\cos 2\mathrm{\θ})}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 1\\ 0\end{array}\right],---\left(8\right)$

$S_{+1}^{\′}=M_{\mathrm{AA}}{S}_{+1}=\frac{I^{\′}(1+\sin \mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\θ})}{2}\left[\begin{array}{c}1\\ -1\\ 0\\ 0\end{array}\right].---\left(9\right)$

光电探测器阵列8中的第一光电探测器801、第二光电探测器802和第三光电探测器803所接收的干涉光强I₀、I₄₅和I₉₀分别为

$I_0=\frac{I^{\′}}{2}(1-\sin \mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\θ}),---\left(10\right)$

$I_{45}=\frac{I^{\′}}{2}(1+\sin \mathrm{\δ}\cos 2\mathrm{\θ})---\left(11\right)$

$I_{90}=\frac{I^{\′}}{2}(1+\sin \mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\θ})---\left(12\right)$

可见干涉光强I₀、I₄₅和I₉₀之间的移相量依次为90°。

待测八分之一波片3相位延迟量接近45°，公式(10)～(12)中sinδ的值总是为正值，故由公式(10)～(12)可以得到：

$\sin \mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{{(I_{90}-I_0)}^2+{[2I_{45}-(I_0+I_{90})]}^2}{{(I_0+I_{90})}^2}}---\left(13\right)$

$\sin 2\mathrm{\θ}=\frac{\frac{I_{90}-I_0}{I_0+I_{90}}}{\sqrt{\frac{{(I_{90}-I_0)}^2+{[2I_{45}-(I_0+I_{90})]}^2}{{(I_0+I_{90})}^2}}},---\left(14\right)$

$\cos 2\mathrm{\θ}=\frac{\frac{2I_{45}-(I_0+I_{90})}{I_0+I_{90}}}{\sqrt{\frac{{(I_{90}-I_0)}^2+{[2I_{45}-(I_0+I_{90})]}^2}{{(I_0+I_{90})}^2}}},---\left(15\right)$

计算出δ在0°～90°之间的值即可获得待测八分之一波片3的相位延迟量，计算出θ在0°～180°之间的值即可获得待测八分之一波片3的快轴方位角，故可以同时测量待测八分之一波片3的相位延迟量和快轴方位角。

第一光电探测器801、第二光电探测器802和第三光电探测器803在同一时间分别将干涉光强I₀、I₄₅和I₉₀转变为电信号，该电信号由信号处理系统9进行高速处理，因此可以实现待测八分之一波片3的相位延迟量和快轴方位角的实时测量。

计算待测八分之一波片3的相位延迟量和快轴方位角时，初始光强因子同时存在于公式(13)、(14)和(15)的分子与分母中而被消去，即相位延迟量和快轴方位角的测量结果与初始光强无关，故相位延迟量和快轴方位角的测量结果不受准直光源1的光强波动的影响。

本发明的最佳实施例的结构如图1、图2、图3所示，其具体结构和参数如下：

准直光源1为带准直透镜的半导体激光器，其激光波长为635nm。圆起偏器2中的线起偏器是消光比优于10^-5的格兰-泰勒棱镜。圆起偏器2中的四分之一波片为相位延迟量精度为λ/300的零级石英波片。衍射光栅4的光栅刻线宽度为200条/mm。聚焦透镜5的焦距为100mm。衰减器6的衰减系数为0.4。检偏器阵列7中的第一检偏器701、第二检偏器702和第三检偏器703为消光比优于10^-2的偏振片。光电探测器阵列8中的第一光电探测器801、第二光电探测器802和第三光电探测器803为PIN二极管。信号处理系统9由将2.5mA电流转换为3V电压的放大电路、100M四通道同步数据采集电路和带有LabView软件的计算机构成。

利用上述实施例对相位延迟量为45°的待测八分之一波片3进行测量，实验结果表明待测八分之一波片的相位延迟量的测量精度为0.5°，快轴方位角的测量精度为1°，测量时间小于1μs。

Claims (7)

1.一种八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的测量装置，其特征在于，该装置由准直光源(1)、圆起偏器(2)、衍射光栅(4)、聚焦透镜(5)、衰减器(6)、检偏器阵列(7)、光电探测器阵列(8)和信号处理系统(9)组成，其位置关系是：沿所述的准直光源(1)的光束前进方向上，依次是所述的圆起偏器(2)、衍射光栅(4)、聚焦透镜(5)、衰减器(6)、检偏器阵列(7)、光电探测器阵列(8)，在所述的圆起偏器(2)和所述的衍射光栅(4)之间设置待测八分之一波片(3)的插口；

所述的衰减器(6)置于所述的衍射光栅产生的零级子光束的前进方向上；

所述的圆起偏器(2)由一个线起偏器和一个四分之一波片组成，所述的四分之一波片的快轴与所述的线起偏器的透光轴所成的角度为45°或者135°；

所述的检偏器阵列(7)由结构相同的第一检偏器(701)、第二检偏器(702)、第三检偏器(703)在同一个平面内直线排列形成，并分别位于所述的衍射光栅(4)所产生的+1级子光束、零级子光束和-1级子光束的方向，所述的第一检偏器(701)、第二检偏器(702)、第三检偏器(703)的透光轴与所述的圆起偏器(2)中的线起偏器的透光轴所成的角度分别为0°、45°和90°；

所述的光电探测器阵列(8)是由结构相同的第一光电探测器(801)、第二光电探测器(802)和第三光电探测器(803)在同一个平面内直线排列形成，并分别置于所述的检偏器阵列(7)的第一检偏器(701)、第二检偏器(702)、第三检偏器(703)的输出光方向；

所述的光电探测器阵列(8)的第一光电探测器(801)、第二光电探测器(802)和第三光电探测器(803)的信号输出端与所述的信号处理系统(9)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的测量装置，其特征在于，所述的线起偏器为偏振片、偏振棱镜或偏振相位掩膜。

3.根据权利要求1所述的八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的测量装置，其特征在于，所述的四分之一波片为晶体材料型四分之一波片、多元复合型四分之一波片、反射棱体型四分之一波片或双折射薄膜型四分之一波片。

4.根据权利要求1所述的八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的测量装置，其特征在于，所述的衰减器为镀反射薄膜的光学平板、有色玻璃平板或其它光吸收材料制作的平板，其衰减系数为衍射光栅产生的一级子光束与零级子光束的强度之比。

5.根据权利要求1所述的八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的测量装置，其特征在于，所述的光电探测器为光电二极管、光电三极管、光电倍增管或者光电池。

6.根据权利要求1所述的八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的测量装置，其特征在于，所述的信号处理系统由信号放大电路、信号采集电路和带有数据处理与分析软件的计算机所构成。

7.利用权利要求1所述的八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的测量装置测量八分之一波片的相位延迟量和快轴方位角的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将待测的八分之一波片(3)插入所述的圆起偏器(2)和所述的衍射光栅(4)之间的待测八分之一波片(3)的插口中并调整光路；

②开启准直光源，利用所述的光电探测器阵列(8)的第一光电探测器(801)、第二光电探测器(802)和第三光电探测器(803)分别探测并将所述的检偏器阵列

(7)的第一检偏器(701)、第二检偏器(702)和第三检偏器(703)的干涉光强I₀、I₄₅和I₉₀转变为电信号，然后将该电信号输入到所述的信号处理系统(9)；

③所述的信号处理系统(9)进行下列计算：

$\sin \mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{{(I_{90}-I_0)}^2+{[2I_{45}-(I_0+I_{90})]}^2}{{(I_0+I_{90})}^2}},$

$\sin 2\mathrm{\θ}=\frac{\frac{I_{90}-I_0}{I_0+I_{90}}}{\sqrt{\frac{{(I_{90}-I_0)}^2+{[2I_{45}-(I_0+I_{90})]}^2}{{(I_0+I_{90})}^2}}},$

$\cos 2\mathrm{\θ}=\frac{\frac{2I_{45}-(I_0+I_{90})}{I_0+I_{90}}}{\sqrt{\frac{{(I_{90}-I_0)}^2+{[2I_{45}-(I_0+I_{90})]}^2}{{(I_0+I_{90})}^2}}},$

计算出δ在0°～90°之间的值即可获得待测八分之一波片的相位延迟量，计算出θ在0°～180°之间的值，即可获得待测八分之一波片的快轴方位角。

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