CN102466560A - 一种光学参数测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光学参数测量装置，包括沿光路依次设置的激光器、起偏器、扩束镜、工装、缩束镜、检偏器、光电传感器件、根据第一控制信号控制起偏器、待测光学元件在垂直于光路的平面内移动的第一、第二驱动机构、根据第三控制信号控制起偏器沿其光轴转动的第一转动机构、根据第四控制信号控制待测光学元件沿其光轴转动的第二转动机构、根据第五控制信号控制检偏器沿其光轴转动的第三转动机构、感测检偏器沿其光轴的转动角度，输出根据该转动角度产生角度信号的角度感测机构、有选择的输出第一至五控制信号、接收光强度信号和角度信号、得出光强度最小、最大值、以及最小值时检偏器所对应的角度的控制单元。本发明光学参数测量装置自动化程度高。

Description

一种光学参数测量装置
技术领域
本发明涉及一种可用于测量磁光隔离器旋光角度或消光比的光学参数测量装置。
背景技术
消光比是衡量光学元件光学性能的重要参数，反映了其内部可能存在的缺陷，如内应力、光学不均匀性等。其消光比就是衡量光学不均匀性的一个重要参数。
规定采用：Pmax表示在垂直光轴的平面内椭圆型高斯光束长轴方向的最高光功率，Pmin表示在垂直光轴的平面内椭圆型高斯光束长轴方向的最低光功率。则消光比定义为：
EX＝10lg(Pmax/Pmin)                                    (1)
消光比的单位为：dB。
在实际应用中消光比的测试有着很重要的实用价值。晶体消光比测量的准确性直接影响晶体的研制、生产和应用。
测量器件的偏振有比较成熟的设备，如：Thorlabs公司PAX5700系列偏振测量仪，其利用琼斯(Jones)和米勒(Mueller)矩阵测量，但我们使用其测量大口径磁光隔离器的旋光角度及消光比测试并不方便，原因是光束大小不可变，不能全口径测试，且受环境光照影响，使得测试精度低下。
发明内容
为了解决现有技术设备测量磁光隔离器的旋光角度或消光比精度较低的问题，本发明提供一种操作方便且效率较高的光学参数测量装置。
本发明的技术方案是：
一种光学参数测量装置，其包括沿光路依次设置的一个激光器、一个起偏器、一个扩束镜、一个用于安装待测光学元件的工装、一个缩束镜、一个检偏器、一个用于输出光强度信号的光电传感器件，所述光学参数测量装置还包括：一个第一驱动机构，用于根据一个第一控制信号控制所述起偏器在垂直于光路的平面内移动；一个第二驱动机构，用于根据一个第二控制信号控制所述待测光学元件在垂直于光路的平面内移动；一个第一转动机构，用于根据一个第三控制信号控制所述起偏器沿其光轴转动；一个第二转动机构，用于根据一个第四控制信号控制所述待测光学元件沿其光轴转动；一个第三转动机构，用于根据一个第五控制信号控制所述检偏器沿其光轴转动；一个角度感测机构，用于感测所述检偏器沿其光轴的转动角度，并输出一个根据该转动角度产生一个角度信号；一个控制单元，用于有选择的输出所述第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号、第五控制信号，还用于接收所述光强度信号和所述角度信号，并根据所述光强度信号和所述角度信号得出光强度最小值、光强度最大值、以及光强度最小值时所述检偏器所对应的角度。
在一个实施方式中，所述第一驱动机构和所述第二驱动机构都包括垂直于光轴方向的导轨、驱动电机和限位结构。
在一个实施方式中，所述第一转动机构、第二转动机构、第三转动机构都包括一个步进电机。
在一个实施方式中，所述角度感测机构包括霍尔传感器，所述控制单元包括PC。
在一个实施方式中，在所述用于安装待测光学元件的工装与所述扩束镜之间、所述扩束镜与所述起偏器之间的至少一个位置上还包括光阑。
在一个实施方式中，经过所述扩束镜的激光直径至少达到所述磁光隔离器通光口径的90％。
在一个实施方式中，所述光电传感器件外部设置有一个用于遮挡杂散光的罩子。
在一个实施方式中，所述光学参数测量装置用于测量磁光隔离器旋光角度或消光比。
本发明的测量装置不仅可以根据程序设定自动完成测量，使测量自动化程度高，测量速度快、降低人为操作错误的可能性和人工读数的主观性，使测量准确率较高，而且还可以用于测量包括磁光隔离器旋光角度或消光比在内的多种光学参数。
附图说明
图1是本发明磁光隔离器旋光角度的测量方法和磁光隔离器消光比的测量方法第一实施方式所采用的测量装置的结构示意图。
图2是本发明磁光隔离器旋光角度的测量方法一种较佳实施方式的步骤流程图。
图3是本发明磁光隔离器消光比的测量方法一种较佳实施方式的步骤流程图。
图4是本发明磁光隔离器旋光角度的测量方法和磁光隔离器消光比的测量方法第二实施方式所采用的测量装置的结构示意图。
具体实施方式
请参照图1，首先介绍本发明磁光隔离器旋光角度的测量方法和磁光隔离器消光比的测量方法第一实施方式所采用的测量装置1。测量装置1包括一个激光器11、一个起偏器12、一个可调口径的光阑13、一个扩束镜14、一个可调口径的光阑15、一个用于安装待测磁光隔离器的工装16、一个缩束镜17、一个检偏器18、一个光电传感器件19和一个导轨10。导轨10包括多个可以沿导轨10滑动的滑动座101。待测磁光隔离器安装在工装16上。激光器11、起偏器12、光阑13、扩束镜14、光阑15、工装16、缩束镜17、检偏器18和光电传感器件19依序安装在滑动座101上，并使得它们尽可能好的保持与光路的同轴度。
在本实施方式中，优选的，光电传感器件19为Slim Si光功率计，光功率计探测响应范围优于60dB。光功率计光电探头增加遮光罩，以消除漫反射光对测量结果的干扰。
优选的，起偏器12与检偏器18的消光比优于50dB，在本实施方式中采用洛匈棱镜。
优选的，检偏器18绕轴旋转角度可以读出，精度不低于0.1°。
优选的，激光器11稳定度优于5％(RMS值)，波长中心漂移小于4nm。
优选的，测试要求环境温度在20℃±1℃范围，测试时必须记录环境温度值。
在另外的实施方式中，缩束镜17可以是一个反向放置的扩束镜。光电传感器件19还可以选自光电二极管、光电倍增管等。
下面介绍采用本实施方式磁光隔离器旋光角度的测量方法的第一实施方式。请一并参照图1和图2，图2是本实施方式磁光隔离器旋光角度的测量方法的步骤流程图。
步骤S1、提供该测量装置1，但暂不安装起偏器12；
提供该测量装置1，激光器11输出光束直径由扩束镜14尽量扩束，一般达通光口径的90％。
步骤S2、旋转检偏器18到一个基准角度示值θ1，此时所述光电传感器件19读数为P1；
θ1可为任意值，一般取水平或垂直状态附近，且便于读数即可。记录光功率计读数值P1。测量读数时要对光功率计探头加遮光罩，来遮挡杂散光。
步骤S3、在所述激光器11和所述扩束镜14之间放入起偏器12，旋转所述起偏器12，使所述光电传感器件19读数为最小值P2；
步骤S4、在所述扩束镜14和所述缩束镜17之间放入待测磁光隔离器，调整所述磁光隔离器使得所述光电传感器件19读数最大，此时晶体法线与光线基本平行；旋转所述检偏器18，使所述光电传感器件19读数再次为最小值Pmin，此时检偏器的旋转角度记为θ2；
步骤S5、所述磁光隔离器的旋光角度为θ＝|θ1-θ2|。
另外，还可以对测量结果进行如下处理：
要求按测试实际光路图，迎光看，应为顺时针旋光，否则不合格；
同时记录下相对于45°的偏差Δθ＝|θ-45°|的最大值作为旋光角度误差，应小于1°。
下面介绍利用第一实施方式磁光隔离器旋光角度的测量方法的一个ф40mm的磁光隔离器的实例。
测试条件：环境温度在20℃，1000级洁净室内测量，激光器11稳定度优于5％，光功率计19合格在计量检定校准有效期内。
1)激光器11输出光束直径扩束到ф37mm，未放入磁光隔离器和起偏器12，旋转检偏器18到一个基准角度示值θ1＝20°，记录光功率计19读数值P1＝300毫瓦(测量读数时要对功率计探头加罩子，来遮挡杂散光)；
2)放入起偏器12，旋转起偏器12，使光功率计19读数为最小值P2＝2微瓦，且P1：P2大于105，可以进行后续测试；
3)放入磁光隔离器，使得光功率计19读数最大(此时晶体法线与光线基本平行)，然后旋转检偏器18，使光功率计19读数再次为最小值Pmin＝30微瓦，此时检偏器18的旋转角度记为θ2＝64.7°；
4)磁光隔离器的旋光角度为θ＝|θ1-θ2|，迎光看，为顺时针旋光合格；
5)同时记录下相对于45°的偏差Δθ＝|θ-45°|的最大值作为旋光角度误差为0.3°，0.3°小于1°，因此为合格。
下面介绍本发明磁光隔离器消光比的测量方法的第一实施方式。请一并参照图1和图3，图3是本实施方式磁光隔离器消光比的测量方法的步骤流程图。
步骤S11、提供该测量装置1，但暂不安装起偏器12；
提供该测量装置1，激光器11输出光束直径由扩束镜14尽量扩束，一般达通光口径的90％。理想的，大于90％更好。
步骤S12、旋转检偏器18到一个基准角度示值θ1，此时所述光电传感器件19读数为P1；
θ1可为任意值，一般取水平或垂直状态附近，且便于读数即可。记录光功率计读数值P1。测量读数时要对光功率计探头加遮光罩，来遮挡杂散光。
步骤S13、在所述激光器11和所述扩束镜14之间放入起偏器12，旋转所述起偏器12，使所述光电传感器件19读数为最小值P2；
步骤S14、在所述扩束镜14和所述缩束镜17之间放入待测磁光隔离器，调整所述磁光隔离器使得所述光电传感器件19读数最大，此时晶体法线与光线基本平行；旋转所述检偏器18，使所述光电传感器件19读数再次为最小值Pmin。
步骤S15、旋转所述检偏器18，使得所述光电传感器件19读数为最大值Pmax；
步骤S16、将Pmax和Pmin代人公式Ex＝Pmax/Pmin，计算出被测器件的消光比Ex。
下面介绍利用第一实施方式磁光隔离器消光比的测量方法的一个ф40mm的磁光隔离器的实例。
测试条件：环境温度在20℃，1000级洁净室内测量，激光器11稳定度优于5％，光功率计19合格在计量检定校准有效期内。
1)激光器11输出光束直径扩束到ф37mm，未放入磁光隔离器和起偏器12，旋转检偏器18到一个基准角度示值θ1＝20°，记录光功率计19读数值P1＝300毫瓦(测量读数时要对功率计探头加罩子，来遮挡杂散光)；
2)放入起偏器12，旋转起偏器12，使光功率计19读数为最小值P2＝2微瓦，且P1：P2大于105，可以进行后续测试；
3)放入磁光隔离器，使得光功率计19读数最大(此时晶体法线与光线基本平行)，然后旋转检偏器18，使光功率计19读数再次为最小值Pmin＝30微瓦。
4)再次旋转检偏器，使得光功率计读数为最大值Pmax＝294毫瓦；
5)将Pmax和Pmin代人公式Ex＝Pmax/Pmin＝294000/30＝9800，计算出被测器件的消光比Ex。Ex大于1000，合格。
请参照图4，下面介绍本发明磁光隔离器旋光角度的测量方法和磁光隔离器消光比的测量方法第二实施方式所采用的测量装置2。测量装置2包括一个激光器21、一个起偏器22、一个可调口径的光阑23、一个扩束镜24、一个可调口径的光阑25、一个用于安装待测磁光隔离器的工装26、一个缩束镜27、一个检偏器28、一个光电传感器件29、一个具有多个滑动座201的导轨20、一个第一驱动机构203、一个第二驱动机构204、一个第一转动机构205、一个第二转动机构206、一个第三转动机构207、一个角度感测机构208和一个控制单元(图未示)。
待测磁光隔离器安装在工装26上，激光器21、光阑23、扩束镜24、光阑25、工装26、缩束镜27和光电传感器件29依序安装在滑动座201上，并使得它们尽可能好的保持与光路的同轴度。起偏器22安装在第一转动机构205上，第一转动机构205安装在第一驱动机构203上。工装26安装在第二转动机构204上，第二转动机构204安装在第二驱动机构206上。检偏器28安装在第三转动机构207上。所述第一驱动机构203、第二驱动机构204、第一转动机构205、第二转动机构206、第三转动机构207、角度感测机构208和光电传感器件29均分别通过导线与控制单元电连接。
在本实施方式中，第一转动机构205、第二转动机构206、第三转动机构207是步进电机，第一驱动机构203和第二驱动机构204分别包括垂直于导轨20方向延伸的副导轨、承载第一转动机构205和第三转动机构207沿该副导轨移动的驱动电机以及用于限定移动位置限位结构。第一驱动机构20用于根据由控制单元发出的一个第一控制信号控制所述起偏器22沿垂直于光路的副导轨移动，使得该起偏器22可以进入或者移出光路；第二驱动机构204用于根据由控制单元发出的一个第二控制信号控制所述待测光学元件沿垂直于光路的副导轨移动，使得该检偏器28可以进入或者移出光路；第一转动机构205用于根据由控制单元发出的一个第三控制信号控制所述起偏器22沿其光轴转动；第二转动机构206用于根据由控制单元发出的一个第四控制信号控制所述待测光学元件沿其光轴转动；第三转动机构207用于根据由控制单元发出的一个第五控制信号控制所述检偏器沿其光轴转动。角度感测机构208包括围绕在检偏器28外围的多个霍尔传感器和安装在检偏器28的边缘的一个磁点，用于感测所述检偏器28沿其光轴的转动角度，并输出一个根据该转动角度产生一个角度信号。在另外的实施方式中，角度感测机构208还可以是围绕在检偏器28外围的多个光敏二极管或CCD和安装在检偏器28的边缘的一个LED。
控制单元在应用程序的控制下，按照本发明方法预订的步骤有选择地输出所述第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号、第五控制信号，并且接收所述光强度信号和所述角度信号，并根据所述光强度信号和所述角度信号得出光强度值和检偏器28的角度值，尤其是光强度最小值和最大值和最小值和最大值时检偏器28所对应的角度，来计算旋光角度以及消光比，实现自动化测量。在本实施方式中，控制单元是具有显示界面和输入输出设备PC，在其他实施方式中，控制单元还可以是单片机、ARM、DSP等。
下面介绍采用本实施方式磁光隔离器旋光角度的测量方法的第二实施方式。请一并参照图4和图2，图2是本实施方式磁光隔离器旋光角度的测量方法的步骤流程图。
步骤S1、提供该测量装置1，但暂不安装起偏器12；
提供该测量装置1，控制单元控制第一驱动机构203和第二驱动机构204将起偏器22和待测光学元件移出光路。此时激光器11输出光束直径由扩束镜14尽量扩束，一般达通光口径的90％。
步骤S2、旋转检偏器18到一个基准角度示值θ1，此时所述光电传感器件19读数为P1；
控制单元控制第三转动机构207将检偏器28转动至一个角度θ1，通过角度感测机构208读取该角度θ1。θ1可为任意值，此时角度θ1和光功率计读数值P1都被控制单元读取并保存。
步骤S3、在所述激光器11和所述扩束镜14之间放入起偏器12，旋转所述起偏器12，使所述光电传感器件19读数为最小值P2；
控制单元控制第一驱动机构203将起偏器22移入光路，控制单元控制第一转动机构205使起偏器22旋转，直至光电传感器件19读数为最小值P2时停止。
步骤S4、在所述扩束镜14和所述缩束镜17之间放入待测磁光隔离器，调整所述磁光隔离器使得所述光电传感器件19读数最大，此时晶体法线与光线基本平行；旋转所述检偏器18，使所述光电传感器件19读数再次为最小值Pmin，此时检偏器的旋转角度记为θ2；
控制单元控制第二驱动机构204将待测磁光隔离器移入光路，并控制第二转动机构206使待测磁光隔离器转动，直至光电传感器件19读数为最小值P2时停止。控制单元控制第三转动机构207使检偏器28转动，直至光电传感器件19读数再次为最小值Pmin时停止。此时检偏器28的旋转角度记为θ2，通过角度感测机构208读取该角度θ2。
步骤S5、所述磁光隔离器的旋光角度为θ＝|θ1-θ2|。
控制单元根据θ1和θ2计算θ，并显示出来。
下面介绍本发明磁光隔离器消光比的测量方法的第二实施方式。请一并参照图4和图3，图3是本实施方式磁光隔离器消光比的测量方法的步骤流程图。
步骤S1、提供该测量装置1，但暂不安装起偏器12；
提供该测量装置1，控制单元控制第一驱动机构203和第二驱动机构204将起偏器22和待测光学元件移出光路。此时激光器11输出光束直径由扩束镜14尽量扩束，一般达通光口径的90％。
步骤S2、旋转检偏器18到一个基准角度示值θ1，此时所述光电传感器件19读数为P1；
控制单元控制第三转动机构207将检偏器28转动至一个角度θ1，通过角度感测机构208读取该角度θ1。θ1可为任意值，此时角度θ1和光功率计读数值P1都被控制单元读取并保存。
步骤S3、在所述激光器11和所述扩束镜14之间放入起偏器12，旋转所述起偏器12，使所述光电传感器件19读数为最小值P2；
控制单元控制第一驱动机构203将起偏器22移入光路，控制单元控制第一转动机构205使起偏器22旋转，直至光电传感器件19读数为最小值P2时停止。
步骤S14、在所述扩束镜14和所述缩束镜17之间放入待测磁光隔离器，调整所述磁光隔离器使得所述光电传感器件19读数最大，此时晶体法线与光线基本平行；旋转所述检偏器18，使所述光电传感器件19读数再次为最小值Pmin。
步骤S15、旋转所述检偏器18，使得所述光电传感器件19读数为最大值Pmax
控制单元控制第二驱动机构204将待测磁光隔离器移入光路，并控制第二转动机构206使待测磁光隔离器转动，直至光电传感器件19读数为最小值P2时停止。控制单元控制第三转动机构207使检偏器28转动，控制单元记录光电传感器件19读数的最小值Pmin和最大值Pmax。
步骤S16、将Pmax和Pmin代人公式Ex＝Pmax/Pmin，计算出被测器件的消光比Ex。
控制单元根据该记录的最小值Pmin和最大值Pmax计算出被测器件的消光比Ex，并显示出来。
本发明磁光隔离器旋光角度的测量方法和磁光隔离器消光比的测量方法具有如下有益效果：
1.利用图1所示测量装置1，中心高的调整不用动光路，通过垫块可固定中心高，我们测试的种类有限，采取的是固定垫块厚度的方式快速改变中心高，也可以通过一维升降台变动中心高，节省了调整时间，使测量更快捷。
2.光路中增加可变扩束镜，使得光束口径任意可调，并可通过光阑节选特定大小和形状的光斑进入磁光隔离器。因此可以全口径(ф6～ф40可调，并可通过光阑获得更精准口径形状和尺寸)测量磁光隔离器，这是一般测试仪器不具备的，一旦口径定好也可快速测试。
3.采用灵敏度很高Slim Si功率计探头，加上对可见和近红外反射的罩子，使得杂散光不能进入探头，去除背景光干扰，提高了对比度，进而提高了消光比测试精度。
另外，本发明的磁光隔离器旋光角度的测量方法和磁光隔离器消光比的测量方法由于采用了上述导轨、工装和滑动座结构，使其在结构简单、操作方便、成本较低。
为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实施方式。但是本发明的其他变化和修改，对于本领域技术人员是显而易见的，在本发明所公开的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或者仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (8)

1.一种光学参数测量装置，其包括沿光路依次设置的一个激光器、一个起偏器、一个扩束镜、一个用于安装待测光学元件的工装、一个缩束镜、一个检偏器、一个用于输出光强度信号的光电传感器件，其特征在于，所述光学参数测量装置还包括：
一个第一驱动机构，用于根据一个第一控制信号控制所述起偏器在垂直于光路的平面内移动；
一个第二驱动机构，用于根据一个第二控制信号控制所述待测光学元件在垂直于光路的平面内移动；
一个第一转动机构，用于根据一个第三控制信号控制所述起偏器沿其光轴转动；
一个第二转动机构，用于根据一个第四控制信号控制所述待测光学元件沿其光轴转动；
一个第三转动机构，用于根据一个第五控制信号控制所述检偏器沿其光轴转动；
一个角度感测机构，用于感测所述检偏器沿其光轴的转动角度，并输出一个根据该转动角度产生一个角度信号；
一个控制单元，用于有选择的输出所述第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号、第五控制信号，还用于接收所述光强度信号和所述角度信号，并根据所述光强度信号和所述角度信号得出光强度最小值、光强度最大值、以及光强度最小值时所述检偏器所对应的角度。
2.根据权利要求1所述的光学参数测量装置，其特征在于，所述第一驱动机构和所述第二驱动机构都包括垂直于光轴方向的导轨、驱动电机和限位结构。
3.根据权利要求1所述的光学参数测量装置，其特征在于，所述第一转动机构、第二转动机构、第三转动机构都包括一个步进电机。
4.根据权利要求1所述的光学参数测量装置，其特征在于，所述角度感测机构包括霍尔传感器，所述控制单元包括PC。
5.根据权利要求1所述的光学参数测量装置，其特征在于：在所述用于安装待测光学元件的工装与所述扩束镜之间、所述扩束镜与所述起偏器之间的至少一个位置上还包括光阑。
6.根据权利要求1所述的光学参数测量装置，其特征在于：经过所述扩束镜的激光直径至少达到所述磁光隔离器通光口径的90％。
7.根据权利要求1所述的光学参数测量装置，其特征在于：所述光电传感器件外部设置有一个用于遮挡杂散光的罩子。
8.根据权利要求1所述的光学参数测量装置，其特征在于：所述光学参数测量装置用于测量磁光隔离器旋光角度或消光比。
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