CN102706809A - 线性双折射测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种线性双折射测量装置和测量方法，该装置由光强调制的准直光源、圆起偏器、沃拉斯顿棱镜、双象限探测器和信号处理单元组成，上述元部件的位置关系是：沿所述的光强调制的准直光源输出的光束前进方向上，依次是所述的圆起偏器、沃拉斯顿棱镜和双象限探测器，所述的双象限探测器的输出端与所述的信号处理单元的输入端相连，在所述的圆起偏器和沃拉斯顿棱镜之间设置待测线性双折射样品的插口。本发明装置结构简单、测量操作方便，能同时测量线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角，测量结果不受光源光强波动的影响。

Description

线性双折射测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及偏振测量技术领域，特别是一种线性双折射的测量装置和测量方法。

技术背景

线性双折射表现为互相垂直的两束偏振光通过光学材料后产生的相位差。相位延迟量和快轴方位角是表征线性双折射的重要光学参数。在实际使用中，包括波长在内的使用条件变化使得线性双折射材料的相位延迟量相对于标称值产生一定的偏差。同时，通常情况下线性双折射材料的快轴方位角并未标明。因此，在使用过程中需要精密地测量线性双折射材料的相位延迟量和快轴方位角。

在先技术[1](参见Baoliang Wang.Linear birefringence measurement instrumentusing two photoelastic modulators.Optical Engineering，Vol.41,981-987,2002)描述了一种基于双光弹调制器的线性双折射测量装置，该装置由一个激光器、一个起偏器、两个不同工作频率的光弹调制器、一个检偏器和一个光电探测器组成。待测样品置于两个调制器中间，探测器信号经过傅里叶变换或者锁相放大后，利用基频分量和谐波分量计算得到样品的相位延迟量和快轴方位角。但是该装置需要采用两个精密的光弹调制器，同时信号处理电路相对复杂。

在先技术[2](参见汪桂霞，徐昌杰，王青松.一种确定波片快慢轴方位的新方法.激光与红外，Vol.36,699-702,2006)描述了一种可以测量波片快轴方位角的装置，该装置主要由光源、准直透镜、起偏器、检偏器、会聚透镜和光电探测器组成。该装置是将待测波片置于起偏器和检偏器之间，利用连续旋转待测波片过程中记录的光强变化确定待测波片的某一光学主轴，再通过判断出射光的偏振态来确定该光学主轴是快轴还是慢轴。但是该方法无法实现相位延迟量的测量，由于需要连续转动待测波片，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。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种线性双折射的测量装置和测量方法，该装置结构简单、操作方便，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：

一种线性双折射测量装置，其特点在于该装置由光强调制的准直光源、圆起偏器、沃拉斯顿棱镜、双象限探测器和信号处理单元组成，上述各元部件的位置关系是：沿所述的光强调制的准直光源输出的光束前进方向上，依次是所述的圆起偏器、沃拉斯顿棱镜和双象限探测器，所述的双象限探测器的输出端与所述的信号处理单元的输入端相连，在所述的圆起偏器和沃拉斯顿棱镜之间设置待测线性双折射样品的插口。

所述的光强调制的准直光源由信号控制电路和激光器组成，出射激光的光强被方波调制。

所述的沃拉斯顿棱镜的两个偏振轴分别与水平方向成0°和90°夹角。

所述的信号处理单元由具有A/D转换功能的多通道高速度数据采集卡与计算机构成。

所述的圆起偏器为利用方解石晶体和石英晶体制作成的消光比优于10^-3的圆起偏器。

所述的沃拉斯顿棱镜的分束角为5°，其消光比优于10^-5。

所述的双象限探测器由两个光电二极管和信号放大电路组成。

利用上述线性双折射测量装置测量线性双折射的方法，包括下列步骤：

①将待测线性双折射样品插入所述的圆起偏器和沃拉斯顿棱镜之间的插口并调整光路，使由准直光源输出的光束经所述的圆起偏器后垂直入射在待测线性双折射样品上；

②利用所述的双象限光电探测记录由沃拉斯顿棱镜分束产生的两个子光束的光强I_0°和I_90°并转变为电信号，该电信号输入所述的信号处理单元；

③将所述的待测线性双折射样品绕输入光束旋转45°；

④利用所述的双象限光电探测分别记录由沃拉斯顿棱镜分束产生的两个子光束的光强I_0°′和I_90°′并转变为电信号，该电信号输入所述的信号处理单元；

⑤所述的信号处理单元进行下列运算求解相位延迟量δ和快轴方位角θ：

$\mathrm{\δ}={\sin }^{-1}\left(\sqrt{A^2+B^2}\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arcsin \left(\frac{A}{\sqrt{A^2+B^2}}\right)$ 或 $\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arccos \left(\frac{B}{\sqrt{A^2+B^2}}\right)$

计算出δ在0°～90°范围内的值和θ在0～180°范围内的值，即获得了待测线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角。

与先技术相比，本发明的技术效果如下：

1.可以同时测量线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角。

2.沃拉斯顿棱镜对光束进行分光和检偏，具有简单的结构。测量过程中只需要将待测样品绕入射光束旋转45°前后进行两次测量，并由所述的信号处理单元自动进行数据处理，即可获得待测线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角，操作非常方便。

3.利用沃拉斯顿棱镜输出的两个透振方向严格垂直的子光束的光强进行计算，测量结果不受光源光强波动的影响。

附图说明

图1为本发明线性双折射测量装置和方法的光路图

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，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明线性双折射测量装置的光路图。由图1可见，本发明线性双折射测量装置由光强调制的准直光源1、圆起偏器2、沃拉斯顿棱镜4、双象限探测器5和信号处理单元6组成，其位置关系是：沿所述的光强调制的准直光源1的光束前进方向上，依次是所述的圆起偏器2、沃拉斯顿棱镜4和双象限探测器5。所述的双象限光电探测单元5与信号处理单元6通过电气连接，不在光路中。在所述的圆起偏器2和沃拉斯顿棱镜4中设置待测线性双折射样品3的插口。

所述的光强调制的准直光源1由信号控制电路和激光器组成，出射激光的光强被方波调制。

所述的沃拉斯顿棱镜4的两个偏振轴分别与水平方向成0°和90°夹角。

所述的信号处理单元6由具有A/D转换功能的多通道高速度数据采集卡与计算机构成。

本发明的最佳实施例的结构如图1所示，其具体结构和参数如下：

所述的光强调制的准直光源1为方波调制的半导体激光器，所述的圆起偏器2为利用方解石晶体和石英晶体制作成的消光比优于10^-3的圆起偏器，所述的沃拉斯顿棱镜4的分束角为5°，其消光比优于10^-5。所述的双象限光电探测单元5由两个光电二极管和信号放大电路组成。所述的信号处理单元6由通道高速度数据采集卡与计算机组成。

利用所述的线性双折射测量装置测量线性双折射的方法，包括下列步骤：

①将待测线性双折射样品3插入所述的圆起偏器2和沃拉斯顿棱镜4之间并调整光路，使由准直光源1输出的光束经所述的圆起偏器2后垂直入射在待测线性双折射样品3上；

②利用所述的双象限光电探测5记录由沃拉斯顿棱镜4分束产生的两个子光束的光强I_0°和I_90°并转变为电信号，该电信号输入所述的信号处理单元6；

③将所述的待测线性双折射样品3绕输入光束旋转45°；

④利用所述的双象限光电探测5单元分别记录由沃拉斯顿棱镜4分束产生的两个子光束的光强I_0°′和I_90°′并转变为电信号，该电信号输入所述的信号处理单元6；

⑤所述的信号处理单元6进行下列运算求解相位延迟量δ和快轴方位角θ：

$\mathrm{\δ}={\sin }^{-1}\left(\sqrt{A^2+B^2}\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arcsin \left(\frac{A}{\sqrt{A^2+B^2}}\right)$ 或 $\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arccos \left(\frac{B}{\sqrt{A^2+B^2}}\right)$

计算出δ在0°～90°范围内的值和θ在0～180°范围内的值，即获得了待测线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角。

本发明的测量原理如下：

所述的圆起偏器2出射的圆偏振光可以用Stokes矢量S_I表达为

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

其中I₀为初始光强。所述的待测线性双折射样品3可以用Mueller矩阵M_s表示为

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

其中δ和θ分别为所述的待测线性双折射样品3的相位延迟量和快轴方位角。所述的沃拉斯顿棱镜5相当于两个偏振方向相互垂直的检偏器，可以用Mueller矩阵M_A表示为

$M_A=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& \cos 2\mathrm{\α}& \sin 2\mathrm{\α}& 0\\ \cos 2\mathrm{\α}& {\cos }^{2}2\mathrm{\α}& \sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\α}& 0\\ \sin 2\mathrm{\α}& \sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\α}& {\sin }^{2}2\mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中：α是检偏器的偏振轴方位角。所述的双象限探测器6探测的子光束可以用Stokes矢量S₁共同表达为

S₁＝M_AM_sS_I                                                (4)

所述的测量光强I_0°、I_90°、I_0°′和I_90°′可分别按如下公式计算

其中I₀和I₀′分别为待测线性双折射样品转动前后的圆偏振光的初始光强。由公式(5)～(8)可以得到

$\mathrm{\δ}={\sin }^{-1}\left(\sqrt{A^2+B^2}\right)---\left(11\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arcsin \left(\frac{A}{\sqrt{A^2+B^2}}\right)$ 或 $\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arccos \left(\frac{B}{\sqrt{A^2+B^2}}\right)---\left(12\right)$

利用公式(9)～(12)可以计算出δ在0°～90°范围内的值和θ在0～180°范围内的值，即获得了待测线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角。

实验表明，本发明装置结构简单、测量操作方便，能同时测量线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角，测量结果不受光源光强波动的影响。

Claims (8)

1.一种线性双折射测量装置，其特征在于该装置由光强调制的准直光源（1）、圆起偏器（2）、沃拉斯顿棱镜（4）、双象限探测器（5）和信号处理单元（6）组成，上述各元部件的位置关系是：沿所述的光强调制的准直光源（1）输出的光束前进方向上，依次是所述的圆起偏器（2）、沃拉斯顿棱镜（4）和双象限探测器（5），所述的双象限探测器（5）的输出端与所述的信号处理单元（6）的输入端相连，在所述的圆起偏器（2）和沃拉斯顿棱镜（4）之间设置待测线性双折射样品（3）的插口。

2.根据权利要求1所述的线性双折射测量装置，其特征在于，所述的光强调制的准直光源（1）由信号控制电路和激光器组成，出射激光的光强被方波调制。

3.根据权利要求1所述的线性双折射测量装置，其特征在于，所述的沃拉斯顿棱镜4的两个偏振轴分别与水平方向成0°和90°夹角。

4.根据权利要求1所述的线性双折射测量装置，其特征在于，所述的信号处理单元（6）由具有A/D转换功能的多通道高速度数据采集卡与计算机构成。

5.根据权利要求1所述的线性双折射测量装置，其特征在于，所述的圆起偏器（2）为利用方解石晶体和石英晶体制作成的消光比优于10^-3的圆起偏器。

6.根据权利要求1所述的线性双折射测量装置，其特征在于，所述的沃拉斯顿棱镜（4）的分束角为5°，其消光比优于10^-5。

7.根据权利要求1所述的线性双折射测量装置，其特征在于，所述的双象限光电探测单元（5）由两个光电二极管和信号放大电路组成。

8.利用权利要求1所述的线性双折射测量装置测量线性双折射的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将待测线性双折射样品（3）插入所述的圆起偏器（2）和沃拉斯顿棱镜（4）之间插口并调整光路，使由准直光源（1）输出的光束经所述的圆起偏器（2）后垂直入射在待测线性双折射样品（3）上；

②利用所述的双象限光电探测（5）记录由沃拉斯顿棱镜（4）分束产生的两个子光束的光强I_0°和I_90°并转变为电信号，该电信号输入所述的信号处理单元（6）；

③将所述的待测线性双折射样品（3）绕输入光束旋转45°；

④利用所述的双象限光电探测（5）分别记录由沃拉斯顿棱镜（4）分束产生的两个子光束的光强I_0°′和I_90°′并转变为电信号，该电信号输入所述的信号处理单元（6）；

⑤所述的信号处理单元6进行下列运算求解相位延迟量δ和快轴方位角θ：

$\mathrm{\δ}={\sin }^{-1}\left(\sqrt{A^2+B^2}\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arcsin \left(\frac{A}{\sqrt{A^2+B^2}}\right)$ 或 $\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arccos \left(\frac{B}{\sqrt{A^2+B^2}}\right)$

计算出δ在0°～90°范围内的值和θ在0～180°范围内的值，即获得了待测线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角。

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