CN102980746B - 基于数字全息的晶体光学参数测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于数字全息的晶体光学参数测量方法，方法是记录晶体的数字全息图，通过数字再现得到晶体的波前复振幅。由相位信息得到晶体的折射率分布，由强度信息得到晶体的透过率。对电光晶体加载电压，记录不同电压下的晶体数字全息图，数字再现、相位解包裹，得到其相位信息。将不同电压下的相位相减得到晶体折射率的变化分布。由其折射率变化，计算即可得到晶体的电光系数。这种非接触测量方法具有原理简单、测量方便、成本低、精度高、实用性等特点，可用于厚度为μm到cm级的晶体折射率、电光系数、透过率、极光系数参数测量。

Description

基于数字全息的晶体光学参数测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，特别涉及一种晶体光学参数测量技术。

背景技术

晶体的折射率和电光系数是表征晶体光学性质的重要物理量，也是衡量晶体材料及其电光性能优劣的重要参数。用于晶体折射率、电光系数测量的常见方法有棱镜耦合法、最小偏向角法、椭偏仪法、半波电压法、干涉法等：

棱镜耦合法是基于全反射原理，通过测量激光束在棱镜底面发生全内反射时的入射角来测量晶体折射率，测量方便，速度快，但只能测量固定波长下的折射率，对于不同波长下折射率的研究很不方便。

最小偏向角法是基于测量单色平行光经晶体折射后的最小偏向角求出折射率，该方法测量精高，但对样品的形状、尺寸、面型精度以及通光效果有一定的要求。

椭偏仪法，也称为椭圆偏振法，通过测量S和P两垂直偏振方向上偏振光相位差得到晶体的折射率差。对晶体加载电压，即可测量其有效电光系数。对于较薄晶体，其测量精度相对较低。

干涉法测量晶体折射率是通过测量干涉级次或条纹移动数目得到晶体的折射率，通过改变外加电场方向和晶体中光的偏振方向，也可以测量晶体的电光系数，其精度高，适用于单晶电光系数的测量。为了提高测量精度，常需要一些的辅助器件，如高精度的电致位移镜等。

半波电压法是通过测量线偏光经过晶体后产生相位差π所对应的电压计算出晶体电光系数。这种方法通常在晶体上加载较高的电压，适用于较大的电光系数测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字全息的晶体光学参数测量方法，通过测量晶体波前复振幅分布，得到晶体折射率和透过率。利用数全息干涉技术，将不同电压下的相位相减或将不同电压下的波前复振幅分布相加，得到晶体折射率的变化分布。由其折射率变化Δn，计算即可得到晶体的电光系数。

本发明测量方法的具体测量过程包括：

第一、全息图的数字记录和数字再现

将激光器、扩束准直系统、分光镜、反射镜、CCD、图像采集卡和计算机、温度控制系统、晶体组成数字全息记录光路系统，记录晶体的数字全息图。通过数字再现得到晶体波前的复振幅分布o(x,y)，包括振幅分布|o(x,y)|和相位分布对包裹相位进行解包裹，得到真实的晶体相位分布式中的Re和Im表示复振幅的实部和虚部；

第二、折射率分布和透过率测量

对所得到的相位分布计算得到晶体的折射率分布式中d为晶体通光方向长度，λ为波长；由振幅分布|o(x,y)|，计算得到晶体的透过率分布t(x,y)＝|o(x,y)|²/I₀，式中I₀为照明光波的强度分布，|o(x,y)|²＝o(x,y)o^*(x,y)为经过晶体后的透射光波场强度分布；

第三、相位差测量

将激光器、扩束准直系统、分光镜、反射镜、CCD、电压加载和温度控制系统、偏振片、晶体、图像采集卡和计算机组成数字全息光路系统，记录不同电压下晶体的数字全息图。对所记录的数字全息图，进行数字再现、相位解包裹，得到不同电压下的晶体波前复振幅分布o(x,y)及其相位分布再将不同电压下的相位和相减，或将不同电压下的波前复振幅分布o₁(x,y)和o₂(x,y)相加，得到两种状态下物光波的相位差即为

第四、折射率变化测量

由所得到的相位差计算得到折射率的变化分布式中d为晶体通光方向长度，λ为激光波长；

第五、有效电光系数测量

对二次电光晶体，由计算得到二次有效电光系数g_eff；对线性电光晶体，由计算得到线性有效电光系数g_eff。式中有效电光系数包括晶体的独立电光系数，单位为m²/V²，C为常数，E为外加电场，单位为V/m，n₀为折射率常数。

附图说明

图1为本发明基于数字全息的晶体光学参数测量方法的整体流程图；

图2为本发明的基于数字全息的晶体光学参数测量方法的记录光路示意图；

其中，1为激光器，2为扩束准直系统，3为偏振分光镜、4和5为反射镜、6为晶体、7为分光镜、8为CCD、9为图像采集卡和计算机，10为偏振片、11为电压加载和温度控制系统。

具体实施方式

实施例1

下面以图2所示的实验光路为例，阐述本发明测量方法的具体测量过程；

①全息图的数字记录和数字再现

搭建图2所示的离轴全息光路系统，包括激光器1、扩束准直系统2、偏振分光镜3、反射镜4和5、Fe:KLTN晶体6、分光镜7、CCD8、图像采集卡和计算机9，偏振片10、电压加载和温度控制系统11。激光器1为波长λ＝532nm的半导体激光器，发出的激光束经扩束准直系统后形成平面光波，经偏振分光镜3后分为两束偏振光波，一束光波经偏振片10、反射镜4和分光镜7反射，到达CCD8靶面，这路光称为参考光波；一束经反射镜5反射，照射晶体，经晶体后的透射光波经分光镜7透射到达CCD8靶面，这路光波称为物光波，这两束光波叠加干涉。由CCD8记录全息图，经图像采集卡和计算机9，存储于计算机。对折射率和透过率测量，断开11中的电压加载系统。对所记录的数字全息，利用数字再现算法再现，得到晶体波前分布o(x,y)，其振幅分布|o(x,y)|和相位分布对包裹相位进行解包裹，得到真实的晶体相位分布

②折射率分布和透过率测量

由所得到的相位分布计算得到晶体的折射率分布式中d为晶体通光方向长度，λ为记录全息图的光波波长；由振幅分布|o(x,y)|，计算得到晶体的透过率分布t(x,y)＝|o(x,y)|²/I₀，式中I₀为照射到晶体6上的入射光波强度分布，|o(x,y)|²＝o(x,y)o^*(x,y)为经过晶体后的透射光波场强度分布；

③折射率变化Δn(x,y)测量

在①所搭建的离轴全息光路系统，连接电压加载系统11，记录不同电压下晶体的数字全息图。对所记录的数字全息图，进行数字再现、相位解包裹，得到不同电压下的晶体波前复振幅分布o(x,y)及其相位分布再将不同电压下的相位和相减，或将不同电压下的波前复振幅分布o₁(x,y)和o₂(x,y)相加，得到两种状态下物光波的相位差即为

由所得到的相位差计算得到折射率的变化分布

④有效电光系数测量

在①所搭建的离轴全息光路系统，照射晶体的入射光波为TE模式，利用③得到的折射率变化分布Δn(x,y)，由式计算得到电光系数g_eff＝g₁₁；将偏振片10放置在偏振分光镜3和反射镜5之间，这时照射晶体的入射光波为TM模式，利用③得到的折射率变化分布Δn(x,y)，由式计算得到g_eff＝g₁₂。

实验给出了Fe:KLTN晶体的折射率为n₀＝2.0543，电光系数g₁₁＝5.92×10^-16m²/V²，g₁₂＝-4.48×10^-16m²/V²。

Claims (3)

1.一种基于数字全息的晶体光学参数测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、记录晶体的数字全息图，通过数字再现得到晶体波前的复振幅分布o(x,y)，包括振幅分布|o(x,y)|和相位分布对包裹相位进行解包裹，得到真实的晶体相位分布式中的Re和Im表示复振幅的实部和虚部；

步骤二、由相位分布计算得到晶体的折射率分布d为晶体通光方向长度，λ为照明光波波长；由振幅分布|o(x,y)|，计算得到晶体的透过率分布t(x,y)＝|o(x,y)|²/I₀；式中I₀为照明光波的强度分布，|o(x,y)|²＝o(x,y)o^*(x,y)为经过晶体后的透射光波场强度分布；

步骤三、对电光晶体加载电压，记录不同电压下的晶体数字全息图，数字再现，相位解包裹，得到不同电压下的晶体波前复振幅分布o(x,y)及其相位分布

步骤四、将不同电压下的相位和相减，得到两种状态下物光波的相位差即为

步骤五、由相位变化计算得到折射率的变化分布

步骤六、对二次电光晶体，由计算得到二次有效电光系数g_eff；对线性电光晶体，由计算得到线性有效电光系数g_eff。其中有效电光系数包括晶体的独立电光系数，单位为m²/V²，C为常数，E为外加电场，单位为V/m，n₀为折射率常数。

2.根据权利要求1所述的基于数字全息的晶体光学参数测量方法，其特征在于，对于折射率和透过率测量，采用数字全息技术，入射光波和参考光波是偏振光或自然光；对于电光系数的测量，采用数字全息干涉技术，入射光波和参考光波是偏振光。

3.根据权利要求1所述的基于数字全息的晶体光学参数测量方法，其特征在于，数字全息光路系统照明光波和参考光波是球面波或平面波。