CN103196865B - 同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法，包括以下步骤：半外腔激光器连续输出激光，模式为单纵模；调整偏振片的偏振方向与所述半外腔激光器输出激光的偏振方向垂直；将双折射元件设置于所述输出腔镜与所述外腔平面反射镜之间，并使双折射元件的光轴方向与所述激光的初始偏振方向一致；将双折射元件以垂直于光轴的轴线为轴旋转一定角度θ₁，驱动所述外腔平面反射镜沿半外腔激光器输出激光的轴线往复运动，得到θ₁角度下产生的位相延迟δ₁的大小；继续沿双折射元件慢轴方向旋转双折射元件，得到多个角度θ₁、θ₂、θ₃…θ_n及相应的位相延迟δ₁、δ₂、δ₃…δ_n的大小，n≥4，获得所述双折射元件的折射率及厚度。

Description

同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法

技术领域

本发明涉及一种同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法。

背景技术

折射率及厚度是光学材料的重要物理参数之一，也是影响光学系统性能的重要因素。折射率及厚度测量的应用领域包括光学元件的设计和加工，食品、医药、化工等行业的成分检测和产品鉴定，薄膜检测，晶体材料研制，环境监测以及珠宝鉴定等。对一些要求较高的仪器系统，精确测量折射率及厚度也有着迫切的需求。

目前的折射率测量方法主要包括最小偏向角法、全内反射法及干涉法。然而，传统的折射率测量方法虽经过不断的改进，但仍然具有局限性，例如最小偏向角法，要获得高的折射率测量精度，对双折射元件的加工要求极高，而且设备庞大，因而成本很高，并且无法同时测量双折射元件的厚度。而对于全内反射法，测量样品内的损耗会对测量结果带来不确定的影响，并且也无法同时得到双折射元件的厚度。干涉法虽然能够同时测量双折射元件的折射率及厚度，然而其测量精度低，难以满足高精度测量的需求。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种能够同时测量双折射元件的厚度及折射率，并且成本低、测量精度高的测量方法。

一种同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法，包括以下步骤：步骤S10，提供一测量装置，其包括一半外腔激光器，所述半外腔激光器包括一高反腔镜、增益管、增透窗片以及输出腔镜沿半外腔激光器的输出激光轴线共轴设置；一外腔平面反射镜与所述输出腔镜间隔设置形成一激光回馈外腔；以及一第一光电探测器和一偏振片沿从所述输出腔镜输出激光的光路依次间隔设置，所述第一光电探测器设置于所述从高反腔镜输出的激光的光路上，用于测量所述从高反腔镜输出的激光的强度变化；步骤S11，半外腔激光器连续输出激光，模式为单纵模；步骤S12，调整所述偏振片，使所述偏振片的偏振方向与所述半外腔激光器输出激光的偏振方向垂直；步骤S13，将待测双折射元件设置于所述输出腔镜与所述外腔平面反射镜之间，并使所述双折射元件的光轴与所述激光的初始偏振方向一致；步骤S14，将所述双折射元件以垂直于光轴方向的轴线为轴旋转角度θ₁，驱动所述外腔平面反射镜沿半外腔激光器输出激光的轴线往复运动产生激光偏振跳变，通过偏振跳变点获得在角度θ₁下产生的位相延迟δ₁的大小；步骤S15，以所述垂直于光轴方向的轴线旋转所述双折射元件多个角度θ₂、θ₃……θ_n，获得相应的位相延迟δ₂、δ₃……δ_n的大小，其中，n≥4，通过以下公式获得所述待测双折射元件的厚度及折射率：

，

其中，d为双折射元件的厚度，n_e、n_o为双折射元件对e光和o光的折射率，θ为双折射元件旋转的角度，N为双折射元件的级数，λ为半外腔激光器输出激光的波长。

本发明基于偏振跳变原理测量双折射元件的厚度以及折射率，通过旋转双折射元件的方式可同时获得样品的厚度及折射率，具有更高的测量精度。另外，由于无需对双折射元件进行特殊加工，所述测量方法简单，成本较低，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例所述同时测量双折射元件厚度与折射率的测量装置。

图2是本发明实施例所述的同时测量双折射元件厚度与折射率的方法流程图。

图3是图1所述的测量装置测量得到的激光光强输出曲线。

主要元件符号说明

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述，为了方便描述，本发明首先描述所述双折射元件厚度及折射率的测量装置。

如图1所示，本发明第一实施例提供一种同时测量双折射元件厚度及折射率的测量装置，所述测量装置包括一半外腔激光器，一激光回馈外腔以及一数据采集与处理系统。

所述半外腔激光器20用于输出激光形成激光光路，所述半外腔激光器20既作为光源又作为传感器，以形成激光回馈，为半外腔结构，所述半外腔激光器20输出的激光为单纵模的偏振光。激光器类型可以是气体激光器、半导体激光器或固体激光器等。所述半外腔激光器20包括高反腔镜2、增益管3、增透窗片301及输出腔镜4，所述高反腔镜2、增益管3、增透窗片301、输出腔镜4沿所述输出激光的轴线依次设置且共轴设置。所述高反腔镜2与所述增益管3的远离所述输出腔镜4的一端固定连接，所述增透窗片301与所述增益管3的靠近所述输出腔镜4的一端固定连接。所述高反腔镜2和输出腔镜4均镀有激光波长的高反射膜（反射率为98%以上），前者的反射率高于后者。所述增透窗片301镀有激光波长的增透膜（图未示）。本实施例中，所述激光器为氦氖激光器，所述增益管3内充满He-Ne气体，气体比例为9:1，Ne同位素比例为：Ne²⁰:Ne²²=1:1，激光器的高反腔镜2和输出腔镜4的反射率分别为99.8%和98.8%。

一外腔平面反射镜6设置于所述半外腔激光器20从输出腔镜4输出激光的光路上，所述外腔平面反射镜6与输出腔镜4间隔设置以构成一激光回馈外腔并且容纳双折射元件。所述外腔平面反射镜6一方面用于将输出腔镜4输出的激光部分反射回所述半外腔激光器20中，形成激光回馈，并从所述半外腔激光器20的高反腔镜2出射；另一方面，部分激光从所述外腔平面反射镜6透射。所述激光回馈外腔可进一步包括一外腔压电陶瓷7，所述外腔压电陶瓷7与所述外腔平面反射镜6相连接，用于带动所述外腔平面反射镜6沿所述输出激光轴线的方向往复运动。可以理解，所述外腔压电陶瓷7也可用其他微动元件替代，带动所述外腔平面反射镜6往复运动。

所述数据采集与处理系统用于采集输出的激光强度并进行处理，包括第一光电探测器1、偏振片8、第二光电探测器9以及计算机10。具体的，所述偏振片8设置于半外腔激光器20从所述输出腔镜4输出激光的光路上，且与所述外腔平面反射镜6间隔设置，以接收所述外腔平面反射镜6透射的激光。所述第二光电探测器9设置于从所述偏振片8透射出的激光的光路上，用以接收从偏振片8出射的激光，并转化为电信号输入所述计算机10。所述第一光电探测器1设置于从所述高反腔镜2输出的激光的光路上，用以接收半外腔激光器20从高反腔镜2的回馈激光并感测激光强度的变化，并将激光信号转换为电信号输入计算机10中。所述计算机10用以驱动所述外腔压电陶瓷7运动，使所述外腔压电陶瓷7带动所述外腔平面反射镜6沿半外腔激光器20输出激光的轴线往复运动，同时接收从第一光电探测器1以及第二光电探测器9输入的电信号，并进行数据处理。

请一并参阅图2，本发明进一步提供一种应用所述双折射元件折射率及厚度的测量装置同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤S11，半外腔激光器20连续输出激光，模式为单纵模；

步骤S12，调整所述偏振片8，使所述偏振片8的偏振方向与所述半外腔激光器20输出激光的偏振方向垂直；

步骤S13，将待测双折射元件5设置于所述输出腔镜4与所述外腔平面反射镜6之间，使所述双折射元件5的光轴方向与所述激光的初始偏振方向一致；

步骤S14，将所述双折射元件5以垂直于光轴方向的轴线为轴，旋转一定角度θ₁后，驱动所述外腔平面反射镜沿半外腔激光器20输出激光的轴线往复运动，计算在此角度θ₁下产生的位相延迟δ₁的大小；

步骤S15，继续旋转所述双折射元件5，得到多个角度θ₁、θ₂、θ₃……θ_n及相应的位相延迟δ₁、δ₂、δ₃……δ_n的大小，n≥4，并计算所述双折射元件5的折射率及厚度。

在步骤S13中，所述待测双折射元件5为一具有双折射效应的待测样品，在半外腔激光器20输出激光的方向上具有相对平行的两个平面，两平面之间的距离定义为所述双折射元件5的厚度d。所述双折射元件5的光轴平行于所述平面，根据双折射元件5材料的不同，所述光轴可为双折射元件5的快轴或慢轴。本实施例中，所述双折射元件5为波片，所述光轴为快轴。进一步的，所述双折射元件5的两个平面可镀有增透膜或折射率匹配液，以减少或消除双折射元件5表面的干涉现象。同时，所述双折射元件5以所述半外腔激光器20输出激光的方向为旋转轴，旋转所述双折射元件5，当所述第二光电探测器9出现接收到的光信号为零时，所述双折射元件5的光轴方向与所述激光的初始偏振方向一致。可以理解，通过第二光电探测器9接收到的光强为零的方式判断双折射元件5的光轴方向仅为一具体的实施例，所述双折射元件5的光轴方向也可通过其他方式如偏振敏感光学相干层析术等获得并标定后，再直接放置于输出腔镜4与外腔平面反射镜6之间，并使光轴方向与输出激光的偏振方向一致。

在步骤S14中，将所述双折射元件5以垂直于光轴方向的轴线为轴将所述双折射元件5旋转θ角后，向所述外腔压电陶瓷7输入三角波电压，使所述外腔平面反射镜6往复运动，并通过第一光电探测器1得到从所述高反腔镜2输出的激光强度的输出波形，计算机10通过分析激光强度的输出波形得到多个偏振跳变点。本实施例中，由于所述双折射元件5的光轴为快轴，因此可以所述波片的慢轴为轴旋转所述石英波片。如图3所示，其中A点至D点或E点至H点为一个激光调制周期（即三角波电压的周期），B和F为偏振跳变点。所述偏振跳变点B、F受双折射元件5位相延迟大小的影响可通过以下公式表达：

（I）

其中，(为双折射元件5的位相延迟；t_AD表示A点和D点之间的时间间隔，t_BC表示B点和C点之间的时间间隔，t_FG表示F点和G点之间的时间间隔，t_EH表示E点和H点之间的时间间隔，可通过计算机程序得到所述时间间隔。通过t_AD、t_BC、t_FG、与t_EH可计算得到位相延迟(的大小。

同时，位相延迟的大小与所述双折射元件5的旋转角度、厚度以及折射率的关系为：

（II）

其中，d为双折射元件5的厚度，n_e、n_o为双折射元件5对e光和o光的折射率，θ为双折射元件5旋转的角度，N为双折射元件5的级数，λ为半外腔激光器20输出激光的波长。

本实施例中，所述双折射元件5的旋转角度θ通过以下公式计算：

其中，

其中，φ_o、φ_e为o光和e光的相位；d为双折射元件厚度；λ为激光波长；θ_o、θ_e为o光和e光折射角，θ为入射角；n_oo为光线斜入射时介质中o光折射率，n_ee为e光折射率；t为介质透过率，t下标中o、e表示o光和e光，a表示空气b，表示双折射元件；r为反射系数；n_o为光线正入射时介质中o光折射率，n_e为e光折射率；E(为进入双折射元件的初始光场，E为考虑干涉后的光场分布；ω为激光的角频率，k为波数。

可以理解，所述θ的测量方法仅仅为一具体的实施例，所述双折射元件5的旋转角度θ也可通过其他角度测量装置（图未示）获得。

为了得到公式（II）中未知参量折射率和厚度，需要将双折射元件5沿相同的方向进行多次旋转，转过多个不同的角度，即需要重复步骤S14。由于公式（II）中含有四个未知参量d，n_e、n_o以及N，因此至少需要将双折射元件5旋转四次，并分别记录每次位相延迟和旋转角度值，按照公式（III）做数据拟合：

（III）。

请参阅表1，表1为一具体实施例中记录到的位相延迟与角度值：

表 1 相位延迟与角度关系

角度( o )	位相延迟( o )
		0	69.163
0.28	69.221
		0.56	69.331
0.84	69.404
		1.12	69.584
1.4	69.742
		1.68	69.968
1.96	70.183
		2.24	70.454
2.52	70.759
		2.8	71.079
3.08	71.469
		3.36	71.895

通过最小二乘法对测量结果进行拟合，所述双折射元件5的厚度和及折射率的测量结果为：

表 2 厚度与折射率的数值解

	厚度(μm)	折射率(no)	折射率(ne)	级数
					实际值	641.692	1.542644	1.551708	9
测量值	641.751	1.541967	1.551032	9
					偏差	0.059	0.000677	0.000676	0

由表2可知，本发明基于激光偏振跳变原理提供的所述双折射元件的厚度及折射率的测量方法，通过多次旋转所述双折射元件5，获得所述双折射元件5的厚度及折射率，方法简单且具有很高的精度，无需对双折射元件5进行特殊的加工，成本较低。同时，所述双折射元件的厚度及折射率的测量方法可与其他在线测量系统集成，因而也具有更广阔的实际应用前景。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法，包括以下步骤：

步骤S10，提供一测量装置，其包括一半外腔激光器，所述半外腔激光器包括一高反腔镜、增益管、增透窗片以及输出腔镜沿半外腔激光器的输出激光轴线共轴设置；一外腔平面反射镜与所述输出腔镜间隔设置形成一激光回馈外腔，所述外腔平面反射镜将输出腔镜输出的激光部分反射回所述半外腔激光器中，形成激光回馈，并从所述半外腔激光器的高反腔镜出射，部分激光从所述外腔平面反射镜透射；一偏振片，所述偏振片设置于从所述外腔平面反射镜透射激光的光路上，且与所述外腔平面反射镜间隔设置；一第一光电探测器，所述第一光电探测器设置于所述从高反腔镜输出的激光的光路上，用于测量从高反腔镜输出的激光的强度变化；

步骤S11，半外腔激光器连续输出激光，模式为单纵模；

步骤S12，调整所述偏振片，使所述偏振片的偏振方向与所述半外腔激光器输出激光的偏振方向垂直；

步骤S13，将待测双折射元件设置于所述输出腔镜与所述外腔平面反射镜之间，并设置于从输出腔镜出射的激光的光路上，使所述双折射元件的光轴与所述激光的初始偏振方向一致；

步骤S14，将所述双折射元件以垂直于光轴方向的任一轴线为轴旋转角度θ₁，驱动所述外腔平面反射镜沿半外腔激光器输出激光的轴线往复运动产生激光偏振跳变，通过第一光电探测器得到从所述高反腔镜输出的激光强度的输出波形，通过分析激光强度的输出波形得到偏振跳变点，通过偏振跳变点获得在角度θ₁下产生的位相延迟δ₁的大小；

步骤S15，以所述垂直于光轴方向的轴线旋转所述双折射元件多个角度θ₂、θ₃……θ_n，获得相应的位相延迟δ₂、δ₃……δ_n的大小，其中，n≥4，通过以下公式获得所述待测双折射元件的厚度及折射率：

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\πd}(\sqrt{{n_e}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}-\sqrt{{n_o}^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}})}{\mathrm{\λ}}-2\mathrm{\πN},$

其中，d为双折射元件的厚度，n_e、n_o为双折射元件对e光和o光的折射率，θ为双折射元件旋转的角度，N为双折射元件的级数，λ为半外腔激光器输出激光的波长。

2.如权利要求1所述的同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法，其特征在于，所述双折射元件具有相对平行的两个平面，所述激光器输出的激光垂直于所述平面入射到所述双折射元件，所述双折射元件的光轴平行于所述平面。

3.如权利要求1所述的同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法，其特征在于，通过一外腔压电陶瓷与所述外腔平面反射镜相连，并驱动所述外腔平面反射镜沿所述半外腔激光器输出激光的方向往复运动。

4.如权利要求3所述的同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法，其特征在于，所述外腔压电陶瓷输入的电压为三角波电压，驱动所述外腔平面反射镜往复运动。

5.如权利要求4所述的同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法，其特征在于，所述双折射元件的位相延迟通过以下公式计算：

其中，A点至D点或E点至H点为一个激光调制周期，B和F为偏振跳变点，δ为双折射元件的位相延迟，t_AD表示A点和D点之间的时间间隔，t_BC表示B点和C点之间的时间间隔，t_FG表示F点和G点之间的时间间隔，t_EH表示E点和H点之间的时间间隔。

6.如权利要求1所述的同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法，其特征在于，通过以下步骤使所述双折射元件的光轴与所述激光的初始偏振方向一致：提供一第二光电探测器，所述第二光电探测器设置于所述偏振片输出激光的光路上；以所述半外腔激光器输出激光的方向为旋转轴，旋转所述双折射元件，使所述第二光电探测器出现接收到的光信号为零，从而所述双折射元件的光轴方向与所述激光的初始偏振方向一致。

7.如权利要求1所述的同时测量双折射元件厚度及折射率的测量方法，其特征在于，进一步包括一在所述双折射元件的两个平面镀增透膜或折射率匹配液的步骤。