CN104502281A - 光弹调制测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光弹调制测量系统。该光弹调制测量系统中，引入一参考信号，该参考信号中包含了光弹调制器对偏振状态的调制偏差的信息，通过该参考信号抑制因光弹调制器调制状态偏差导致的数据噪声。

Description

光弹调制测量系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光弹调制测量系统。

背景技术

大多数晶体材料对不同偏振状态的光有不同的响应，这是其重要性质之一。常见的偏振光学现象有线偏光二色性、圆偏光二色性、线性双折射现象、旋光性等。这些性质可以用光弹调制器配合其他偏振元件进行方便的测量。

图1为现有技术光弹调制测量系统的结构示意图。如图1所示，起偏器产生固定偏振方向的偏振光，光弹调制器在光弹调制器的作用下，借助窗口晶体的光弹效应对通过其的光束产生高速偏振态调制，偏振态被调制的光束经过样品后，会受到样品本身平面内光学各向异性的影响从而偏振态又一次发生变化，第一检偏器的光学主轴与起偏器成45°角，检测出偏振方向为该方向的光束，由第一光电探测器对光束强度的进行探测，第一锁相放大器记录第一光电探测器中对应于光弹调制器调制频率的信号强度，数据采集及处理系统记录和分析该信号，可以获取样品的平面光学各向异性信息。对于图1所示的光弹调制测量系统，配合常见的高频信号提取系统可以实现很高的实验精度。

理论上，基于光弹调制器的测量系统精度可以达到10^-5量级。但是由于其不可避免的机械振动和静电积累等因素，光弹调制器对入射光偏振状态的调制存在偏差，这会直接反应在测量数据中，高信号/噪声比的数据只能维持2到3分钟，使得整体实验精度被限制在10^-3量级。因此消除因偏振调制偏差导致的噪声对提高实验精度显得尤为重要，尤其对测量时间较长的系统而言。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种光弹调制测量系统，以消除因偏振调制偏差而引起的测量噪声。

(二)技术方案

本发明光弹调制测量系统包括：起偏器、光弹调制器、分光元件、原始测量光路、参考测量光路及数据采集处理及控制模块。起偏器，用于产生偏振光信号。光弹调制器，位于起偏器的光路后端，用于借助窗口晶体的光弹效应按照预设的调制频率对通过其的偏振光信号产生偏振态调制。分光元件，位于光弹调制器的光路后端，用于将光弹调制器出射的偏振态调制后的偏振光信号分为两束-原始光束和参考光束。原始测量光路，位于分光元件的原始光束的光路后端，用于利用原始光束对样品进行平面光学各向异性测试，得到原始信号，该原始信号中包含样品信息以及光弹调制器对偏振光信号调制引入的噪声。参考测量光路，位于分光元件的参考光束的光路后端，用于利用参考光束进行无样品平面光学各向异性测试，得到参考信号，该参考信号包含光弹调制器对偏振光信号调制引入的噪声。数据采集处理及控制模块，用于将原始信号除以平滑和归一化处理后的参考信号，从而得到样品的抑制光弹调制器调制噪声后的平面光学各向异性信号。

(三)有益效果

本发明光弹调制测量系统引入一参考信号，该参考信号中包含了光弹调制器对偏振状态的调制偏差的信息；通过该参考信号抑制因光弹调制器调制状态偏差导致的数据噪声。

附图说明

图1为现有技术光弹调制测量系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例光弹调制测量系统的光路结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明在测量光路中引入消偏振分光棱镜，对分离出的参考光束进行实时偏振态检测，采用计算机控制的数据采集和分析系统进行在线数据处理，抑制因光弹调制器调制状态偏差导致的数据噪声。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种光弹调制测量系统。图2为根据本发明实施例光弹调制测量系统的光路结构图。请参照图2所示，本实施例光弹调制测量系统包括：起偏器、光弹调制器、分光元件、原始测量光路、参考测量光路及数据采集处理及控制模块。

在工作过程中，起偏器产生偏振光信号。光弹调制器借助窗口晶体的光弹效应按照预设的调制频率对通过其的偏振光信号产生高速偏振态调制。起偏器沿竖直方向，光弹调制器的光学主轴与竖直方向成正45°角，第一和第二检偏器取向保持相同(与竖直方向成正45°角)，该套装置可以探测样品竖直和水平两个方向的光学性质差别。

本实施例中，分光元件为消偏振分光棱镜。由光弹调制器出射的高速偏振态调制后的偏振光信号经过该偏振分光棱镜后，分为相互垂直的两束。第一束沿着原方向行进，进入原始测量光路；第二束作为参考光束，沿垂直于原光束方向的方向进入参考测量光路。两束光分别被光电探测器和锁相放大器探测，利用参考光路中提取的信号可以消除对原始测量光路中的样品信号中的噪声部分，提高测量精度。

本实施实例光弹调制测量系统中，原始测量光路与背景技术中的光弹调制测量系统中的相应部分相同。该原始测量光路利用高速偏振态调制后的偏振光对样品进行检测，得到原始信号。

请参照图2，该原始测量光路包括：第一检偏器、第一光电探测器、第一锁相放大器。其中，第一检偏器的主轴与垂直方向成正45°角。样品置于二维平台上，光弹调制器和第一检偏器之间，可沿X轴和Y轴方向移动。第一锁相放大器与光弹调制器和第一光电探测器相连接。

进行高速偏振态调制后的原始光束经过样品，受到样品水平和竖直方向光学性质差别的影响，光束的偏振状态发生变化。经过样品后的光束经由第一检偏器检测出与水平方向成45°偏振方向的光束。第一光电探测器探测检测出的光束的强度，第一锁相放大器以光弹调制器的调制频率对光电探测器生成的信号进行锁相放大，得到原始信号。

其中，该原始信号中包含样品的信息。除此之外，该原始信号中还包括多种误差信息，其中最主要的是光弹调制器对偏振光调制引入的噪声，实际中该因素导致测量精度降低至10^-3的量级

参考测量光路，利用消偏振分光棱镜引入一束高速偏振态调制后的偏振光，利用第二检偏器对该偏振光进行检测，得到参考信号。

请参照图2，该参考测量光路包括：第二检偏器、第二光电探测器和第二锁相放大器。其中，第二检偏器为主轴沿与垂直方向成正45°角方向的偏振棱镜，用于检测参考光的偏振状态。该第二检偏器的消光比应与第一检偏器相同，或者尽量接近，以提高参考信号置信度。第二光电探测器用于探测参考光的强度，其频率特性和波长响应与第一光电探测器的相关参数相同，或者尽量接近。第二锁相放大器与光弹调制器和第二光电探测器相连接。进行高速偏振态调制后的光束经过第二检偏器，而后信号被第二光电探测器接收。第二锁相放大器以光弹调制器的调制频率对光电探测器的输出信号进行锁相放大，得到参考信号。

由于第二检偏器与第一检偏器取向完全相同，该参考信号中包含了与测量光路中完全相同的、由于光弹调制器对偏振光调制产生的误差信息

本实施例中，数据采集处理及控制模块为一计算机。该计算机一方面实现数据采集及处理功能，另一方面实现控制功能。

对于数据采集及处理功能，计算机将第二锁相放大器得到的参考信号做平滑处理并进行归一化，而后将第一锁相放大器得到的原始信号除以平滑及归一化处理后的第二锁相器的信号，从而得到抑制光弹调制器调制噪声后的样品平面光学各向异性信号。

对于控制功能，计算机协调平移台的移动和第一锁相放大器、第二锁相放大器数据的记录，这样可以得到样品每个位置的垂直和水平方向透射率的差别，以及相同时刻参考光的偏振状态信息。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明光弹调制测量系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)起偏器和检偏器的方向还可以取与本例中不同的形式，取决于具体实践目的；

(2)光电探测器和锁相放大器可以用其他可以探测以特定频率被调制的光束强度的元件来代替。

综上所述，本发明光弹调制测量系统结构简单，可以用于各种用光弹调制器调制光束偏振状态的实验中，能够显著提高相关实验的测量精度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光弹调制测量系统，其特征在于，包括：起偏器、光弹调制器、分光元件、原始测量光路、参考测量光路及数据采集处理及控制模块；

起偏器，用于产生偏振光信号；

光弹调制器，位于所述起偏器的光路后端，用于借助窗口晶体的光弹效应按照预设的调制频率对通过其的偏振光信号产生偏振态调制；

分光元件，位于所述光弹调制器的光路后端，用于将所述光弹调制器出射的偏振态调制后的偏振光信号分为两束-原始光束和参考光束；

原始测量光路，位于所述分光元件的原始光束的光路后端，用于利用原始光束对样品进行平面光学各向异性测试，得到原始信号，该原始信号中包含样品信息以及光弹调制器对偏振光信号调制引入的噪声；

参考测量光路，位于所述分光元件的参考光束的光路后端，用于利用参考光束进行无样品平面光学各向异性测试，得到参考信号，该参考信号包含光弹调制器对偏振光信号调制引入的噪声；

数据采集处理及控制模块，用于将所述原始信号除以平滑和归一化处理后的参考信号，从而得到样品的抑制光弹调制器调制噪声后的平面光学各向异性信号。

2.根据权利要求1所述的光弹调制测量系统，其特征在于，所述参考测量光路和原始测量光路结构相同。

3.根据权利要求2所述的光弹调制测量系统，其特征在于，所述起偏器沿竖直方向，所述光弹调制器的光学主轴与竖直方向成正45°角。

4.根据权利要求3所述的光弹调制测量系统，其特征在于，所述原始测量光路包括：第一检偏器、第一光电探测器、第一锁相放大器；所述第一检偏器的主轴与垂直方向成正45°角；样品位于光弹调制器和第一检偏器之间；第一锁相放大器与光弹调制器和第一光电探测器相连接；

其中，原始光束经过样品，受到样品水平和竖直方向光学性质差别的影响，其偏振状态发生变化；经由第一检偏器检测出与水平方向成45°偏振方向的光束；第一光电探测器探测检测出的光束的强度，第一锁相放大器以光弹调制器的调制频率对光电探测器生成的信号进行锁相放大，得到原始信号。

5.根据权利要求4所述的光弹调制测量系统，其特征在于，所述该参考测量光路包括：第二检偏器、第二光电探测器和第二锁相放大器；所述第二检偏器的主轴与垂直方向成正45°角方向；第二锁相放大器与光弹调制器和第二光电探测器相连接；

其中，所述第二检偏器检测参考光束的偏振状态，而后参考光束被所述第二光电探测器接收，第二锁相放大器以光弹调制器的调制频率对光电探测器的输出信号进行锁相放大，得到参考信号。

6.根据权利要求5所述的光弹调制测量系统，其特征在于，所述第二检偏器的消光比与第一检偏器的消光比相同；

所述第二光电探测器的频率特性和波长响应与第一光电探测器的相关参数相同。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光弹调制测量系统，其特征杂鱼，所述分光元件为消偏振分光棱镜；

其中，由光弹调制器出射的高速偏振态调制后的偏振光信号经过该偏振分光棱镜后，分为相互垂直的原始光束和参考光束。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的光弹调制测量系统，其特征在于，所述样品置于二维平台上，可沿X轴和Y轴方向移动。