CN106813901B - 光学器件相位延迟量的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光学器件相位延迟量的测量装置及其测量方法，装置主要包括双频He‑Ne激光器、偏振分光镜、半波片、45°高反镜、偏振片、光电探测器。采用外差探测技术，线偏振光经过待测光学器件的快轴慢轴后分别与参考频率光拍频，使用光电探测器接收拍频信号，比较拍频信号的相位差，从而实现相位器件相位延迟量的精确测量。本发明可以测量光学器件任意波段的相位延迟量，具有结构简单紧凑，使用方便，抗环境干扰能力强，易于集成、相位延迟量测量精确的特点。

Description

光学器件相位延迟量的测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及精密测量领域，特别是光学器件相位延迟量的测量装置及其测量方法。

背景技术

半波片、四分之一波片等光学器件作为精密仪器的重要组成部分，在精密测量、激光技术等领域有重要的应用。其相位延迟量与标称值是否一致对仪器性能影响较大，因此精确测量半波片、四分之一波片的相位延迟量具有重要的意义。

相位延迟器件通常采用具有双折射效应的材料制作而成，其相位延迟量与2π(n_e-n_o)d/λ成正比，其中n_e、n_o为晶体材料中非常光与寻常光的折射率，d为波片厚度，λ为所使用的光波长。过往的许多专家、学者提出了不同的测量方案，专利号为ZL201320548522.6，实用新型名称为”一种激光频率法测量波片相位延迟的装置”，利用波片放入激光谐振腔内可以产生激光频率分裂的原理，使激光器的一个振荡频率变为两个振荡频率，这两个频率之间的频率差正比于波片的相位延迟。测量两个分裂频率的频率差来得到波片相位延迟的大小。专利号为ZL201210073614.3，发明名称为“一种测量光学器件相位延迟角度的方法”，利用椭圆偏振光通过不同相位延迟角度的光学器件时，其透射或反射偏振光的长轴方向会有所不同，通过测量透射或反射光的长轴方位角度来反推出待测器件的相位延迟量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学器件相位延迟量的精确测量装置。跟现有的测试方案不一样的地方在于，直接探测线偏振光经过光学器件快轴、慢轴后的相位差，所探测的相位差即为光学器件的相位延迟量。该测量装置可以测量光学器件任意波段的相位延迟量，具有结构简单紧凑，使用方便，抗环境干扰能力强，易于集成、相位延迟量测量精确的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种光学器件相位延迟量的测量装置，其特点在于：包括双频He-Ne激光器，在该双频He-Ne激光器发出的两频(f₁、f₂)激光方向是第一偏振分光镜，其中水平偏振的f₁激光经过第一偏振分光镜透射传播，竖直偏振的f₂激光经过第一偏振分光镜反射传播，沿f₁光依次是第一半波片、第一45°高反镜、第二偏振分光镜、第二偏振片、第二光电探测器，沿f₂光依次是第二半波片、第二45°高反镜、第二偏振分光镜、第一偏振片、第一光电探测器，所述第一半波片的快轴安装方向与水平面成22.5°夹角，所述第二半波片的快轴安装方向与水平面成67.5°夹角，所述第一偏振片和第二偏振片的通光方向与水平面成45°夹角。

利用上述光学器件相位延迟量的测量装置进行光学器件相位延迟量的测量方法，包括下列步骤：

1)将待测光学器件放置在所述的第一半波片至第二偏振分光镜之间的光路中，并使所述的待测器件的快轴平行于水平面，慢轴垂直于水平面；

2)启动所述的双频He-Ne激光器，所述的第一光电探测器和第二光电探测器分别获得拍频信号E₉，拍频信号E₁₁如下：

E₉＝A"B′cos[(ω₁-ω₂)t-(k₁-k₂)z-(φ₁-φ₂)-(Ф₁-Ф₂)-δ"]

E₁₁＝A′B"cos[(ω₁-ω₂)t-(k₁-k₂)z-(φ₁-φ₂)-(Ф₁-Ф₂)-δ′]；

3)比较光电探测器输出信号E₉和E₁₁，可得出δ＝δ′-δ"的大小，此即为待测光学器件的相位延迟量；即通过比较第一光电探测器和第二光电探测器响应的光拍频信号的相位差，即可得到待测器件的相位延迟量；

4)待测光学器件的相位延迟量与2π(n_e-n_o)d/λ成正比，其中n_e、n_o为晶体材料非常光与寻常光的折射率，d为器件厚度，λ为入射光波长。

5)当待测光学器件的使用波长与双频He-Ne激光器波长不一致时，满足以下关系δ_real＝δ_mea*λ_He-Ne/λ_real

式中，δ_real为光学器件实际相位延迟量，δ_mea为测量出来的相位延迟量，λ_He-Ne为双频He-Ne激光器波长，λ_real为待测光学器件实际使用波长。

本发明可以测量光学器件任意波段的相位延迟量，具有结构简单紧凑，使用方便，抗环境干扰能力强，易于集成、相位延迟量测量精确的特点。

附图说明

图1是本发明光学器件相位延迟量测量装置的光路图

图2：光学器件相位延迟量测量方法示意图

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图2，对本发明实施例中的技术方案进行完整、详细的描述。

先请参阅图1，由图可见，本发明光学器件相位延迟量的测量装置，包括双频He-Ne激光器1，在该双频He-Ne激光器1发出的两频(f₁、f₂)激光方向是第一偏振分光镜2，其中水平偏振的f₁激光经过第一偏振分光镜2透射传播，竖直偏振的f₂激光经过第一偏振分光镜2反射传播，沿f₁光依次是第一半波片3、第一45°高反镜4、第二偏振分光镜7、第二偏振片10、第二光电探测器11，沿f₂光依次是第二半波片5、第二45°高反镜6、第二偏振分光镜7、第一偏振片8、第一光电探测器9，所述第一半波片3的快轴安装方向与水平面成22.5°夹角，所述第二半波片5的快轴安装方向与水平面成67.5°夹角，所述第一偏振片8和第二偏振片10的通光方向与水平面成45°夹角。

具体测量步骤如下：

1)将待测光学器件(12)放置在所述的第一半波片3至第二偏振分光镜7之间的光路中，并使所述的待测器件12的快轴平行于水平面，慢轴垂直于水平面；

双频He-Ne激光器1发出的两频率光(f₁f₂)经过第一偏振分光镜2，其中水平偏振的f₁光经过第一偏振分光镜2透射传播，竖直偏振的f₂光经过第一偏振分光镜2反射传播，两频率光可由下式表示：

E₁＝Acos(ω₁t-k_1z-φ₁)

E₂＝Bcos(ω₂t-k₂z-φ₂)

其中，ω₁＝2πf₁,ω₂＝2πf₂,k₁＝2π/λ₁,k₂＝2π/λ₂,A、B分别为两频率光振幅，φ₁、φ₂分别为量频率光初始相位。

f₂光经过第二半波片5后，偏振方向与水平面成45°，经过第二45°高反镜6光路转折90°入射至第二偏振分光镜7分成两个分量，其中水平偏振分量经过第二偏振分光镜7透射至第一偏振片8入射至第一光电探测器9，设其为E₃，竖直偏振分量经过第二偏振分光镜7反射至第二偏振片10入射至第二光电探测器11，设其为E₄，则E₃、E₄可由下式表示

E₃＝B′cos(ω₂t-k₂z-φ₂-Ф₂-Ф′)

E₄＝B"cos(ω₂t-k₂z-φ₂-Ф₂-Ф")

其中，B′、B"分别为两分量光传输至第一光电探测器后的振幅、第二光电探测器后的振幅，Ф₂为f₂光经过第一偏振分光镜2后入射至第二偏振分光镜7所带来的相位变化，Ф′为水平偏振分量经过第二偏振分光镜7透射后入射至第一光电探测器9所带来的相位变化，Ф"为竖直偏振分量经过第二偏振分光镜7反射后入射至第二光电探测器11所带来的相位变化。

f₁光经过第一半波片3后其偏振方向与水平面成45°，经过待测光学器件12后再经过第一45°高反镜4光路转折90°入射至第二偏振分光镜7分成两个分量，其中经过待测光学器件快轴方向的分量经过第二偏振分光镜7透射至第二偏振片10入射至第二光电探测器11，设其为E₅，经过待测光学器件慢轴方向的分量经过第二偏振分光镜7反射至第一偏振片8入射至第一光电探测器9，设其为E₆，则E₅、E₆可由下式表示：

E₅＝A′cos(ω₁t-k₁z-φ₁-Ф₁-Ф"-δ′)

E₆＝A"cos(ω₁t-k₁z-φ₁-Ф₁-Ф′-δ")

其中，A′、A"分别为两分量光传输至光电探测器后的振幅，Ф₁为f₁光经过第一偏振分光镜2后入射至第二偏振分光镜7所带来的相位变化，Ф′为待测光学器件12快轴方向分量经过第二偏振分光镜7透射后入射至第二光电探测器11所带来的相位变化，Ф"为待测光学器件慢轴方向分量经过第二偏振分光镜7反射后入射至第一光电探测器9所带来的相位变化，δ′和δ"分别为f₁光经过待测光学器件快轴和慢轴带来的相位变化。

入射至第一光电探测器9的E₃、E₆光分量进行拍频，其拍频信号记为E₉，入射至第二光电探测器11的E₄、E₅光分量进行拍频，其拍频信号记为E₁₁。由于光频率较高，光电探测器只能响应拍频量信号中的差频信号，则E₉、E₁₁可用下式表达

E₉＝A"B′cos[(ω₁-ω₂)t-(k₁-k₂)z-(φ₁-φ₂)-(Ф₁-Ф₂)-δ"]

E₁₁＝A′B"cos[(ω₁-ω₂)t-(k₁-k₂)z-(φ₁-φ₂)-(Ф₁-Ф₂)-δ′]

3)通过比较光电探测器输出信号E₉和E₁₁，可得出δ＝δ′-δ"的大小，此即为待测光学器件的相位延迟量；

4)待测光学器件的相位延迟量与2π(n_e-n_o)d/λ成正比，其中n_e、n_o为晶体材料非常光与寻常光的折射率，d为器件厚度，λ为入射光波长；

5)当所待测光学器件的使用波长与双频He-Ne激光器波长不一致时，满足以下关系δ_real＝δ_mea*λ_He-Ne/λ_real

式中，δ_real为光学器件实际相位延迟量，δ_mea为测量出来的相位延迟量，λ_He-Ne为双频He-Ne激光器波长，λ_real为待测光学器件实际使用波长。

实验表明，本发明可以测量光学器件任意波段的相位延迟量，具有结构简单紧凑，使用方便，抗环境干扰能力强，易于集成、相位延迟量测量精确的特点。

Claims (2)

1.一种光学器件相位延迟量的测量装置，其特征在于：包括双频He-Ne激光器(1)，在该双频He-Ne激光器(1)发出的两频(f1、f2)激光方向是第一偏振分光镜(2)，水平偏振的激光经过第一偏振分光镜(2)透射传播，竖直偏振的激光经过第一偏振分光镜(2)反射传播，沿水平偏振的激光方向依次是第一半波片(3)、第一45°高反镜(4)、第二偏振分光镜(7)、第二偏振片(10)、第二光电探测器(11)，沿竖直偏振的激光方向依次是第二半波片(5)、第二45°高反镜(6)、第二偏振分光镜(7)、第一偏振片(8)、第一光电探测器(9)，所述第一半波片(3)的快轴安装方向与水平面成22.5°夹角，所述第二半波片(5)的快轴安装方向与水平面成67.5°夹角，所述第一偏振片(8)和第二偏振片(10)的通光方向与水平面成45°夹角。

2.利用权利要求1所述的光学器件相位延迟量的测量装置进行光学器件相位延迟量的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)将待测光学器件(12)放置在所述的第一半波片(3)至第二偏振分光镜(7)之间的光路中，并使所述的待测光学器件(12)的快轴平行于水平面，慢轴垂直于水平面；

2)启动所述的双频He-Ne激光器(1)，所述的第一光电探测器(9)和第二光电探测器(11)分别获得拍频信号E₉，拍频信号E₁₁如下：

E₉＝A"B′cos[(ω₁-ω₂)t-(k₁-k₂)z-(φ₁-φ₂)-(Ф₁-Ф₂)-δ"]

E₁₁＝A′B"cos[(ω₁-ω₂)t-(k₁-k₂)z-(φ₁-φ₂)-(Ф₁-Ф₂)-δ′]；

ω₁＝2πf₁,ω₂＝2πf₂,其中，f₁为水平偏振的激光，f₂为竖直偏振的激光，

k₁＝2π/λ₁,k₂＝2π/λ₂,φ₁、φ₂分别为量频率光初始相位，Ф₁为水平偏振的激光经过第一偏振分光镜后入射至第二偏振分光镜所带来的相位变化，Ф₂为竖直偏振的激光经过第一偏振分光镜后入射至第二偏振分光镜所带来的相位变化，A′、A"分别为两分量光传输至光电探测器后的振幅，B′、B"分别为两分量光传输至第一光电探测器后的振幅、第二光电探测器后的振幅；

δ′和δ"分别为水平偏振的激光经过待测光学器件快轴和慢轴带来的相位变化；

3)比较光电探测器输出信号E₉和E₁₁，可得出δ＝δ′-δ"的大小，此即为待测光学器件的相位延迟量；

4)待测光学器件的相位延迟量与2π(n_e-n_o)d/λ成正比，其中n_e、n_o为晶体材料非常光与寻常光的折射率，d为器件厚度，λ为入射光波长；

5)当待测光学器件(12)的使用波长与双频He-Ne激光器波长不一致时，满足以下关系δ_real＝δ_mea*λ_He-Ne/λ_real

式中，δ_real为光学器件实际相位延迟量，δ_mea为测量出来的相位延迟量，λ_He-Ne为双频He-Ne激光器波长，λ_real为待测光学器件实际使用波长。