CN106950038A - 一种波片快慢轴检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及波片检测技术领域,特别涉及一种波片快慢轴的检测方法。该方法根据对波片快慢轴间相位延迟量差的色散特性的分析,利用椭圆偏振光谱仪对相位差的精确测量,设计了一种波片快慢轴检测方法,该波片快慢轴检测方法理论简洁、清晰,操作方便,检测速度快,且无需事先知晓波片材质、使用波长以及对应的相位差。
Description
技术领域
本发明涉及波片检测技术领域,特别涉及一种波片快慢轴的检测方法。
背景技术
波片作为一种常用的光学元器件,被广泛应用于偏光测量领域。快、慢轴方向是波片的两个重要参量,波片在使用中必须先确定快、慢轴的方向。在波片材质已知的情况下,可以通过确定波片光轴方位来确定波片快慢轴的方向。目前波片光轴方位的判断方法有多种,例如:相位比较法、相位调制法、迈克尔逊干涉法、旋转波片法、菲涅尔菱体法、调制光谱法等,通常需要预先知晓波片使用波长及对应相位延迟量。其中相位比较法和相位调制法只能大概确定光轴方位,并不能判定光轴的准确方位。迈克尔逊干涉法、旋转波片法、菲涅尔菱体法和调制光谱法能够准确判断光轴方位,但是过程比较麻烦。
发明内容
为实现对材质未知、使用波长及对应相位延迟量未知的情况下波片快慢轴的快速检测,本发明采用检偏器与椭圆偏振光谱仪,设计了一种快速检测波片快慢轴的方法。
本发明是通过以下方式实现的:
一种波片快慢轴检测方法,包括以下步骤:
(1)将椭圆偏振光谱仪的起偏臂和检偏臂调至水平透射模式;
(2)旋转起偏臂中的起偏器,将氙灯出射光调为P方向(竖直方向)振动的线偏光,在起偏臂和检偏臂之间放入检偏器,旋转检偏器至消光;
(3)将待检测波片放入起偏臂和检偏器之间,使入射光线垂直波片表面,旋转波片,至光路再次出现消光;
(4)旋转起偏臂中的起偏器,将出射线偏光振动方向调至与P方向成45度角方向;
(5)撤出检偏器,扫描波片P、S(水平方向)两方向上相位差的色散曲线;
(6)根据上述步骤(5)得到的P、S两方向上位相差色散曲线斜率的正负情况判断波片快慢轴方向。
所述的检测方法,对波片快慢轴方向的判断,具体方式为:
(1)在步骤(5)得到的P、S两方向上位相差色散曲线图上,曲线斜率为正时,待测波片快轴位于水平方向,待测波片慢轴位于竖直方向。
(2)在步骤(5)得到的P、S两方向上位相差色散曲线图上,曲线斜率为负时,待测波片快轴位于竖直方向,待测波片慢轴位于水平方向。
本发明中所述的检偏器是光学仪器中的一种常用器件,可用于光路的检偏或起偏。下面对本发明的原理进行详细阐述:
首先定义坐标系为:光线传播方向为z轴正方向,水平方向为x轴,y轴正方向竖直向上,x、y、z轴正方向构成右手螺旋关系,x、y平面内角度的定义为:沿x轴正向的水平方向为0°,逆时针旋转方向为角度正方向。先将起偏臂中起偏器起偏方向调为90°,即透振方向为竖直方向(P方向),把检偏器放入光路中,调节其透振方向使光路消光,此时检偏器的透振方向为水平方向(S方向),然后将待测波片放入起偏臂和检偏臂中间,使光线垂直于待测波片表面入射,旋转波片使光路再次消光,此时波片快轴或慢轴方向处于P方向,我们定义此时处于S方向的轴为A轴。
为进一步区分A轴为波片快轴或慢轴,需取出检偏器,调节起偏臂中起偏器起偏方向为45°,扫描线偏振光经过波片后在P、S两方向上的相位差,通过观察波片在P、S两方向上相位差随扫描波长的变化情况,根据相位差变化情况的不同,判断A轴为波片快轴或慢轴。
图1 为椭偏仪探测晶体快慢轴的光路原理图,光路的琼斯矩阵如下:
(1)
其中E x 、E y 分别表示通过石英波片后的x和y方向偏振的电场强度,K为包含各器件矩阵因子的比例系数,φ x 、φ y 分别为波片在P方向与S方向上的相位延迟量,且:
(2)
在椭偏仪中,椭偏参量Ψ、定义为:tanΨeiΔ=rp/rs,在本实验光路设置的情况下,tanΨeiΔ=Ey/Ex=eiφ。因而椭偏仪测量得到的椭偏参量Δ即为波片在P、S两方向上的相位延迟量差值在0~2π范围内的等效值。
若nx>ny,即A轴为慢轴时,则(2)式中Δn>0,为波片晶体双折射率,则k为波片级数,为正整数,φ 0 为波片在0~2π范围内的等效相位差,即Δ=φ 0 。因双折射率Δn色散通常为正常色散,即Δn随波长变长而减小,所以在波长向长波长扫描过程中,由公式(2)可知,相位差φ应该是逐渐减小的,相应的其在0~2π范围内的等效相位差φ 0 的变化趋势是:随着扫描波长的增加,φ 0 减小到零以后,跳变为2π(对应波片级数k减1),之后继续减小,每循环对应波片级数k减1。
若A轴为波片快轴,则(2)式中Δn<0, k为负正整数,此时相位差φ为负值,φ 0 仍为波片在0~2π范围内的等效相位差,即Δ=φ 0 。在波长向长波长扫描过程中,|φ|是逐渐减小的,φ是逐渐增大的,相应的其在0~2π范围内的等效相位差φ 0 的变化趋势是:随着扫描波长的增加,φ 0 增大到2π以后,跳变为0(对应k加1),之后继续增大,每循环对应k加1。
在之前光路设置中,检偏器透振方向设定为x(s)方向,在确定了A轴为波片快轴或慢轴之后,相应的波片快慢轴方向与检偏棱镜透振方向之间的关系也就确定了,因而该方法可以对光路中波片和棱镜进行定位组合。
本发明的有益效果:本发明的波片快慢轴检测方法,利用的是波片快慢轴间相位延迟量随波长的色散原理,以及椭圆偏振光谱仪对相位差的精确测量,该快慢轴检测方法理论简洁、清晰,操作简单,检测速度快,与常规快慢轴检测方式相比,本发明所设计的检测方法具有无需预先知晓波片材质,无需知晓波片使用波长及相位延迟量的特点。
附图说明
图1是本发明的检测装置光路示意图,其中:1-氙灯光源,2-起偏臂,3-标准石英波片,4-检偏器,5-检偏臂,6-单色仪与探测器,7计算机;
图2是实施例1中,椭圆偏振光谱仪测量得到的石英波片在P、S两方向上的相位差色散曲线,其中:横坐标为波长,纵坐标为P、S两方向上的位相差。
图3是实施例2中,椭圆偏振光谱仪测量得到的石英波片在P、S两方向上的相位差色散曲线,其中:横坐标为波长,纵坐标为P、S两方向上的位相差。
具体实施例:
实施例1:
按照图1中的光路,起偏臂透振方向调为竖直方向,放入检偏器,调节检偏器透振方向至消光,此时检偏器透振方向必为水平方向;然后放入波片,使入射光线垂直波片表面,旋转波片使光路再次消光,此时检偏器透振方向必与波片快、慢轴中的一轴重合;之后撤出检偏器,将起偏臂中起偏方向调至45°,此时入射波片的为45°方向的线偏振光,在x、y方向上相位相同、振幅相同,对波片出射的椭圆偏振光在y、x两方向上相位差随波长的变化进行扫描测量。
图2 为椭圆偏振光谱仪给出的一石英波片在y(p)、x(s)两方向上相位差Δ随波长变化的测量曲线,可以看到规则的斜率为负的跳变曲线,根据之前分析,此时对应的波片快轴在y(p)方向,即竖直方向,相应的慢轴在x(s)方向。
实施例2:
按照图1中的光路,起偏臂透振方向调为竖直方向,放入检偏器,调节检偏器透振方向至消光,此时检偏器透振方向必为水平方向;然后放入波片,使入射光线垂直波片表面,旋转波片使光路再次消光,此时检偏器透振方向必与波片快、慢轴中的一轴重合;之后撤出检偏器,将起偏臂中起偏方向调至45°,此时入射波片的为45°方向的线偏振光,在x、y方向上相位相同、振幅相同,对波片出射的椭圆偏振光在y、x两方向上相位差随波长的变化进行扫描测量。
图3 为椭圆偏振光谱仪给出的一石英波片在y(p)、x(s)两方向上相位差Δ随波长变化的测量曲线,可以看到规则的斜率为正的跳变曲线,根据之前分析,此时对应的波片慢轴在y(p)方向,即竖直方向,相应的快轴在x(s)方向。
Claims (2)
1.一种波片快慢轴检测方法,包括以下步骤:
(1)将椭圆偏振光谱仪的起偏臂和检偏臂调至水平透射模式;
(2)旋转起偏臂中的起偏器,将氙灯出射光调为P方向(竖直方向)振动的线偏光,在起偏臂和检偏臂之间放入检偏器,旋转检偏器至消光;
(3)将待检测波片放入起偏臂和检偏器之间,使入射光线垂直波片表面,旋转波片,至光路再次出现消光;
(4)旋转起偏臂中的起偏器,将出射线偏光振动方向调至与P方向成45度角方向;
(5)撤出检偏器,扫描波片P、S(水平方向)两方向上相位差的色散曲线;
其特征在于包括步骤(6):
(6)根据上述步骤(5)得到的P、S两方向上位相差色散曲线斜率的正负情况判断波片快慢轴方向。
2.根据权利要求1所述的检测方法,由P、S两方向上位相差色散曲线斜率的正负情况判断波片快慢轴方向,其特征在于:曲线斜率为正时对应波片的慢轴在P方向,快轴在S方向;曲线斜率为负时,对应波片的快轴在P方向,慢轴在S方向。
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