CN107121077A - 一种基于光谱干涉装置的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光谱干涉装置的测量系统，主要解决现有技术中存在的测量精度不足的技术问题，本发明通过采用所述测量系统包括光源，与光源依次连接的扩束准直透镜、起偏器、检偏器、自聚焦透镜、光谱仪及数据处理单元；待测双折射晶体连接于所述起偏器与检偏器之间；所述起偏器用于将经扩束准直透镜输出的平行光起偏为线偏振光；所述起偏器(的偏振轴与待测双折射晶体的任意偏振轴有夹角θ；检偏器与待测双折射晶体的任意偏振轴夹角为45度的技术方案，较好的解决了该问题，可用于双折射晶体厚度测量。

Description

一种基于光谱干涉装置的测量系统

技术领域

本发明涉及光学测量领域，特别涉及到一种基于光谱干涉装置的测量系统及测量方法。

背景技术

双折射晶体在光学波片，光延迟，激光测量等方面有重要的应用。双折射晶体的在通光方向上的厚度决定了双折射晶体的延迟量，并直接决定了基于该材料的器件的性能指标和应用范围。

现有的双折射晶体厚度测量方法存在测量精度不够的技术问题。因此，本发明提出一种基于光谱干涉装置的测量系统及测量方法，通过对白光干涉光谱进行傅里叶变换运算来得到待测双折射晶体的厚度，能实现微米级厚度的测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的测量精度不足的技术问题。提供一种新的基于光谱干涉装置的测量系统，该测量系统具有不损伤待测双折射晶体、测量方便、精度高的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种基于光谱干涉装置的测量系统，所述测量系统包括光源101，与光源101依次连接的扩束准直透镜102、起偏器103、检偏器105、自聚焦透镜106、光谱仪107及数据处理单元108；待测双折射晶体104连接于所述起偏器103与检偏器105之间；所述起偏器103用于将经扩束准直透镜102输出的平行光起偏为线偏振光；所述起偏器103的偏振轴与待测双折射晶体(104)的任意偏振轴有夹角θ；所述检偏器105与待测双折射晶体104的任意偏振轴夹角为45度；其中，θ≠Nπ，N为整数。

上述技术方案中，为优化，进一步地，所述数据处理单元108为电脑。

进一步地，所述光源101为宽谱光源。

进一步地，所述测量系统系的厚度测量灵敏度为微米量级。

进一步地，所述测量装置用于双折射晶体厚度测量。

本发明还提供一种基于光谱干涉装置的测量系统的测量方法，包括：

(1)打开光源101，旋转起偏器103调整夹角θ，观察光谱仪接收到的光谱条纹，使其干涉对比度最佳，获得最佳干涉条纹，干涉条纹为：

(2)使用光谱仪采集步骤(1)所述最佳光谱干涉条纹，数据处理单元108对步骤(1)中最佳干涉条纹进行傅里叶变换，得到交流项及直流项；

(3)根据步骤(2)交流项及直流项的时间间隔，计算出待测双折射晶体104的延迟量t；

(4)根据步骤(3)所述延迟量t及待测双折射晶体104的折射率n，计算出待测双折射晶体104的厚度h：

h＝ct/n；

测试灵敏度d为：

其中，λ₀为光源的中心波长，Δλ为光源谱宽，c为光速，t为待测双折射晶体104的延迟量。

上述方案中，为优化，进一步地，所述步骤(2)中傅里叶变换为快速傅里叶变换。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，本发明中基于光谱干涉装置的测量系统示意图。

图2，光谱干涉条纹示意图。

图3，傅里叶变换后交直流项功率示意图。

附图中，

101-光源，102-扩束准直透镜、103-起偏器、104-待测双折射晶体，105-检偏器、106-自聚焦透镜，107-光谱仪，108-数据处理单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供一种基于光谱干涉装置的测量系统，所述测量系统包括光源101，与光源101依次连接的扩束准直透镜102、起偏器103、检偏器105、自聚焦透镜106、光谱仪107及数据处理单元108；待测双折射晶体104连接于所述起偏器103与检偏器105之间；所述起偏器103用于将经扩束准直透镜102输出的平行光起偏为线偏振光；所述起偏器103的偏振轴与待测双折射晶体(104)的任意偏振轴有夹角θ；所述检偏器105与待测双折射晶体104的任意偏振轴夹角为45度；其中，θ≠Nπ，N为整数。

其中，数据处理单元108为电脑；所述光源101为宽谱光源。

工作原理：光源101输出的激光经过扩束准直透镜102后变为平行光输出，该输出光经起偏器103起偏后变为一线偏振光，该线偏振光入射进待测双折射晶体104中，该双折射晶体将入射线偏振光分解为偏振方向相互垂直的两路光，两路光经检偏器105后入射到一自聚焦透镜106中,该透镜将空间光耦合进光纤，其输出光通过光谱仪107接收。起偏器103的偏振轴必须调节成与双折射晶体的任意偏振轴有一定的夹角，检偏器105必须调节成与双折射晶体的任意一偏振轴成45度夹角。

光经过起偏器103后变为线偏振光，如果该起偏器的偏振方向与双折射晶体的快轴的夹角为θ，则该线偏振光将分解为两路光并分别在双折射晶体的快轴和慢轴上传播。假设起偏器103输出的线偏振光为I_o(ω)，则双折射晶体中传输的偏振方向相互垂直的两路光可表示为：

I_x＝I_o(ω)cos²θ

I_y＝I_o(ω)sin²θ

两路光分别在晶体的快轴和慢轴上传输，经过一厚度为d的双折射晶体后，由于晶体两个偏振传输轴的折射率不同，导致两路光经过双折射晶体后，它们之间有一定的时延差。两路偏振方向相互垂直的光经过检偏器45度检偏后，它们的偏振方向将在同一方向。具有一定光程差的振动方向相同的两路光即使超出了光源的相干长度，在频域上仍然有干涉条纹的存在。因此，两路光经过检偏器后，在频域上便形成了干涉条纹，通过光谱仪便可直接得到该光谱干涉条纹，光谱仪接收到的干涉条纹在频域上可表示为：

其中，φ(ω)为两路光经双折射晶体后的光程差，该光谱干涉条纹如图2。

调节起偏器103与双折射晶体偏振轴的角度可以调整干涉光谱图的对比度，进而可以调整上图中干涉光谱图的峰峰值。对该光谱干涉条纹进行傅里叶变换，就可以得到一个直流项和一个交流项，如图3所示。图中交流项和直流项之间的时间差等于待测双折射晶体输出的两路光之间的时延差，根据交直流项之间的延时差t，光速c和双折射晶体的折射率n得到待测双折射晶体的厚度h＝ct/n。

该方法的厚度测量灵敏度有光源的中心波长λ₀和光源谱宽Δλ决定，厚度测量灵敏度

测量系统系的厚度测量灵敏度为微米量级。本实施例中，光源中心波长为860nm，谱宽为50nm，则系统的厚度测量灵敏度为14微米。

本实施例中的测量装置用于双折射晶体厚度测量。

本实施例还提供一种基于光谱干涉装置的测量系统的测量方法，包括：

(1)打开光源101，旋转起偏器103调整夹角θ，观察光谱仪接收到的光谱条纹，使其干涉对比度最佳，获得最佳干涉条纹，干涉条纹为：

(2)使用光谱仪采集步骤(1)所述最佳光谱干涉条纹，数据处理单元108对步骤(1)中最佳干涉条纹进行傅里叶变换，得到交流项及直流项；

(3)根据步骤(2)交流项及直流项的时间间隔，计算出待测双折射晶体104的延迟量t；

(4)根据步骤(3)所述延迟量t及待测双折射晶体104的折射率n，计算出待测双折射晶体104的厚度h：

h＝ct/n；

测试灵敏度d为：

其中，λ₀为光源的中心波长，Δλ为光源谱宽，c为光速，t为待测双折射晶体104的延迟量。

通过将所述步骤(2)中傅里叶变换优化为快速傅里叶变换，能够加快测试方法的测试速度，提高测试效率。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种基于光谱干涉装置的测量系统，其特征在于：所述测量系统包括光源(101)，与光源(101)依次连接的扩束准直透镜(102)、起偏器(103)、检偏器(105)、自聚焦透镜(106)、光谱仪(107)及数据处理单元(108)；待测双折射晶体(104)连接于所述起偏器(103)与检偏器(105)之间；

所述起偏器(103)用于将经扩束准直透镜(102)输出的平行光起偏为线偏振光；

所述起偏器(103)的偏振轴与待测双折射晶体(104)的任意偏振轴有夹角θ；

所述检偏器(105)与待测双折射晶体(104)的任意偏振轴夹角为45度；

其中，θ≠Nπ，N为整数。

2.根据权利要求1所述的基于光谱干涉装置的测量系统，其特征在于：所述数据处理单元(108)为PC机。

3.根据权利要求1所述的基于光谱干涉装置的测量系统，其特征在于：所述光源(101)为宽谱光源。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于光谱干涉装置的测量系统，其特征在于：所述测量装置用于双折射晶体厚度测量。