CN107356409A - 一种偏振消光棱镜消光比的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振消光棱镜消光比的测量装置及测量方法，属于光学检测技术领域，其目的在于提供一种测量范围大的偏振消光棱镜消光比的测量装置及测量方法，不仅能测量消光比在10^‑2‑10^‑3量级的普通偏振片的消光比，还能对消光比低至10^‑6量级的棱镜消光比进行测量。该测量装置、测量方法采用干涉的方法将垂直透射光强进行放大，可有效解决垂直透射光透射率太低无法准确测量的问题，通过对平行透射光进行衰减减小与垂直透射光光强之间的差距，解决了垂直透射和平行透射两光强差距太大超过探测器线性响应范围的问题。根据干涉信号的振幅分别得到垂直和平行透射光束的光强，再通过数据处理得到待测样品的消光比。

Description

一种偏振消光棱镜消光比的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，涉及一种消光比的测量装置及方法，尤其涉及一种棱镜的消光比的测量。

背景技术

偏振消光棱镜(如格兰-泰勒棱镜)是产生线偏振光最常用的器件之一，与薄膜偏振片和二向色性偏振片等普通偏振器件相比，棱镜的消光比很容易达到10^-6量级(薄膜偏振片和二向色性偏振片消光比一般在10^-2～10^-3量级)；强大的偏振消光能力使得棱镜在偏振光学系统中被广泛使用。

消光比的定义为：ρ＝T^⊥/T^//，其中，T^//和T^⊥分别是入射光的振动方向对偏光器件主截面的平行分量和垂直分量的透过率。消光比是表征偏振器件对光束偏振控制能力的重要参数，其直接决定了偏振光学系统的性能和安全运行。目前，常用的消光比测量方法是分别测量平行分量和垂直分量的透过率，然后根据消光比定义直接计算得到待测器件的消光比。这类方法的优点在于其测量装置和测量步骤简单、便于实际操作；但要分别测量平行分量和垂直分量的透过率，一般需要在光路中加入消光性能更高的偏振器件(其消光比至少应比待测器件的消光比低1个数量级以上)作为滤波器,以使两个偏振方向的透射光分离。在对普通偏振片进行测量时通常需将棱镜作为滤波器使用，分别对透射光的平行分量和垂直分量进行测量。此外，传统的消光比测量方法只能针对消光比在10^-2-10^-3量级的薄膜或二向色性等普通偏振片。

当把棱镜作为待测对象时，通常无法找到比它消光性能更好的滤波器。且由于偏振消光棱镜的消光比在10^-6量级，即平行分量和垂直分量的透射比差6个数量级，这远超出了现有光电探测器的线性响应范围，传统的消光比测量方法无法对偏振消光棱镜进行精确测量。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种测量范围大的偏振消光棱镜消光比的测量装置及测量方法，不仅能测量消光比在10^-2-10^-3量级的普通偏振片的消光比，还能对消光比低至10^-6量级的棱镜消光比进行测量。

本发明采用的技术方案如下：

一种偏振消光棱镜消光比的测量装置，包括沿光路方向依次设置的线偏振光输出激光器、第一分束镜、测试光路、第二分束镜、光电探测器、锁相放大器和计算机，所述测试光路包括信号光路、参考光路，所述信号光路中的斩波器与锁相放大器连接；

所述线偏振光输出激光器产生的激光经第一分束镜后分为参考光、信号光，所述参考光入射至参考光路并射出参考光路，所述信号光入射至信号光路并射出信号光路，参考光、信号光经第二分束镜后进行合束、干涉，并由光电探测器进行探测，探测到的信号经由锁相放大器后输至计算机。

其中，所述信号光路包括沿光路方向依次设置的第一反射镜、第二格兰-泰勒棱镜、样品、第三格兰-泰勒棱镜、斩波器和第二反射镜。

其中，所述参考光路包括沿光路方向依次设置的光束回返镜、光束开关、第一格兰-泰勒棱镜。

其中，所述第一分束镜、第二分束镜的透射率、反射率均为50％。

其中，所述信号光路中的第二格兰-泰勒棱镜、第三格兰-泰勒棱镜以及参考光路中的第一格兰-泰勒棱镜均为偏振消光棱镜，且偏振消光棱镜的消光比低于2×10^-6。

一种偏振消光棱镜消光比的测量方法，步骤如下：

步骤一，调整测量装置的第一格兰-泰勒棱镜、测量装置的第二格兰-泰勒棱镜、测量装置的第三格兰-泰勒棱镜的平行透射振动方向均与测量装置的线偏振光输出激光器的振动方向相同；

步骤二，关闭测量装置的光束开关，并将样品放入测量装置的信号光路中，旋转样品的方向，使测量装置的锁相放大器探测到的光强达到最小值，然后打开光束开关、测量装置的斩波器，通过测量装置的锁相放大器得到探测光的光强I_⊥，并通过公式1测得垂直透射光的振幅E_⊥(ω)，

I_⊥＝2Re[E_ref(ω)E_⊥(ω)exp(iωτ_d)] (1)

其中，ω为线偏振光输出激光器产生的激光的频率，i为虚数，τ_d为参考光路与信号光路的光程差，E_ref(ω)为参考光的振幅；

步骤三，将样品旋转角度δ，通过测量装置的锁相放大器得到探测光的平行透射光强I_||，并通过公式2测得平行透射光的振幅E_||(ω)，

I_||sin²δ＝|E_||(ω)sinδ|²+2Re[E_ref(ω)sinδE_||(ω)exp(iωτ_d)] (2)

其中，δ为样品旋转的角度；

步骤四，关闭光束开关，通过测量装置的锁相放大器得到平行透射光强直流项|E_||(ω)sinδ|²，然后通过公式3测得样品的消光比，

该测量方法中的测量装置可采用上述的测量装置。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中，在测试光路中引入参考光路，并采用干涉的方法将垂直透射光(入射光的振动方向与棱镜主截面垂直)进行放大；在测量平行透射光强时，将样品旋转一个小角度，并利用马吕斯定律将平行透射光(入射光的振动方向与棱镜主截面平行)进行衰减，从而有效减小垂直透射光强与平行透射光强之间的差距；结合垂直透射光的干涉放大技术以及将样品旋转小角度，可把平行透射光和垂直透射光的光强差距从10万倍减小到100倍甚至几十倍，使得在同一探测器的线性响应范围内测量偏振消光棱镜的平行透射光强和垂直透射光强成为可能，有效解决了垂直透射光透过率太低(低于10^-4)无法准确测量的问题；该测量方法具有测量精度高，测量范围大的优点，不仅能测量消光比在10^-2-10^-3量级的普通偏振片的消光比，还能对消光比低至10^-6量级的偏振消光棱镜的消光比进行测量，大大扩大了现有消光比测量技术的测量范围，该测量范围基本覆盖了现有偏振消光器件所能达到的消光比范围，解决了部分偏振消光器件超低消光比参数无法测量的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中标记：1-线偏振光输出激光器、2-第一分束镜、3-光束回返镜、4-光束开关、5-第一格兰-泰勒棱镜、6-第二分束镜、7-第一反射镜、8-第二格兰-泰勒棱镜、9-样品、10-第三格兰-泰勒棱镜、11-斩波器、12-第二反射镜、13-光电探测器、14-锁相放大器、15-计算机处理系统。

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，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种偏振消光棱镜消光比的测量装置，包括有线偏振光输出激光器、第一分束镜、测试光路、第二分束镜、光电探测器、锁相放大器和计算机，该测试光路包括信号光路、参考光路。该线偏振光输出激光器为整个测量装置提供光源，该线偏振光输出激光器的出射光为线偏振光，且线偏振光输出激光器的出射光的波长为样品的工作波长。该线偏振光输出激光器的出射光直接入射至第一分束镜，出射光在第一分束镜上被分为两束光，出射光在第一分束镜上产生反射形成参考光，出射光在第一分束镜上产生透射形成信号光。该参考光直接入射至参考光路内，并在参考光路内进行传输。该信号光直接入射至信号光路内，并在信号光路内进行传输。该信号光从信号光路射出后入射至第二分束镜，该参考光从参考光路射出后入射至第二分束镜，该参考光、信号光在经第二分束镜后进行合束、干涉并最终由光电探测器探测到，然后光电探测器与锁相放大器电连接，锁相放大器与计算机电连接，且锁相放大器还与信号光路中的斩波器电连接，斩波器和锁相放大器配合使用，用于垂直透射光探测时的信号放大。此外，光电探测器探测到的信号经由锁相放大器后输至计算机。

该信号光路包括有第一反射镜、第二格兰-泰勒棱镜、样品、第三格兰-泰勒棱镜、斩波器和第二反射镜，第一反射镜、第二格兰-泰勒棱镜、样品、第三格兰-泰勒棱镜、斩波器和第二反射镜沿光路方向依次设置；信号光在信号光路内依次通过第一反射镜、第二格兰-泰勒棱镜、样品、第三格兰-泰勒棱镜、斩波器和第二反射镜，信号光经由第二反射镜反射后射出信号光路，然后入射至第二分束镜。

该参考光路包括光束回返镜、光束开关、第一格兰-泰勒棱镜，光束回返镜、光束开关、第一格兰-泰勒棱镜沿光路方向依次设置；该光束开关用于光束的开端，参考光在参考光路内依次通过光束回返镜、光束开关、第一格兰-泰勒棱镜，参考光经由第一格兰-泰勒棱镜透射后射出参考光路，然后入射至第二分束镜。

该第一分束镜的透射率、反射率均为50％，第二分束镜的透射率、反射率均为50％。

该光束回返镜还配合设置有PZT驱动器，通过该PZT驱动器可调整信号光路、参考光路的光程差。

该信号光路中的第二格兰-泰勒棱镜、第三格兰-泰勒棱镜以及参考光路中的第一格兰-泰勒棱镜均为偏振消光棱镜，且偏振消光棱镜的消光比低于2×10^-6，通过偏振消光棱镜调节光束的线偏振状态、振动方向。

一种偏振消光棱镜消光比的测量方法，步骤如下：

步骤一，搭建上述任一所述的测试装置，调整第一格兰-泰勒棱镜、第二格兰-泰勒棱镜、第三格兰-泰勒棱镜的平行透射振动方向，使第一格兰-泰勒棱镜、第二格兰-泰勒棱镜、第三格兰-泰勒棱镜的平行透射振动方向均与线偏振光输出激光器的振动方向相同，即光路处于通光状态。具体调整法法为：通过光电探测器实时探测光强，然后旋转第一格兰-泰勒棱镜、第二格兰-泰勒棱镜、第三格兰-泰勒棱镜的方向，直到锁相放大器探测到的光强达到最大。

步骤二，关闭光束开关，并将样品放入信号光路中，旋转样品的方向，实时检测光电传感器，直到锁相放大器探测到的光强达到最小值；然后打开光束开关、斩波器，线偏振光输出激光器输出光用分束器分成两束，其中一束参考光通过光束回返镜以及棱镜进行光程和偏振方向调节，另一束信号光通过第二格兰-泰勒棱镜、样品以及斩波器后与参考光合束、干涉后用锁相放大器探测，通过锁相放大器得到垂直透射光光强I_⊥，并通过公式1测得垂直透射光的振幅E_⊥(ω)，

I_⊥＝2Re[E_ref(ω)E_⊥(ω)exp(iωτ_d)] (1)

其中，ω为线偏振光输出激光器产生的激光的频率，i为虚数，τ_d为参考光路与信号光路的光程差，E_ref(ω)为参考光的振幅；

公式1的推导过程为：I_⊥＝|E_⊥(ω)|²+2Re[E_ref(ω)E_⊥(ω)exp(iωτ_d)] (4)

由于E_ref(ω)＞＞E_⊥(ω)，因而公式4可进一步简化为公式1。

步骤三，将样品旋转角度δ，通过测量装置的锁相放大器得到探测光的平行透射光强I_||，并通过公式2测得平行透射光的振幅E_||(ω)，

I_||sin²δ＝|E_||(ω)sinδ|²+2Re[E_ref(ω)sinδE_||(ω)exp(iωτ_d)] (2)

其中，δ为样品旋转的角度；

步骤四，关闭光束开关，通过测量装置的锁相放大器得到平行透射光强直流项|E_||(ω)sinδ|²，然后通过公式3测得样品的消光比，

其中，垂直透射光光强I_⊥通过步骤二直接获得，平行透射光强I_||通过步骤三直接获得，旋转角度δ可通过步骤三直接测得，ω为线偏振光输出激光器产生的激光的频率。

实施例1

一种偏振消光棱镜消光比的测量装置，包括有线偏振光输出激光器、第一分束镜、测试光路、第二分束镜、光电探测器、锁相放大器和计算机，该测试光路包括信号光路、参考光路。该线偏振光输出激光器为整个测量装置提供光源，该线偏振光输出激光器的出射光为线偏振光，且线偏振光输出激光器的出射光的波长为样品的工作波长。该线偏振光输出激光器的出射光直接入射至第一分束镜，出射光在第一分束镜上被分为两束光，出射光在第一分束镜上产生反射形成参考光，出射光在第一分束镜上产生透射形成信号光。该参考光直接入射至参考光路内，并在参考光路内进行传输。该信号光直接入射至信号光路内，并在信号光路内进行传输。该信号光从信号光路射出后入射至第二分束镜，该参考光从参考光路射出后入射至第二分束镜，该参考光、信号光在经第二分束镜后进行合束、干涉并最终由光电探测器探测到，然后光电探测器与锁相放大器电连接，锁相放大器与计算机电连接，且锁相放大器还与信号光路中的斩波器电连接，斩波器和锁相放大器配合使用，用于垂直透射光探测时的信号放大。此外，光电探测器探测到的信号经由锁相放大器后输至计算机。

实施例2

在实施例一的基础上，该信号光路包括有第一反射镜、第二格兰-泰勒棱镜、样品、第三格兰-泰勒棱镜、斩波器和第二反射镜，第一反射镜、第二格兰-泰勒棱镜、样品、第三格兰-泰勒棱镜、斩波器和第二反射镜沿光路方向依次设置；信号光在信号光路内依次通过第一反射镜、第二格兰-泰勒棱镜、样品、第三格兰-泰勒棱镜、斩波器和第二反射镜，信号光经由第二反射镜反射后射出信号光路，然后入射至第二分束镜。

实施例3

在实施例一或实施例二的基础上，该参考光路包括光束回返镜、光束开关、第一格兰-泰勒棱镜，光束回返镜、光束开关、第一格兰-泰勒棱镜沿光路方向依次设置；该光束开关用于光束的开端，参考光在参考光路内依次通过光束回返镜、光束开关、第一格兰-泰勒棱镜，参考光经由第一格兰-泰勒棱镜透射后射出参考光路，然后入射至第二分束镜。

实施例4

在上述实施例的基础上，该第一分束镜的透射率、反射率均为50％，第二分束镜的透射率、反射率均为50％。

实施例5

在上述实施例的基础上，该信号光路中的第二格兰-泰勒棱镜、第三格兰-泰勒棱镜以及参考光路中的第一格兰-泰勒棱镜均为偏振消光棱镜，且偏振消光棱镜的消光比低于2×10^-6，通过偏振消光棱镜调节光束的线偏振状态、振动方向。

实施例6

一种偏振消光棱镜消光比的测量方法，步骤如下：

步骤一，搭建测试装置，调整第一格兰-泰勒棱镜、第二格兰-泰勒棱镜、第三格兰-泰勒棱镜的平行透射振动方向，使第一格兰-泰勒棱镜、第二格兰-泰勒棱镜、第三格兰-泰勒棱镜的平行透射振动方向均与线偏振光输出激光器的振动方向相同，即光路处于通光状态。具体调整法法为：通过锁相放大器实时探测光强，然后旋转第一格兰-泰勒棱镜、第二格兰-泰勒棱镜、第三格兰-泰勒棱镜的方向，直到锁相放大器探测到的光强达到最大。

步骤二，关闭光束开关，并将样品放入信号光路中，旋转样品的方向，实时检测光电传感器，直到锁相放大器探测到的光强达到最小值；然后打开光束开关、斩波器，线偏振光输出激光器输出光用分束器分成两束，其中一束参考光通过光束回返镜以及棱镜进行光程和偏振方向调节，另一束信号光通过第二格兰-泰勒棱镜、样品以及斩波器后与参考光合束、干涉后用锁相放大器探测，通过锁相放大器得到垂直透射光光强I_⊥，并通过公式1测得垂直透射光的振幅E_⊥(ω)，

I_⊥＝2Re[E_ref(ω)E_⊥(ω)exp(iωτ_d)] (1)

其中，ω为线偏振光输出激光器产生的激光的频率，i为虚数，τ_d为参考光路与信号光路的光程差，E_ref(ω)为参考光的振幅；

公式1的推导过程为：I_⊥＝|E_⊥(ω)|²+2Re[E_ref(ω)E_⊥(ω)exp(iωτ_d)] (4)

由于E_ref(ω)＞＞E_⊥(ω)，因而公式4可进一步简化为公式1。

步骤三，将样品旋转角度δ，通过测量装置的锁相放大器得到探测光的平行透射光强I_||，并通过公式2测得平行透射光的振幅E_||(ω)，

I_||sin²δ＝|E_||(ω)sinδ|²+2Re[E_ref(ω)sinδE_||(ω)exp(iωτ_d)] (2)

其中，δ为样品旋转的角度；

步骤四，关闭光束开关，通过测量装置的锁相放大器得到平行透射光强直流项|E_||(ω)sinδ|²，然后通过公式3测得样品的消光比，

其中，垂直透射光光强I_⊥通过步骤二直接获得，平行透射光强I_||通过步骤三直接获得，旋转角度δ可通过步骤三直接测得，ω为线偏振光输出激光器产生的激光的频率。

实施例7

在实施例六的基础上，该测试装置采用实施例一至实施例五中任一实施例所述的测试装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种偏振消光棱镜消光比的测量装置，其特征在于：包括沿光路方向依次设置的线偏振光输出激光器(1)、第一分束镜(2)、测试光路、第二分束镜(6)、光电探测器(13)、锁相放大器(14)和计算机(15)，所述测试光路包括信号光路、参考光路，所述信号光路中的斩波器(11)与锁相放大器(14)连接；

所述线偏振光输出激光器(1)产生的激光经第一分束镜(2)后分为参考光、信号光，所述参考光入射至参考光路并射出参考光路，所述信号光入射至信号光路并射出信号光路，参考光、信号光经第二分束镜(6)后进行合束、干涉，并由光电探测器(13)进行探测，探测到的信号经由锁相放大器(14)后输至计算机(15)。

2.如权利要求1所述的一种偏振消光棱镜消光比的测量装置，其特征在于：所述信号光路包括沿光路方向依次设置的第一反射镜(7)、第二格兰-泰勒棱镜(8)、样品(9)、第三格兰-泰勒棱镜(10)、斩波器(11)和第二反射镜(12)。

3.如权利要求1所述的一种偏振消光棱镜消光比的测量装置，其特征在于：所述参考光路包括沿光路方向依次设置的光束回返镜(3)、光束开关(4)、第一格兰-泰勒棱镜(5)。

4.如权利要求1所述的一种偏振消光棱镜消光比的测量装置，其特征在于：所述第一分束镜(2)、第二分束镜(6)的透射率、反射率均为50％。

5.如权利要求1所述的一种偏振消光棱镜消光比的测量装置，其特征在于：所述信号光路中的第二格兰-泰勒棱镜(8)、第三格兰-泰勒棱镜(10)以及参考光路中的第一格兰-泰勒棱镜(5)均为偏振消光棱镜，且偏振消光棱镜的消光比低于2×10^-6。

6.一种偏振消光棱镜消光比的测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一，调整测量装置的第一格兰-泰勒棱镜(5)、测量装置的第二格兰-泰勒棱镜(8)、测量装置的第三格兰-泰勒棱镜(10)的平行透射振动方向均与测量装置的线偏振光输出激光器(1)的振动方向相同；

步骤二，关闭测量装置的光束开关(4)，并将样品(9)放入测量装置的信号光路中，旋转样品(9)的方向，使测量装置的锁相放大器(14)探测到的光强达到最小值，然后打开光束开关(4)、测量装置的斩波器(11)，通过测量装置的锁相放大器(14)得到探测光的光强I_⊥，并通过公式1测得垂直透射光的振幅E_⊥(ω)，

I_⊥＝2Re[E_ref(ω)E_⊥(ω)exp(iωτ_d)] (1)

其中，ω为线偏振光输出激光器(1)产生的激光的频率，i为虚数，τ_d为参考光路与信号光路的光程差，E_ref(ω)为参考光的振幅；

步骤三，将样品(9)旋转角度δ，通过测量装置的锁相放大器(14)得到探测光的平行透射光强I_||，并通过公式2测得平行透射光的振幅E_||(ω)，

I_||sin²δ＝|E_||(ω)sinδ|²+2Re[E_ref(ω)sinδE_||(ω)exp(iωτ_d)] (2)

其中，δ为样品旋转的角度；

步骤四，关闭光束开关(4)，通过测量装置的锁相放大器(14)得到平行透射光强直流项|E_||(ω)sinδ|²，然后通过公式3测得样品的消光比，

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7.如权利要求6所述的一种偏振消光棱镜消光比的测量方法，其特征在于：所述测量装置包括沿光路方向依次设置的线偏振光输出激光器(1)、第一分束镜(2)、测试光路、第二分束镜(6)、光电探测器(13)、锁相放大器(14)和计算机(15)，所述测试光路包括信号光路、参考光路，所述信号光路中的斩波器(11)与锁相放大器(14)连接；

所述线偏振光输出激光器(1)产生的激光经第一分束镜(2)后分为参考光、信号光，所述参考光入射至参考光路并射出参考光路，所述信号光入射至信号光路并射出信号光路，参考光、信号光经第二分束镜(6)后进行合束、干涉，并由光电探测器(13)进行探测，探测到的信号经由锁相放大器(14)后输至计算机(15)。