CN110261070B - 一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置及方法 - Google Patents

一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110261070B
CN110261070B CN201910605080.6A CN201910605080A CN110261070B CN 110261070 B CN110261070 B CN 110261070B CN 201910605080 A CN201910605080 A CN 201910605080A CN 110261070 B CN110261070 B CN 110261070B
Authority
CN
China
Prior art keywords
calibration
polarizer
photoelastic modulator
analyzer
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910605080.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110261070A (zh
Inventor
陆吉玺
邢博铮
丁铭
赵俊鹏
房秀杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hangzhou nuochi Life Science Co.,Ltd.
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN201910605080.6A priority Critical patent/CN110261070B/zh
Publication of CN110261070A publication Critical patent/CN110261070A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110261070B publication Critical patent/CN110261070B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0292—Testing optical properties of objectives by measuring the optical modulation transfer function

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置及方法。此装置包含起偏器、光弹调制器、四分之一波片、光电探测器、锁相放大器和计算机，可以实现光弹调制器的峰值相位延迟量和静态相位延迟量的标定。激光器产生的光经过起偏器、光弹调制器、四分之一波片后变为经调制的线偏振光，然后通过检偏器，分析其一倍频和二倍频之间的线性关系，即可得到最终的标定结果。与常用标定方法相比，本发明采用了复合贝塞尔标定函数，使得标定不确定度大幅降低，同时标定范围扩大。另外，由于本方法消除了直流分量引起的随机误差的影响，使得标定精度得到进一步提高。

Description

一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置及方法，属于光学检测领域。
背景技术
光弹调制器是一种基于光弹效应的光学调制器，其广泛应用于精密测量装置中。光弹调制器的基本使用原理是其光学晶体相位延迟量随时间正弦变化，从而对通过晶体的激光产生调制作用。光弹调制器的相位延迟量参数有峰值相位延迟量(peak retardation)和静态相位延迟量(static retardation)，这两个参数的标定精度决定了精密测量装置测量精度，因此，在高精度测量中，必须对其进行标定。
常用光弹调制器贝塞尔函数式标定方法有一阶贝塞尔函数法、二阶贝塞尔函数法等，其不确定度灵敏系数随峰值延迟量增大而增大，导致现有方法标定范围小、标定不确定度较大。另外，现有贝塞尔函数法的光路均为差分光路，且在标定过程中，有时需要变换光路的光学元件，无法实现原位标定。
发明内容
本发明的技术解决问题：提供一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置及方法，采用复合贝塞尔标定函数，克服现有技术的不足，使得标定不确定度大幅降低，同时使标定范围扩大。另外，由于本装置及方法避免了直流分量引起的随机误差的影响，使得标定精度得到进一步提高。
为达到上述目的，本发明提供的解决方案如下：
本发明涉及一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置，包括光学模块和电学模块两部分，如图1所示。光学模块由激光器1、起偏器2、光弹调制器3、四分之一波片4、检偏器5、光电探测器6构成，电学模块由锁相放大器7、计算机8组成。上述元器件的位置关系如下：
激光器发出激光，经过起偏器变为线偏振光。线偏振光经过光弹调制器和四分之一波片后变为经调制的线偏振光。经调制的线偏振光经过检偏器和光电探测器后，透光轴方向的偏振分量被敏感到，进而由光电探测器转换为电压信号。电压信号进入锁相放大器，锁相放大器参考频率为光弹调制器的调制频率，提取其中一倍频、二倍频成分，并由计算机进行分析。
所述光学元件中，起偏器透光轴与光弹调制器快轴夹角为45°，起偏器透光轴与四分之一波片快轴夹角为0°，起偏器透光轴与检偏器透光轴夹角变化，以提取数据进行线性拟合。
光弹调制器的相位延迟量可表述为：
δ(t)＝δ0sinωt+δs (1)
其中，δ0为光弹调制器峰值相位延迟量(peak retardation)，δs为光弹调制器静态相位延迟量(static retardation)。这样，光弹调制器琼斯矩阵GPEM可以表示为：
Figure BDA0002120541960000021
四分之一波片GQWP和检偏器GPOL的琼斯矩阵可以表示为：
Figure BDA0002120541960000022
Figure BDA0002120541960000023
其中，θPOL为起偏器和检偏器透光轴之间的夹角。
输出光的琼斯矩阵为G＝GPOLGQWPGPEMG0，其光强为I＝G*G。最终，输出一倍频U1和二倍频U2为：
U1＝ηI0·J1(δ0)·sin(δs-2θPOL) (5)
U2＝-ηI0·J2(δ0)·cos(δs-2θPOL) (6)
其中，η是与锁相放大器放大量相关的系数，J1(δ0)和J2(δ0)是一阶、二阶贝塞尔函数。在实验中，使θPOL在14°到32°范围变化，这时，一倍频U1和二倍频U2的系数相当，它们的噪声水平相当。有，
Figure BDA0002120541960000024
通过U1 2和
Figure BDA0002120541960000025
的线性拟合，得到的拟合直线斜率为：
Figure BDA0002120541960000026
fc(δ0)即标定方法的标定函数。这样，通过拟合直线的斜率可以估计出峰值相位延迟量δ0。另有，
Figure BDA0002120541960000027
通过θPOL和计算角
Figure BDA0002120541960000031
的线性拟合，得到的拟合直线截距为-δs。这样，通过拟合直线的截距可以估计出静态相位延迟量δs。
本发明的一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定方法，包含以下步骤：
a.构建上述基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器的标定装置的光学模块，安装激光器，调整起偏器和检偏器以达到消光位置，此时起偏器和检偏器透光轴夹角为90°，安装四分之一波片，调整波片使得装置再次达到消光位置，此时起偏器透光轴与波片快轴夹角为0°，安装光弹调制器，光弹调制器光学探头上标明快轴位置，调整光弹调制器使得起偏器透光轴与光弹调制器快轴夹角为45°；
b.构建上述基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置的电学模块，调节锁相放大器，使其参考频率为光弹调制器输出频率，并使其输出电压信号的一倍频和二倍频；
c.转动检偏器，记录起偏器透光轴与检偏器透光轴夹角θPOL，锁相放大器输出的一倍频电压U1和二倍频电压U2；
d.对一倍频电压的平方U1 2和二倍频电压的平方
Figure BDA0002120541960000032
进行线性拟合，得到拟合直线的斜率，即可计算峰值相位延迟量δ0；
e.根据采集的一倍频电压和二倍频电压，求计算角
Figure BDA0002120541960000033
大小，其中，J1(δ0)和J2(δ0)是一阶、二阶贝塞尔函数。对起偏器透光轴与检偏器透光轴夹角和计算角进行线性拟合，拟合直线的截距相反数为静态相位延迟量δs。
在上述步骤c标定过程中，设定范围是起偏器透光轴与检偏器透光轴夹角14°到32°，使得一倍频电压和二倍频电压噪声大小相近，最终的线性拟合的方法降低了数据的随机误差。
本发明基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定方法提高标定精度和扩大标定范围的原因在于：
(1)标定函数的优化。确定标定函数是光弹调制器标定的核心环节，相位延迟量的不确定度通过标定函数传递。在之前方法中，标定方法的标定函数为贝塞尔函数。例如，标定函数可为一阶贝塞尔函数f1(δ0)＝J1(δ0)或二阶贝塞尔函数f2(δ0)＝J2(δ0)。在本发明中，标定函数变为贝塞尔函数的复合函数fc(δ0)。如图2所示，现有方法标定函数为f1(δ0)、f2(δ0)，其不确定度灵敏系数均为增函数，这样会导致在大相位延迟量时标定不确定度增加。但本发明提出的复合贝塞尔函数不确定度灵敏度系数随相位延迟量为减函数，使得标定范围增加。另外，标定函数变化后，不确定度灵敏度系数降低2倍以上，标定精度得以提高。
(2)标定过程中抑制随机误差。常规标定方法中，直流分量常被用来估计光强大小。但直流分量信号的不确定度要远大于倍频信号，常用方法体现不出调制器的作用。本方法完全舍弃直流分量，只利用一倍频和二倍频信号的关系，标定过程随机误差得到抑制。数据处理过程中，通过线性拟合的方法，进一步降低了随机误差影响。
(3)实现原位标定。现在超高灵敏度原子磁强计检测光路不含有偏振分光棱镜，常规标定方法光路需要偏振分光棱镜，常规标定方法无法其原位标定。本标定方法不使用差分原理，不需要偏振分光棱镜，可以实现超高灵敏度原子磁强计的原位标定。
附图说明
图1为本发明中标定方法的实验结构装置图；
激光器1、起偏器2、光弹调制器3、四分之一波片4、检偏器5、光电探测器6，锁相放大器7、计算机8。
图2为三种常用方法的不确定度灵敏系数图。
虚线表示标定函数为f1(δ0)＝J1(δ0)的方法的不确定度灵敏系数随峰值相位延迟量变化趋势，点划线表示标定函数为f2(δ0)＝J2(δ0)的方法的不确定度灵敏系数随峰值相位延迟量变化趋势，直线表示本专利方法的不确定度灵敏系数随峰值相位延迟量变化趋势。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置，包括：光学模块和电学模块两部分。光学模块由激光器1、起偏器2、光弹调制器3、四分之一波片4、检偏器5、光电探测器6构成，电学模块由锁相放大器7、计算机8组成。其装置结构说明如下。激光器1发出激光，经过起偏器2变为线偏振光。线偏振光经过光弹调制器3后变为经调制的圆偏振光，再经过四分之一波片4后变为经调制的线偏振光，其偏振中心偏离原方向静态相位延迟量，振动频率为光弹调制器调制频率，振动幅度为光弹调制器的峰值相位延迟量，经调制的线偏振光经过检偏器5和光电探测器6后，透光轴方向的偏振分量被敏感到，进而由光电探测器转换为电压信号。电压信号进入锁相放大器7，锁相放大器参考频率为光弹调制器的调制频率，提取其中一倍频、二倍频成分，并由计算机8进行分析。所述光学元件中，起偏器透光轴与光弹调制器快轴夹角为45°，起偏器透光轴与四分之一波片快轴夹角为0°，起偏器透光轴与检偏器透光轴夹角在14°到32°范围变化。
本发明具体的标定方法的过程如下：
a、如图1所示搭建实验光路。搭建实验光路过程中，要格外注意各光学元器件之间的角度关系，保证起偏器透光轴与光弹调制器快轴夹角为45°，起偏器透光轴与四分之一波片快轴夹角为0°。这是因为光学元件之间的角度误差可以影响最终的标定结果。另外，激光功率应控制在5mW以下，以免过强的光强带来的非线性效应影响标定结果；波长应与光学元件尤其是光弹调制器的设置相匹配。光斑大小应由光学元件和光电检测器检测面积大小决定。
b、转动检偏器，使得检偏器角度在14°到32°之间变化，具体转动角度可以细微调整以方便读取数据。在记录数据的过程中，应注意锁相放大器相位的变化。
c、一倍频电压的平方U1 2和二倍频电压的平方
Figure BDA0002120541960000051
有如下关系：
Figure BDA0002120541960000052
δ0为光弹调制器峰值相位延迟量，J1(δ0)和J2(δ0)为一阶和二阶贝塞尔函数值，I0为入射光强，η为锁相放大器放大系数；通过一倍频平方U1 2和二倍频平方
Figure BDA0002120541960000053
的线性拟合，得到斜率，并与理论值对比，可以得到光弹调制器峰值相位延迟量δ0的大小。
d、偏振片转动角θPOL和计算角
Figure BDA0002120541960000054
的关系如下：
Figure BDA0002120541960000055
对起偏器透光轴与检偏器透光轴夹角θPOL和计算角
Figure BDA0002120541960000056
进行线性拟合，拟合直线的截距相反数为静态相位延迟量δs。
这样就实现了对光弹调制器峰值相位延迟量和静态相位延迟量的标定。
本发明基于输出光强一倍频、二倍频和光学元件相对角度之间的线性关系，通过对多组输出光强的线性拟合，从而完成对光弹调制器相位延迟量参数的标定，优化了标定函数，使得标定精度提高了两倍以上，且将理论标定范围扩大了一倍；实现过程中舍弃了直流分量，通过倍频之间的关系进行标定使得标定精度得到进一步的提升。
本发明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置，其特征在于：包括光学模块和电学模块两部分；所述光学模块包括：激光器、起偏器、光弹调制器、四分之一波片、检偏器、光电探测器；所述电学模块包括：锁相放大器、计算机；激光器发出激光，经过起偏器变为线偏振光，线偏振光经过光弹调制器和四分之一波片后变为经调制的线偏振光；经调制的线偏振光经过检偏器和光电探测器后，透光轴方向的偏振分量被敏感，进而由光电探测器转换为电压信号；电压信号进入锁相放大器，锁相放大器参考频率为光弹调制器的调制频率，提取其中一倍频、二倍频成分，并由计算机进行分析，起偏器透光轴与光弹调制器快轴夹角为45°，起偏器透光轴与四分之一波片快轴夹角为0°；
标定过程为：
a.安装激光器，调整起偏器和检偏器以达到消光状态，此时起偏器和检偏器透光轴夹角为90°，安装四分之一波片，调整波片使得装置再次达到消光状态，此时起偏器透光轴与波片快轴夹角为0°，安装光弹调制器，调整光弹调制器使得起偏器透光轴与光弹调制器快轴夹角为45°；
b.调节锁相放大器，使其参考频率为光弹调制器输出频率，并使其输出电压信号的一倍频和二倍频；
c.转动检偏器，记录起偏器透光轴与检偏器透光轴夹角θPOL，锁相放大器输出的一倍频电压U1和二倍频电压U2；
d.对一倍频电压的平方
Figure FDA0002499294410000011
和二倍频电压的平方
Figure FDA0002499294410000012
进行线性拟合，得到拟合直线的斜率，即可计算峰值相位延迟量δ0；
e.根据采集的一倍频电压和二倍频电压，求计算角
Figure FDA0002499294410000013
大小，其中，J1(δ0)和J2(δ0)是一阶、二阶贝塞尔函数；对起偏器透光轴与检偏器透光轴夹角和计算角进行线性拟合，拟合直线的截距相反数为静态相位延迟量δs。
2.根据权利要求1所述的基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置，其特征在于：在步骤c标定过程中，转动检偏器使其透光轴与起偏器透光轴夹角范围为14°到32°。
CN201910605080.6A 2019-07-05 2019-07-05 一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置及方法 Active CN110261070B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910605080.6A CN110261070B (zh) 2019-07-05 2019-07-05 一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910605080.6A CN110261070B (zh) 2019-07-05 2019-07-05 一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110261070A CN110261070A (zh) 2019-09-20
CN110261070B true CN110261070B (zh) 2020-07-03

Family

ID=67924669

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910605080.6A Active CN110261070B (zh) 2019-07-05 2019-07-05 一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110261070B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113358604B (zh) * 2021-06-02 2022-11-01 天津大学 一种斜入射式光谱型反射差分测量装置及方法
CN113959683B (zh) * 2021-10-25 2024-02-23 北京航空航天大学 基于光弹调制器的深调制光学旋光角检测装置及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6813028B2 (en) * 2002-07-25 2004-11-02 Agilent Technologies, Inc. Calibration methodology and system for optical network analyzer
TW200606406A (en) * 2004-08-09 2006-02-16 Yu-Faye Chao A calibration technique for phase retardation of photoelastic modulator with data acquisition system
CN105675039A (zh) * 2016-01-15 2016-06-15 复旦大学 一种光弹调制器的任意峰值延迟量的校准方法
WO2017139436A8 (en) * 2016-02-10 2017-09-28 Applied Photophysics Limited Methods of improving the retardation accuracy and stability of photoelastic modulator devices
CN105954014B (zh) * 2016-07-15 2018-04-13 中北大学 一种基于双pem的中红外波片位相延迟精确测量方法
CN107976299A (zh) * 2017-11-15 2018-05-01 中北大学 考虑光谱色散的弹光调制器延迟量定标分析方法及装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6813028B2 (en) * 2002-07-25 2004-11-02 Agilent Technologies, Inc. Calibration methodology and system for optical network analyzer
TW200606406A (en) * 2004-08-09 2006-02-16 Yu-Faye Chao A calibration technique for phase retardation of photoelastic modulator with data acquisition system
CN105675039A (zh) * 2016-01-15 2016-06-15 复旦大学 一种光弹调制器的任意峰值延迟量的校准方法
WO2017139436A8 (en) * 2016-02-10 2017-09-28 Applied Photophysics Limited Methods of improving the retardation accuracy and stability of photoelastic modulator devices
CN105954014B (zh) * 2016-07-15 2018-04-13 中北大学 一种基于双pem的中红外波片位相延迟精确测量方法
CN107976299A (zh) * 2017-11-15 2018-05-01 中北大学 考虑光谱色散的弹光调制器延迟量定标分析方法及装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"精确标定光弹调制器的新方法";曾爱军等;《光学学报》;20050617;第25卷(第6期);第800-801页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110261070A (zh) 2019-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106225667B (zh) 一种单频激光干涉仪非线性误差补偿装置
CN104535192B (zh) 基于旋转波片法的斯托克斯偏振仪误差标定和补偿方法
KR101949109B1 (ko) 재구성가능한 분광 타원계
CN107131902B (zh) 一种用于光弹调制器峰值延迟量的标定方法
CN110261070B (zh) 一种基于复合贝塞尔标定函数的光弹调制器标定装置及方法
Nguyen et al. Error correction for calibration and data reduction in rotating-polarizer ellipsometry: applications to a novel multichannel ellipsometer
CN102735430B (zh) 位相延迟的检测方法及检测装置
CN107655599B (zh) 一种光学元件微小应力的测量方法
CN105136681A (zh) 一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置
US20130021609A1 (en) Modulated ellipsometer for the determination of the properties of optical materials
CN113899533B (zh) 一种测量反射式体光栅性能的装置及方法
Postava et al. Null ellipsometer with phase modulation
CN116582655A (zh) 一种投影仪温漂抑制方法
Yallapragada et al. Direct measurement of the Goos-Hänchen shift using a scanning quadrant detector and a polarization maintaining fiber
US5737082A (en) Method of electro-optical measurement for vector components of electric fields and an apparatus thereof
CN108896181B (zh) 一种基于弹光调制器和声光的光谱偏振成像装置
CN105241820A (zh) 一种弹光调制和电光调制级联的相位调制型椭偏仪
CN102937515B (zh) 正弦相位调制器峰值延迟量的标定装置和标定方法
CN113758871A (zh) 一种基于液晶相位延迟器的偏振组件穆勒矩阵优化方法
Quan et al. Method for simultaneously calibrating peak retardation and static retardation of a photoelastic modulator
CN113959683B (zh) 基于光弹调制器的深调制光学旋光角检测装置及方法
RU2775357C1 (ru) Способ определения "быстрой" оптической оси четвертьволновой пластинки
JP2713190B2 (ja) 光学特性測定装置
JP2020008410A (ja) 電場ベクトル計測の校正方法
RU2433414C1 (ru) Волоконно-оптический датчик тока

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210512

Address after: 310051 room 307, 3 / F, building 2, 88 Jiangling Road, Binjiang District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Patentee after: Hangzhou Dehan Medical Technology Co.,Ltd.

Address before: 100191 No. 37, Haidian District, Beijing, Xueyuan Road

Patentee before: BEIHANG University

TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210723

Address after: 310051 Room 101, 1f, No. 12, Chengye Road, Puyan street, Binjiang District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Patentee after: Hangzhou nuochi Life Science Co.,Ltd.

Address before: 310051 room 307, 3 / F, building 2, 88 Jiangling Road, Binjiang District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Patentee before: Hangzhou Dehan Medical Technology Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right