CN110631806B - 一种快速测量宽波段波片相位延迟量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测量宽波段波片相位延迟量的装置及方法，装置由波长可调谐激光光源、起偏偏振片、待检波片、检偏偏振片、能量探测组件组成，待检波片位于两片偏振片中间，旋转待检波片导致出射光能量变化，通过测试出光能量的方式来准确标定波片相位延迟量。本发明的方法基于偏振光在器件中传播的穆勒矩阵和斯托克斯矢量表示法，将待检波片放置于两片透光轴方向相同的偏振片中间，通过旋转波片测试出光能量的最大值与最小值，利用斯托克斯矢量法推导得出待测波片相位延迟量与出射能量最大值、最小值的对应关系，从而通过测量出射能量来准确快速标定待测波片的相位延迟量。

Description

一种快速测量宽波段波片相位延迟量的装置和方法

技术领域

本发明涉及波片参数的检测及标定，具体涉及一种快速测量宽波段波片相位延迟量的装置和方法。它适用于偏振光学系统、椭圆偏振测量、激光技术等与偏振相关的测量与检测领域。

背景技术

光是一种横波，具有偏振的特性。根据光在偏振器件中传播时偏振态发生改变的性质，人们能够根据需要改变其偏振态。随着对光的偏振性研究的加深,发现偏振具有广泛的应用前景，因此偏振技术开始进入到实用化阶段。偏振信息能够进行对目标的探测，在气象探测、地物遥感探测、水下空间探测、天文探测、医学诊断、图像处理和军事应用等领域起到重要的作用；尤其在量子通信领域，利用光子的偏振态代替经典二进制码(bit)承载编码不同的信息，结合量子纠缠效应能够实现量子密钥的分发，达到量子保密通信的目的，如我国之前成功研制发射的墨子号量子通信卫星。所以，如何更好的应用光的偏振信息已经是一个热门的科研方向，需要研究人员不断研发改进，得到的研究成果也有很宽广的应用领域。

波片是偏振光学领域中常用的光学元件，它是基于晶体双折射特性制成的偏振光学器件,也称相位延迟器。它能够改变光的偏振态，具体原理是其能够产生附加光程差(或相位差)，耦合到偏振光的两个垂直分量上来改变光的偏振态，该光程差称为波片的相位延迟量。常用的波片有1/4波片和1/2波片。波片的相位延迟特性不仅能够改变光的偏振态，还可以应用到光纤通信、光弹力学、光波的偏振态检查以及各种偏振光技术等领域，应用前景十分广泛。目前使用比较广泛的有块状波片和光纤波片，其中块状波片是通过将单轴晶体沿着光轴方向切制而成的厚度均匀的平行薄片。块状波片按制作工艺来分有真零级波片、多级波片、胶合零级波片和消色差波片。光纤波片则是由双折射光纤为材料制成的，又分为应力双折射光纤和几何双折射光纤。

为了检测波片的延迟精度和效果，就需要对波片的相位延迟量进行测量。目前对波片相位延迟的检测有光学补偿法、移相法、电光晶体调制法及激光频率分裂法等。专利号CN201810536990提供了一种波片面相位延迟量的检测方法与装置，利用ZYGO干涉仪测量波片的面相位延迟量，通过厚度来反演波片的相位延迟量，该方法为间接测量相位延迟量，其测试精度有限；专利CN201710229703提供了一种波片快慢轴检测方法，该方法仅提供光轴的检测方法，未涉及相位延迟的测量；专利CN201610029435提供了一种波片检测装置及方法，该方法能够测量包括相位延迟量、快轴方位角、旋光角、快慢轴透过率幅值比角、退偏指数等参数，该方法测试过程过于复杂。

本发明从便于检测和操作的角度出发，提出了一种基于偏振光在器件中传播的穆勒矩阵和斯托克斯矢量表示法，将待检波片放置于两片透光轴方向相同的偏振片中间，仅仅通过旋转波片测试出光能量的最大值与最小值，即可推导得出待测波片相位延迟角与出射能量最大值、最小值的对应关系，从而准确快速标定待测波片的相位延迟量。该方法在实际的生产加工和检测过程中，可以满足便捷和易于操作性的检测要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速测量宽波段波片相位延迟量的装置和方法，主要为了满足实际的大规模生产加工过程中，对波片检测方式的便捷和易于操作性的检测要求。

本发明的方法如附图1所示，它包括波长可调谐激光光源1、起偏器2、带旋转结构的待测波片3、检偏器4和能量探测组件5，波长可调谐激光光源1产生的特定波长激光光束通过起偏器2起偏，起偏后的线偏光经过带旋转结构的待测波片3，再经过检偏器4后被能量探测组件5探测，通过旋转带旋转结构的待测波片3来改变出射光的偏振状态，从而导致能量探测组件5探测到的能量变化，通过能量变化情况来准确快速标定带旋转结构的待测波片3的相位延迟量；通过波长可调谐激光光源1来改变出射激光光束的波长，从而获取宽波段波片的相位延迟量。其中所述的波长可调谐激光光源1波长范围需要与带旋转结构的待测波片3相适应；所述的起偏器2与检偏器4为带旋转结构的偏振片，偏振片的使用波长范围需要覆盖带旋转结构的待测波片3的波长，同时该波段偏振消光比优于5000：1。

本发明提供一种快速测量宽波段波片相位延迟量的装置和方法，其具体实施步骤如下：

1)固定波长可调谐激光光源1和能量探测组件5，使得激光能量可以被能量探测组件5完全探测到，在波长可调谐激光光源1和能量探测组件5之间分别放置起偏器2、检偏器4，使得出射光从起偏器2、检偏器4的中心附近透过，开启波长可调谐激光光源1，使得输出光波长为λ_i；

2)将起偏器2固定在某特定角度，此时起偏器2的透光轴角度为α，其中α为起偏器2光轴与水平方向的夹角。通过旋转检偏器4使得能量探测组件5探测到的能量最小，此时检偏器4所处的透光轴角度与起偏器2正交，再将检偏器4旋转90度，此时检偏器4的透光轴角度也为α，固定起偏器2、检偏器4的角度不变；

3)将带旋转结构的待测波片3放置于起偏器2与检偏器4中间,通过调节带旋转结构的待测波片3的位置和角度,使得波长可调谐激光光源1的出射激光经过带旋转结构的待测波片3中心垂直入射,假设带旋转结构的待测波片3在波长为λ_i时对应的相位延迟为

其快轴所处角度为θ，其中θ是带旋转结构的待测波片3快轴与水平方向的夹角；

4)波长可调谐激光光源1产生的输出光波长为λ_i激光,依次经过起偏器2、带旋转结构的待测波片3、检偏器4后,被能量探测组件(5)探测；

5)通过旋转带旋转结构的待测波片3，旋转过程中通过能量探测组件5探测出的能量最大值E_max和最小值E_min，则带旋转结构的待测波片3的相位延迟为

满足以下公式：

6)改变波长可调谐激光光源1输出的波长λ_i，并重复步骤4、5，最终可以得到带旋转结构的待测波片3在不同波长下对应的相位延迟量，从而带旋转结构的待测波片3获取宽谱段范围内的相位延迟δ(λ)，其中相位延迟量δ是波长λ的函数，波长λ为其自变量。

本发明方法的具体原理如下:

在光学理论中,偏振光分成线偏光、圆偏振光和椭圆偏振光。任何一种偏振光都可用斯托克斯矢量来表示,如附图1所示，波长可调谐激光光源1产生的输出光波长为λ_i激光，对应的斯托克斯矢量

可以表示为

波长可调谐激光光源1产生的输出光波长为λ_i的激光首先通过起偏器2，起偏器2的透光轴角度处于α，其中α为起偏器2光轴与水平方向的夹角。起偏器2的穆勒矩阵M₂可以表示为：

则波长可调谐激光光源1产生的激光经过起偏器2后的状态为：

经过起偏器2后产生线偏振光，该线偏光再经过带旋转结构的待测波片3，假设带旋转结构的待测波片3的相位延迟为

其中

为输入波长λ_i下对应的相位延迟量。快轴所处角度为θ，其中θ是带旋转结构的待测波片3快轴与水平方向的夹角。此时带旋转结构的待测波片3的穆勒矩阵M₃可以表示为：

则波长可调谐激光光源1产生的激光经过起偏器2、带旋转结构的待测波片3后的状态为：

激光最后经过检偏器4进行检偏，其检偏角度与起偏器2角度相同，其透光轴透光轴角度处于α，其穆勒矩阵M₄＝M₂，经过检偏后的偏振状态

为：

由最终的出射光偏振态

可知，出射光的能量E可以表示为：

通过旋转带旋转结构的待测波片3的过程中，可以通过能量探测组件5探测出的能量最大值E_max和E_min，由于入射光偏振态

为确定状态，则

则：

改变波长可调谐激光光源1输出的波长λ_i，可以得到带旋转结构的待测波片3在不同波长下对应的相位延迟量，从而获取宽谱段范围内的相位延迟δ(λ)，其中相位延迟量δ是波长λ的函数，波长λ为其自变量。

本发明提供一种快速测量宽波段波片相位延迟量的装置和方法，该方法的优点在于：1、测量方法简单光路搭建完成后，仅需要旋转带旋转结构的待测波片3，通过输出能量最大值、最小值即可获取波片相位延迟量；2、可以测量不同波长处波片的相位延迟量；3、可以通过输出最大能量值的角度位置，即可标定波片的快慢轴位置；4、采用直接测量法来标定相位延迟，与厚度测量法相比，可以排除材料特性差异，测量精度更高。

附图说明

图1为快速测量宽波段波片相位延迟量的装置。

具体实施方式

以下结合附图1对本发明方法的实施实例进行详细的描述。

本发明中所采用的主要器件描述如下：

1)波长可调谐激光光源1：采用EKSPLA公司的产品，型号为NT342/1/UV。其主要性能参数：其发射波长范围是210到2300nm，其在210到709nm波段光谱扫描间隔为0.1nm，在710到2300nm波段光谱扫描间隔为1nm；

2)起偏器2与检偏器4：起偏器2与检偏器4为带旋转结构的偏振片，其中偏振片采用Thorlabs的产品，型号为LPVIS100，其主要性能参数：工作波段为600-1200nm；偏振消光比为10000：1；口径大小为25mm，有效口径为口径的90％；起偏检偏角度为±20°。旋转结构采用Thorlabs的产品，型号为RSP1D，其主要性能参数：旋转角度为0到360度，夹持口径1英寸。最小读数为0.5度；

3)带旋转结构的待测波片3：待测波片3为带有旋转结构的波片。其中待测波片3需要测定600到900nm的相位延迟量

其中旋转结构采用大恒光电的产品，型号为WPA-30。旋转角度为0到360度，夹持口径30mm。最小读数为0.5度；

4)能量探测组件5：采用Thorlabs公司的产品，型号为PM120D，其主要性能参数：工作波段为400-1100nm；功率测试范围为50nw-50mw；探头为Si探测器；

本发明方法的主光路示意图如附图1所示，具体情况描述如下：

1、按照附图1固定波长可调谐激光光源1、起偏器2、检偏器4和能量探测组件5，调整器件的空间位置，使得激光垂直对中心的通过各器件并被能量探测组件5完全接收到。开启可调谐激光光源1，出射激光。实施例中要求测量带旋转结构的待测波片3的波长范围是600到900nm，将待测波长范围按每10nm为一个测量点划分为一个激光波长λ_i序列为：

λ_i＝600+10i(i＝0,1，···30)

对带旋转结构的待测波片3进行宽波段相位延迟量的测量。其中i为从0到30的自然数。按照i每次步进1，依次出射波长为λ_i的激光光束，其偏振态

由斯托克斯矢量表示为：

首次测试的i＝0，λ₀＝600nm；

2、激光通过透光轴角度为α的起偏器2,其中α为起偏器2光轴与水平方向的夹角。α的大小为任意大小，本次实例中透光轴的角度α＝0度。即透光轴呈水平状态。旋转检偏器4使得能量探测组件5探测到的能量最小，此时检偏器4所处的透光轴角度与起偏器2正交，再将检偏器4旋转90度，此时检偏器4的透光轴也呈水平状态。此时起偏器2、检偏器4的穆勒矩阵M₂、M₄可以表示为：

3、将带旋转结构的待测波片3放入起偏器2和检偏器4之间,调整其空间位置使得激光垂直对中心的通过。假设其在入射波长为λ_i对应的相位延迟为

此时带旋转结构的待测波片3快轴所处角度为θ，其中θ是带旋转结构的待测波片3快轴与水平方向的夹角，则其用穆勒矩阵M₃表示为：

4、开启波长可调谐激光光源1，产生波长为λ_i的激光,依次经过起偏器2、带旋转结构的待测波片3、检偏器4后,被能量探测组件5探测,最终的出射光偏振态

表示为：

5、根据穆勒矩阵和斯托克斯矢量表示法得知出射光的能量E和波片相关参数存在如下关系：

其中波片的旋转角度θ的范围是0到360度，根据计算得出：

旋转带旋转结构的待测波片3，能量探测组件5测量出能量的最大值E_max和最小值E_min，可以计算得出波片延迟量

6、改变可调谐激光光源1的输出波长，依次步进i的大小，并重复步骤5。即可获取带旋转结构的待测波片3从600到900nm宽谱段范围内的相位延迟量，并绘制出带旋转结构的待测波片3的波长-相位延迟量曲线δ(λ),其中相位延迟量δ是波长λ的函数，波长λ为其自变量。

Claims (5)

1.一种快速测量宽波段波片相位延迟量的装置，包括波长可调谐激光光源(1)、起偏器(2)、带旋转结构的待测波片(3)、检偏器(4)和能量探测组件(5)，其特征在于：

波长可调谐激光光源(1)产生的特定波长激光光束通过起偏器(2)起偏，起偏后的线偏光经过带旋转结构的待测波片(3)，再经过检偏器(4)后被能量探测组件(5)探测，通过旋转带旋转结构的待测波片(3)来改变出射光的偏振状态，从而导致能量探测组件(5)探测到的能量变化，通过能量变化情况来准确快速标定带旋转结构的待测波片(3)的相位延迟量；通过波长可调谐激光光源(1)来改变出射激光光束的波长，从而获取宽波段波片的相位延迟量。

2.根据权利要求1所述的一种快速测量宽波段波片相位延迟量的装置，其特征在于：所述的波长可调谐激光光源(1)波长范围需要与带旋转结构的待测波片(3)相适应。

3.根据权利要求1所述的一种快速测量宽波段波片相位延迟量的装置，其特征在于：所述的起偏器(2)与检偏器(4)为带旋转结构的偏振片，偏振片的使用波长范围需要覆盖带旋转结构的待测波片(3)的波长，同时该波段偏振消光比优于5000：1。

4.根据权利要求1所述的一种快速测量宽波段波片相位延迟量的装置，其特征在于：所述的能量探测组件(5)所测量波长范围包括带旋转结构的待测波片(3)测试波长范围。

5.一种基于权利要求1所述快速测量宽波段波片相位延迟量的装置的相位延迟量测量方法，其特征包括以下步骤：

1)固定波长可调谐激光光源(1)和能量探测组件(5)，使得激光能量可以被能量探测组件(5)完全探测到，在波长可调谐激光光源(1)和能量探测组件(5)之间分别放置起偏器(2)、检偏器(4)，使得出射光从起偏器(2)、检偏器(4)的中心附近透过，开启波长可调谐激光光源(1)，使得输出光波长为λ_i，此时波长为λ_i的输出光为椭圆偏振光，其偏振态

可由一个4X1的斯托克斯矢量表示为；

2)将起偏器(2)固定在某特定角度，此时起偏器(2)的透光轴角度为α，其中α为起偏器(2)光轴与水平方向的夹角；通过旋转检偏器(4)使得能量探测组件(5)探测到的能量最小，此时检偏器(4)所处的透光轴角度与起偏器(2)正交，再将检偏器(4)旋转90度，此时检偏器(4)的透光轴角度也为α，固定起偏器(2)、检偏器(4)的角度不变，此时起偏器(2)、检偏器(4)的穆勒矩阵M₂、M₄可以表示为：

3)将带旋转结构的待测波片(3)放置于起偏器(2)与检偏器(4)中间,通过调节带旋转结构的待测波片(3)的位置和角度,使得波长可调谐激光光源(1)的出射波长为λ_i的激光经过带旋转结构的待测波片(3)中心垂直入射,假设带旋转结构的待测波片(3)在波长为λ_i处的相位延迟为

此时带旋转结构的待测波片(3)快轴处于任意角度θ，其中θ是带旋转结构的待测波片(3)快轴与水平方向的夹角，此时带旋转结构的待测波片(3)的穆勒矩阵M₃可以表示为：

4)波长可调谐激光光源(1)产生的输出光波长为λ_i的激光,依次经过起偏器(2)、带旋转结构的待测波片(3)、检偏器(4)后,被能量探测组件(5)探测,最终的出射光偏振态

可以表示为：

通过计算可知：

5)最终的出射光偏振态

可知，出射光的能量E可以表示为：

通过旋转带旋转结构的待测波片(3)，即改变带旋转结构的待测波片(3)快轴方向θ，旋转过程中通过能量探测组件(5)探测出射光的能量E的最大值E_max和最小值E_min，其输出值满足：

则：

6)改变波长可调谐激光光源(1)输出的波长λ_i，并重复步骤5)，最终可以得到带旋转结构的待测波片(3)在宽谱段波长范围下对应的相位延迟量，从而带旋转结构的待测波片(3)获取宽谱段范围内的相位延迟δ(λ)，其中相位延迟量δ是波长λ的函数，波长λ为其自变量。

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