CN111398218A - 一种基于磁光检测的有效电光系数测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁光调制的有效电光系数测量装置及方法，包括计算机、旋转平台、线偏振激光器、第一四分之一波片、起偏器、第二四分之一波片、磁光调制器以及安装在旋转平台上的检偏器和光电探测器，线偏振激光器发出的线偏光依次经第一四分之一波片、起偏器、待测量样品、第二四分之一波片、磁光调制器及检偏器入射到光电探测器中，该装置及方法能够高速、高精度的测量有效电光系数，测量范围较大，稳定性较高。

Description

一种基于磁光检测的有效电光系数测量装置及方法
技术领域
本发明属于自动化测量领域，涉及一种基于磁光检测的有效电光系数测量装置及方法。
背景技术
有效电光系数的测量工作先后经历了手动直接光强测量法、手动半波电压测量法、最小光强点测量法和倍频测量法(FDM)等阶段。但是，不论是最终采用自动化手段辅助的最小光强工作点测量，其位相延迟精度的测量必须依靠高精度的电控旋转平台与AD转换，还是倍频测量法，其还必须用到锁相放大器，且每一次数据采集都需要使用旋转平台采集角度数据，受制于高精度旋转位移平台精度与速度的不可兼得，以及运放与直流偏压调整过程耗时的原因，即使使用了计算机辅助的自动化测量，整个测量过程依然很耗费时间，与此同时相位延迟测量的精度严重地受制于电动旋转平台的角度分辨精度，因此之前所有的有效电光系数测量的方法其误差与测量速度研究方面并无较大的改进。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于磁光调制的有效电光系数测量装置及方法，该装置及方法能够高速、高精度的测量有效电光系数，测量范围较大，稳定性较高。
为达到上述目的，本发明所述的基于磁光检测的有效电光系数测量装置包括计算机、旋转平台、线偏振激光器、第一四分之一波片、起偏器、第二四分之一波片、磁光调制器以及安装在旋转平台上的检偏器和光电探测器，线偏振激光器发出的线偏光依次经第一四分之一波片、起偏器、待测量样品、第二四分之一波片、磁光调制器及检偏器入射到光电探测器中；
具体的，线偏振激光器发出的线偏光经第一四分之一波片转换为圆偏振光，再经起偏器变成沿与待测量样品光轴呈45°的方向偏振的线偏光，然后照射到待测量样品上，待测量样品的出射光为沿待测量样品主轴45°方向上的椭圆偏振光，待测量样品的出射光经快轴(f轴)沿待测量样品主轴45°方向的第二四分之一波片后转变为线偏光，随后通过磁光调制器在所述线偏光的基础上叠加预设角度的偏振摆动，最后经检偏器入射到光电探测器中，其中，待测量样品在沿光轴方向粘贴有电极，该电极通过引出导线连接有高压直流电源，磁光调制器外接有AC交流电流源，光电探测器的输出端连接有AD转换模块，高压直流电源、旋转平台及AD转换模块与计算机连接。
线偏振激光器为能够任意线偏振输出的激光器。
本发明所述的基于磁光检测的有效电光系数测量方法包括以下步骤：
设经第一四分之一波片后的圆偏光的光场分布为Ei,则经过与待测量样品光轴方向呈45°方向的起偏器后的光场分布为：
Figure BDA0002421989410000021
经待测量样品后的光场分布为：
Figure BDA0002421989410000022
其中，
Figure BDA0002421989410000031
经快轴(f轴)与待测量样品光轴呈45°角的第二四分之一波片后，光场分布变为：
Figure BDA0002421989410000032
Figure BDA0002421989410000033
其中，双折射
Figure BDA0002421989410000034
设在第二四分之一波片后放置任意角度的检偏器，利用垂直消光原理检测待测量样品偏振方向的改变量，设检偏器与待测量样品光轴夹角为β，则检偏器的出射光强为：
Figure BDA0002421989410000035
设此时光场的偏振方向与检偏器之间的夹角为α，磁光调制器叠加在出射偏振光场上的振荡角度θ＝VBmsinωt·L＝mfsinωt，其中，V表示磁光调制器使用的磁光晶体的维尔德常数，Bmsinωt代表线圈在交流电场下的磁通量变化，L为磁光晶体的长度，mf＝VBmL表示调制度；
则光电探测器收集到光的光强
Figure BDA0002421989410000036
Figure BDA0002421989410000037
其中，I、mf及ω均为已知数据；
得光电探测器处光场的偏振方向与检偏器之间的夹角
Figure BDA0002421989410000041
利用电场相位与待测量样品电光效应的对应关系，得待测量样品的有效电光系数γc为：
Figure BDA0002421989410000042
经过待测量样品后光的光强IA的表达式为：
Figure BDA0002421989410000043
磁光调制器接收的光的光强I的表达式为：
Figure BDA0002421989410000044
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于磁光调制的有效电光系数测量装置及方法在具体操作时，将磁光调制引入有效电光测试中，实现快速、高精度的有效电光测试，具体的，通过在晶体的有效电光系数在外部电场影响下由于偏振光相位延迟而导致的偏振角度上施加小范围的磁光调制产生的振荡光场，通过失谐角与光电探测器输出信号的关系，高精度的反向计算失谐角度，以计算出待测量样品电光效应导致的偏振角度改变量，从而计算出待测量样品的有效电光系数。需要说明的是，本发明使用磁光调制器作为高精度偏振角度移动检测手段，速度快，精度高，同时避免测试过程中温度改变对待测量样品有效电光系数的测量带来的误差，具有抗干扰性强、速度快及精准度高的特点。
附图说明
图1为现有技术的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图。
其中，1为线偏振激光器、2为第一四分之一波片、3为起偏器、4为待测量样品、5为第二四分之一波片、6为磁光调制器、7为检偏器、8为光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的基于磁光检测的有效电光系数测量装置包括计算机、旋转平台、线偏振激光器1、第一四分之一波片2、起偏器3、第二四分之一波片5、磁光调制器6以及安装在旋转平台上的检偏器7和光电探测器8，线偏振激光器1发出的线偏光依次经第一四分之一波片2、起偏器3、待测量样品4、第二四分之一波片5、磁光调制器6及检偏器7入射到光电探测器8中，具体的，线偏振激光器1发出的线偏光经第一四分之一波片2转换为圆偏振光，再经起偏器3变成沿与待测量样品4光轴呈45°的方向偏振的线偏光，然后照射到待测量样品4上，待测量样品4的出射光为沿待测量样品4主轴45°方向上的椭圆偏振光，待测量样品4的出射光经快轴沿待测量样品4主轴45°方向的第二四分之一波片5后转变为线偏光，随后通过磁光调制器6在所述线偏光的基础上叠加预设角度的偏振摆动，最后经检偏器7入射到光电探测器8中，其中，待测量样品4在光轴方向粘贴有电极，该电极通过引出导线连接有高压直流电源，磁光调制器6外接有AC交流电流源，光电探测器8的输出端连接有AD转换模块，高压直流电源、旋转平台及AD转换模块与计算机连接。
线偏振激光器1为能够任意线偏振输出的激光器，通过磁光调制器6实现对电光晶体的高精度快速的有效电光系数测试。
本发明所述的基于磁光检测的有效电光系数测量方法包括以下步骤：
设经第一四分之一波片2后的圆偏光的光场分布为Ei,则经过与待测量样品4光轴方向呈45°方向的起偏器3后的光场分布为：
Figure BDA0002421989410000061
经待测量样品4后的光场分布为：
Figure BDA0002421989410000062
其中，
Figure BDA0002421989410000063
经与待测量样品4光轴呈45°角的第二四分之一波片5后，光场分布变为：
Figure BDA0002421989410000064
Figure BDA0002421989410000065
其中，双折射
Figure BDA0002421989410000066
此时光场为线偏振光场，偏振方向由自然双折射Γ0与电场E下电光晶体的折射率改变量Γ()共同决定；
设在第二四分之一波片5后放置任意角度的检偏器7，利用垂直消光原理检测待测量样品4偏振方向的改变量，设检偏器7与待测量样品4光轴夹角为β，则检偏器7的出射光强为：
Figure BDA0002421989410000067
Figure BDA0002421989410000071
通过调整检偏器7的角度β使其出射光强最小，从而获得待测量样品4在电场作用下的偏振移动角度Γ，而偏振移动角度检测的过程可以通过磁光调制器6、检偏器7以及光电探测器8之间的线性关系实现；
设此时光场的偏振方向与检偏器7之间的夹角为α，磁光调制器6叠加在出射偏振光场上的振荡角度θ＝VBmsinωt·L＝mfsinωt，其中，V表示磁光调制器6使用的磁光晶体的维尔德常数，Bmsinωt代表线圈在交流电场下的磁通量变化，L为磁光晶体的长度，mf＝VBmL表示调制度：
则光电探测器8收集到光的光强
Figure BDA0002421989410000075
Figure BDA0002421989410000076
其中，I、mf及ω均为已知数据；
得光电探测器8处光场的偏振方向与检偏器7之间的夹角
Figure BDA0002421989410000072
利用电场相位与待测量样品4电光效应的对应关系，得待测量样品4的有效电光系数γc为：
Figure BDA0002421989410000073
其中，经过待测量样品4后光的光强IA的表达式为：
Figure BDA0002421989410000074
磁光调制器6接收的光的光强I的表达式为：
Figure BDA0002421989410000081
本发明充分考虑有效电光系数测量过程中温度对测试结果的极大扰动效应，结合磁光调制测试的高精度及快速的优势，实现对待测量样品4有效电光系数自动化的高速高精度测量，针对符合有效电光测试的待测量样品4，制备好电极后，均可实现快速准确的测量。
本发明以磁光调制器6作为高精度偏振角度偏移检测的主要手段，能够应用于高精度的电光晶体的有效电光系数的测量工作中，极大的提升了电光测试过程的准确度，同时通过使用自动化控制程序，减少了人为因素的影响，且所有设备均可使用半导体工艺的FPGA实现工能集成，为将来整套测试系统的小型化、专业化打下良好的基础。

Claims (5)

1.一种基于磁光检测的有效电光系数测量装置，其特征在于，包括计算机、旋转平台、线偏振激光器(1)、第一四分之一波片(2)、起偏器(3)、第二四分之一波片(5)、磁光调制器(6)以及安装在旋转平台上的检偏器(7)和光电探测器(8)，线偏振激光器(1)发出的线偏光依次经第一四分之一波片(2)、起偏器(3)、待测量样品(4)、第二四分之一波片(5)、磁光调制器(6)及检偏器(7)入射到光电探测器(8)中；
具体地，线偏振激光器(1)发出的线偏光经第一四分之一波片(2)转换为圆偏振光，再经起偏器(3)变成沿与待测量样品(4)光轴呈45°的方向偏振的线偏光，然后照射到待测量样品(4)上，待测量样品(4)的出射光为沿待测量样品(4)主轴45°方向上的椭圆偏振光，待测量样品(4)的出射光经快轴沿待测量样品(4)主轴45°方向的第二四分之一波片(5)后转变为线偏光，随后通过磁光调制器(6)在所述线偏光的基础上叠加预设角度的偏振摆动，最后经检偏器(7)入射到光电探测器(8)中，其中，待测量样品(4)在沿光轴方向粘贴有电极，该电极通过引出导线连接有高压直流电源，磁光调制器(6)外接有AC交流电流源，光电探测器(8)的输出端连接有AD转换模块，高压直流电源、旋转平台及AD转换模块与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的基于磁光检测的有效电光系数测量装置，其特征在于，线偏振激光器(1)为能够任意线偏振输出的激光器。
3.一种基于磁光检测的有效电光系数测量方法，其特征在于，基于权利要求1所述的基于磁光检测的有效电光系数测量装置，包括以下步骤：
设经第一四分之一波片(2)后的圆偏光的光场分布为Ei,则经过与待测量样品(4)光轴方向呈45°方向的起偏器(3)后的光场分布为：
Figure FDA0002421989400000021
经待测量样品(4)后的光场分布为：
Figure FDA0002421989400000022
其中，
Figure FDA0002421989400000023
经快轴与待测量样品(4)光轴呈45°角的第二四分之一波片(5)后，光场分布变为：
Figure FDA0002421989400000024
Figure FDA0002421989400000025
其中，双折射
Figure FDA0002421989400000026
设在第二四分之一波片(5)后放置任意角度的检偏器(7)，利用垂直消光原理检测待测量样品(4)偏振方向的改变量，设检偏器(7)与待测量样品(4)光轴夹角为β，则检偏器(7)的出射光强为：
Figure FDA0002421989400000027
设此时光场的偏振方向与检偏器(7)之间的夹角为α，磁光调制器(6)叠加在出射偏振光场上的振荡角度θ＝VBmsinωt·L＝mfsinωt，其中，V表示磁光调制器(6)使用的磁光晶体的维尔德常数，Bmsinωt代表线圈在交流电场下的磁通量变化，L为磁光晶体的长度，mf＝VBmL表示调制度；
则光电探测器(8)收集到光的光强
Figure FDA0002421989400000031
Figure FDA0002421989400000032
其中，I、mf及ω均为已知数据；
得光电探测器(8)处光场的偏振方向与检偏器(7)之间的夹角
Figure FDA0002421989400000033
利用电场相位与待测量样品(4)电光效应的对应关系，得待测量样品(4)的有效电光系数γc为：
Figure FDA0002421989400000034
4.根据权利要求3所述的基于磁光调制的有效电光系数测量方法，其特征在于，经过待测量样品(4)后光的光强IA的表达式为：
Figure FDA0002421989400000035
5.根据权利要求3所述的基于磁光调制的有效电光系数测量方法，其特征在于，磁光调制器(6)接收的光的光强I的表达式为：
Figure FDA0002421989400000036
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