CN112881336B - 双折射测量装置及基于该装置的寻常光、非常光测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种双折射测量装置及基于该装置的寻常光、非常光测量方法。其中双折射测量装置包括：偏振光生成单元、开设透光孔的遮光片及检偏器；偏振光生成单元设置于遮光片的入射光侧；检偏器设置于遮光片的出射光侧；遮光片与检偏器之间设置待测样品；遮光片用于遮挡偏离透光孔的入射光。本申请在待测样品的入射光侧设置了遮光片，利用遮光片遮挡偏离透光孔的入射光，使得本申请的测量装置可以测量任意尺寸的待测样品。本申请的寻常光、非常光测量方法，无需使用反射光求折射率，仅使用双折射测量装置输出的偏振光的光强，利用简单的计算公式即可获得待测样品的寻常光折射率和非常光折射率，计算公式简单，计算量小且结果精确。

Description

双折射测量装置及基于该装置的寻常光、非常光测量方法

技术领域

本申请涉及一种双折射测量装置及基于该装置的寻常光、非常光测量方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

双折射是光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光，且两束光沿不同方向折射的现象。光波入射各向异性的晶体后，除特殊方向以外，都要发生双折射现象，分解成振动方向互相垂直、传播速度不同、折射率不等的两种偏振光。其中一条光线遵守折射定律，称为寻常光线，简称O光；另一条光线并不按照折射定律的角度而折射，称为非常光线，简称E光。

现有技术中，在测量待测样品的寻常光折射率和非常光折射率时，通常使用的方法为波动光学法：即利用光通过待测样品后，由光的相位变化或光在待测样品表面反射时光的偏振态变化求折射率。利用波动光学法测量折射率的典型装置为椭偏仪。通过椭偏仪获得寻常光折射率和非常光的折射率的过程为：已知入射光的偏振态，通过改变入射光的入射角或按一定角度旋转待测样品，从而测量不同偏振光线的相位延迟差和反射率比值，计算或拟合出待测样品的寻常光折射率和非常光的折射率。

但利用椭偏仪测量待测样品的寻常光折射率和非常光折射率时，要求待测样品的尺寸大于5mm，导致对于5mm以下的待测样品难以测量。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种双折射测量装置，以解决现有测量装置存在的难以测量小于5mm的待测样品的技术问题。同时，本发明还提供了基于上述双折射测量装置的寻常光折射率和非常光折射率的测量方法。

本发明提供了一种双折射测量装置，包括：偏振光生成单元、开设透光孔的遮光片及检偏器；

所述偏振光生成单元设置于所述遮光片的入射光侧；

所述检偏器设置于所述遮光片的出射光侧；

所述遮光片与所述检偏器之间设置待测样品；

所述遮光片用于遮挡偏离透光孔的入射光。

优选地，所述遮光片为两个，两个所述遮光片的透光孔相对设置，所述待测样品设置于两个所述遮光片之间。

进一步地，所述偏振光生成单元包括热光源、滤波片及第一起偏器；

所述滤波片的入射光侧设置所述热光源，所述滤波片的出射光侧设置所述第一起偏器，经由所述第一起偏器的出射光照射于所述遮光片上。

优选地，所述偏振光生成单元还包括沿光路依次设置的光阑、衰减片及透镜；

所述光阑、衰减片及透镜设置于所述滤波片与所述第一起偏器之间。

进一步地，所述偏振光生成单元包括冷光源及第二起偏器；

所述第二起偏器的入射光侧设置所述冷光源，所述第二起偏器的出射光侧设置所述遮光片。

进一步地，所述偏振光生成单元包括激光光源及半波片；

所述半波片的入射光侧设置所述激光光源，所述半波片的出射光侧设置所述遮光片。

本发明还公开了一种基于上述双折射测量装置的寻常光、非常光测量方法，包括：

获取上述双折射测量装置输出的偏振光的光强；

获取入射至待测样品的入射光参数及待测样品的厚度d；

利用所述偏振光的光强、所述入射光参数及待测样品的厚度，计算待测样品的寻常光折射率n_o及非常光折射率n_e。

优选地，所述入射光参数包括光波矢量k、光波振动方向与测量面的夹角φ。

优选地，计算待测样品的寻常光折射率n_o，具体为：

其中，t_x为双折射测量装置输出的x轴偏振光的光强，i为虚数单位。

优选地，计算待测样品的非常光折射率n_e，具体为：

其中，

γ＝cos(φ)；t_y为双折射测量装置输出的y轴偏振光的光强。

本发明的双折射测量装置，相较于现有技术，具有如下有益效果：

本发明在待测样品的入射光侧设置了遮光片，利用遮光片遮挡偏离透光孔的入射光，使得本申请的测量装置可以测量任意尺寸的待测样品。

本发明设置了多种形式的偏振光生成单元，基于不同的光源类型，采用不同的结构产生偏振光，使得本发明所适用的光源类型更广，测量不受光源的限制。

本发明在待测样品的出射光侧设置了检偏器，以获取经过待测样品的出射光的偏振态，进一步获取其光强，用于计算待测样品的寻常光折射率和非常光折射率。本发明利用检偏器，采集的为经过待测样品的透射光，因此，无需打磨抛光待测样品，简化了测量步骤。故，本发明尤其适用于小颗粒且脆性强的待测样品。

本发明的基于双折射测量装置的寻常光、非常光测量方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：

现有技术由光的相位变化或光在待测样品表面反射时光的偏振态变化求折射率，计算量大。而本申请的寻常光、非常光测量方法，无需使用反射光求折射率，仅使用上述测量装置输出的光强，利用简单的计算公式即可获得待测样品的寻常光折射率和非常光折射率，计算公式简单，计算量小，且结构精确。

附图说明

图1为本发明双折射测量装置的结构示意图；

图2为本发明使用热光源的双折射测量装置的结构示意图；

图3为本发明使用冷光源的双折射测量装置的结构示意图；

图4为本发明使用激光光源的双折射测量装置的结构示意图；

图5为利用本发明寻常光、非常光测量方法测得的铌酸锂的寻常光折射率及非常光折射率的结果示意图。

部件和附图标记列表：

1、偏振光生成单元；1-1、热光源；1-2、滤波片；1-3、光阑；1-4、衰减片；1-5、透镜；1-6、第一起偏器；1-7、冷光源；1-8、第二起偏器；1-9、激光光源；1-10、半波片；2、遮光片；2-1、透光孔；3、待测样品；4、检偏器。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

参见图1，本实施例提供了一种双折射测量装置，包括：偏振光生成单元1、开设透光孔2-1的遮光片2及检偏器4；偏振光生成单元1设置于遮光片2的入射光侧；检偏器4设置于遮光片2的出射光侧；遮光片2与检偏器4之间设置待测样品3；遮光片2用于遮挡偏离透光孔的入射光。从而去除光路中多余的光斑。本实施例在待测样品3的入射光侧设置了遮光片2，通过设定遮光片2上开设的透光孔2-1的大小限定待测样品3的测量尺寸，与待测样品3本身的尺寸无关。也就是说，如待测样品3的尺寸小于5mm，则在遮光片2上开设小于等于5mm的透光孔即可实现该待测样品3的测量。

进一步地，为了限定经过待测样品3的出射光的光量，在待测样品3的出射光侧也设置了一个遮光片2，待测样品3的入射光侧的遮光片2上开设的透光孔2-1和出射光侧的遮光片2上开设的透光孔2-1相对设置，保证了经由待测样品3的出射光的光量。

本实施例在遮光片2的出射光侧设置了检偏器4，该检偏器4用于获取从待测样品3出射的偏振光的偏振态，进一步获取出射光的x主轴光强t_x及y主轴光强t_y。由于利用检偏器4所接收的光为透射光，在获取透射光的过程中，无需对待测样品3进行打磨，尤其适用于小颗粒、脆性强的待测样品，减少了操作步骤，降低了测量的繁琐度。

为给本实施例的双折射测量装置提供偏振光，本实施例设置了偏振光生成单元1，所述偏振光生成单元1设置于所述遮光片2的入射光侧。本实施例中的偏振光生成单元1可以使用多种形式的光源，针对不同的光源，需要使用相应的元器件，以产生偏振光。下面，将详述本实施例中的偏振光生成单元1的结构。

一种结构的偏振光生成单元，包括：包括热光源1-1、滤波片1-2及第一起偏器1-6，滤波片1-2的入射光侧设置热光源1-1，滤波片1-2的出射光侧设置第一起偏器1-6，经由第一起偏器1-6的出射光照射于遮光片2上。该结构中的热光源1-1为氙灯、钨丝灯、卤钨灯的其中一种。由于热光源1-1发出的光中除包含可见光外，还有大量的红外光，本实施例的测量装置中，并不需要红外光，因此，使用红外滤波片将红外光滤除，仅保留可见光。可见光经由第一起偏器1-6产生偏振光，传输至遮光片2上，进一步用于测量待测样品3的寻常光折射率和非常光折射率。

由于经过滤光片后的光线的光量大、光强强且较为发散，因此需要对经由滤光片出射的光进行进一步处理，以保证入射至起偏器的光的质量。本实施例在滤波片1-2与第一起偏器1-6之间依次设置了光阑1-3、衰减片1-4及透镜1-5；其中光阑1-3的作用为限制可见光的传播方向以及光量；衰减片1-4的作用为降低光强；透镜1-5为凸透镜，其将发散的可见光汇聚以便起偏器接收，该实施例的结构示意图见图2。

另一种结构的偏振光生成单元，包括：冷光源1-7及第二起偏器1-8，第二起偏器1-8的入射光侧设置冷光源1-7，第二起偏器1-8的出射光侧设置所述遮光片2。其中冷光源1-7优选为LED灯。冷光源1-7产生的光为可见光，因此，无需使用滤波片1-2滤除杂光，其发出的光源可以直接照射第二起偏器1-8，产生偏振光。该实施例的结构示意图见图3。

还有一种结构的偏振光生成单元，包括激光光源1-9及半波片1-10，所述半波片1-10的入射光侧设置激光光源1-9，半波片1-10的出射光侧设置遮光片2。激光光源1-9发出的激光为偏振光，使用半波片1-10对该偏振光进行旋转，使得偏振光能够照射遮光片2上。该实施例的结构示意图见图4。

本发明的双折射测量装置，利用遮光片上开设的透光孔的大小限定待测样品的测量尺寸，与待测样品本身的尺寸无关，适用范围不受样本本身尺寸限定，适用范围更广。

本发明设置了多种形式的偏振光生成单元，基于不同的光源类型，采用不同的结构产生偏振光，使得本发明所适用的光源类型更广，测量不受光源的限制。

本发明在待测样品的出射光侧设置了检偏器，以获取经过待测样品的出射光的偏振态，进一步获取其光强，用于计算待测样品的寻常光折射率和非常光折射率。本发明利用检偏器，采集的为经过待测样品的透射光，因此，无需打磨抛光待测样品，简化了测量步骤。故，本发明尤其适用于小颗粒且脆性强的待测样品。

本发明还公开了一种基于上述双折射测量装置的寻常光、非常光测量方法，包括：

获取双折射测量装置中检偏器的出射光的x主轴光强t_x及y主轴光强t_y；

获取待测样品的厚度d、波数k、波法线方向与光轴方向的夹角φ；

利用t_x、t_y、d、k、φ、i计算待测样品的寻常光折射率n_o及非常光折射率n_e。

优选地，计算待测样品的寻常光折射率n_o，具体为：

其中,i为虚数单位。

进一步地，计算待测样品的非常光折射率n_e，具体为：

其中，

γ＝cos(φ)。

下面，将结合具体实验验证本发明的寻常光、非常光测量方法的有效性。

本实验所采用的待测样品为铌酸锂，铌酸锂的厚度为0.542mm，利用本发明的双折射测量装置测量其寻常光折射率及非常光折射率，其中该装置的入射光的光波矢量k旋转一周，此入射光的光波振动方向与测量面的夹角φ跟着旋转一周，随着φ的转动探测检偏器的出射光的x主轴光强t_x及y主轴光强t_y。

将x主轴光强t_x及y主轴光强t_y代入上面的公式中，拟合计算出寻常光折射率n_o和非常光折射率n_e，见图5。

现有技术由光的相位变化或光在待测样品表面反射时光的偏振态变化求折射率，计算量大。而本申请的寻常光、非常光测量方法，无需使用反射光求折射率，仅使用检偏器接收的透过光的强度，利用简单的计算公式即可获得待测样品的寻常光折射率和非常光折射率，计算公式简单，计算量小。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (9)

1.一种双折射测量装置，其特征在于，包括：偏振光生成单元、开设透光孔的遮光片及检偏器；

所述偏振光生成单元设置于所述遮光片的入射光侧；

所述检偏器设置于所述遮光片的出射光侧，用于获取从待测样品出射的偏振光的偏振态；

所述遮光片为两个，两个所述遮光片的透光孔相对设置，所述待测样品设置于两个所述遮光片之间；

所述遮光片用于遮挡偏离透光孔的入射光。

2.根据权利要求1所述的双折射测量装置，其特征在于，所述偏振光生成单元包括热光源、滤波片及第一起偏器；

所述滤波片的入射光侧设置所述热光源，所述滤波片的出射光侧设置所述第一起偏器，经由所述第一起偏器的出射光照射于所述遮光片上。

3.根据权利要求2所述的双折射测量装置，其特征在于，所述偏振光生成单元还包括沿光路依次设置的光阑、衰减片及透镜；

所述光阑、衰减片及透镜设置于所述滤波片与所述第一起偏器之间。

4.根据权利要求1所述的双折射测量装置，其特征在于，所述偏振光生成单元包括冷光源及第二起偏器；

所述第二起偏器的入射光侧设置所述冷光源，所述第二起偏器的出射光侧设置所述遮光片。

5.根据权利要求1所述的双折射测量装置，其特征在于，所述偏振光生成单元包括激光光源及半波片；

所述半波片的入射光侧设置所述激光光源，所述半波片的出射光侧设置所述遮光片。

6.一种寻常光、非常光测量方法，其特征在于，包括：

获取权利要求1～5任一项所述的双折射测量装置输出的偏振光的光强；

获取入射至待测样品的入射光参数及待测样品的厚度d；

利用所述偏振光的光强、所述入射光参数及待测样品的厚度，计算待测样品的寻常光折射率n_o及非常光折射率n_e。

7.根据权利要求6所述的寻常光、非常光测量方法，其特征在于，所述入射光参数包括光波矢量k、光波振动方向与测量面的夹角φ。

8.根据权利要求7所述的寻常光、非常光测量方法，其特征在于，计算待测样品的寻常光折射率n_o，具体为：

其中，t_x为双折射测量装置输出的x轴偏振光的光强，i为虚数单位。

9.根据权利要求8所述的寻常光、非常光测量方法，其特征在于，计算待测样品的非常光折射率n_e，具体为：

其中，

γ＝cos(φ)；t_y为双折射测量装置输出的y轴偏振光的光强。

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