CN113533254A - 一种光学材料双折射率的测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学材料双折射率的测试装置及测试方法，包括双光路模块、正交偏光系统、厚度测量模块、补色器、位相检测模块及与其均直接相连的成像模块和光程差测算模块；双光路模块与正交偏光系统直接相连且位于正交偏光系统后部；厚度测量模块与正交偏光系统的载物台直接相连；补色器位于正交偏光系统中间镜筒中；成像模块位于正交偏光系统光路中上偏光镜之上。本发明以干涉补色原理为基础，借助“异名轴相交，干涉色降低”的干涉规律，通过补色器调整样品干涉色从而获得样品光程差，进而得到样品在不同波长下的双折射率，极大地提高了双折射率的测量精度和测试效率，有助于非线性光学晶体、双折射晶体等新型光学材料的快速筛选。
Description
技术领域
本发明属于材料性能分析测试技术领域，具体而言，涉及一种光学材料双折射率的测试装置及测试方法。
背景技术
非线性光学晶体能够对现有光源进行频率转换以获得更多波段的激光输出，是全固态激光器的核心部件。而非线性光学晶体实现频率转换必须满足相位匹配条件：适中的双折射率。受制于此，大量已有的非线性光学晶体无法实现相位匹配输出。以双折射率测试分析为技术途径进行新材料探索，将有助于快速筛选满足相位匹配条件的新型非线性光学晶体。同时，双折射率作为各向异性光学晶体的重要特性之一，是偏光棱镜、光学相位延迟器等光学器件的重要设计基础。因此，晶体的双折射率测试尤为重要。常用的双折射率测试方法大都是基于晶体的主折射率测量计算得到双折射率，如：最小偏向角法、莫尔条纹法、迈克尔逊干涉法、棱镜耦合法等。这些方法对晶体的尺寸和加工精度要求较高，基于新材料探索阶段的微晶难以达到测试要求。此外，电光调制法和干涉补色法也都可以用于双折射率的测试。但电光调制法同样存在晶体尺寸和加工精度的要求，而干涉补色法对晶体尺寸的要求大为降低。所谓干涉补色法是指在正交偏光视场下，晶体的干涉色是由晶体的双折射率和厚度共同决定的，通过干涉补色确定其光程差，从而推算出双折射率。因为正交偏光下，下偏振光通过双折射晶体后分解为两束具有相同频率、相同偏光振动面、和恒定位相差的偏振光，满足发生干涉作用的三个条件，按照“异名轴重合，干涉色降低”的规律，采用补色器补出晶体的光程差。由于干涉补色法多在偏光显微镜下完成，要求的晶体厚度多为微米量级，极大地降低了晶体制备难度，近年来其在新型非线性光学晶体和双折射晶体探索方面发挥了巨大作用。然而，现有干涉补色测试方法大都是采用卤素灯作光源，得到的是白光下的双折射率，忽视了双折射率的频率色散特性。同时，补色观察完全是在肉眼分辨基础上完成的，缺乏足够的数据支持和科学严谨性。
发明内容
本发明旨在提供一种光学材料双折射率的测试装置和测试方法，以解决现有测试方法难以精确测量微小晶粒双折射率的问题，有利于新型非线性光学晶体和双折射晶体筛选效率的极大提高。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种光学材料双折射率的测试装置，包括双光路模块、正交偏光系统、厚度测量模块、补色器、位相检测模块以及与位相检测模块均直接相连的成像模块和光程差测算模块；双光路模块与正交偏光系统直接相连且位于正交偏光系统后部；厚度测量模块与正交偏光系统的载物台直接相连；所述补色器位于正交偏光系统的中间镜筒中；成像模块位于正交偏光系统光路中上偏光镜之上。
根据本发明，双光路模块包括：参照光源，配置为提供光程差测试用的参照比对光源；以及检测光源，提供光程差测试的波长连续可调的单色光，配置为用于不同波长下双折射率的测试。优选地，所述参照光源为白光。
根据本发明，正交偏光系统包括用于样品光学性质观察的光学部分和辅助光学部分工作的必要机械部分，光学部分由下偏光镜、用于样品放置和方向调整的载物台、物镜、中间镜筒以及上偏光镜组成，所述上偏光镜配置为用于调制从样品出射的两束光波的偏振态。优选地，所述下偏光镜由偏光片制成，配置为用于调制光源的偏振态。
优选地，载物台为边缘有360°的刻度且能够水平旋转的圆形平台，所述载物台与固定的游标尺配合以直接读出载物台的旋转角度。优选地，所述载物台中央具有一个圆形通光孔，样品借助载玻片放于载物台的通光孔之上，并通过载物台的调节滑尺进行对中调整。
根据本发明，物镜由多个透镜组合而成，用于样品放大。优选地，所述上偏光镜的振动方向始终与下偏光镜的振动方向垂直。
根据本发明，补色器插入载物台和上偏光镜之间，位于正交偏光系统的45°位置。优选地，补色器为一宽透光波段的双折射晶体(如MgF2晶体)镶嵌在带有千分滑尺的长条状金属框中，通过旋转角度调整器来转动双折射晶体，从而改变其光程差。
根据本发明，厚度测量模块与载物台相连接，配置为用于原位样品纵向厚度的直接测试，通过不同聚焦位置测算得到厚度差值。
根据本发明，成像模块位于偏光系统光路中上偏光镜之上，配置为精准记录光程补偿过程中晶体位相变化的动态过程，以及补色器调零和补色过程的角度变化。优选地，成像模块为CCD图像传感器。
根据本发明，位相检测模块与CCD图像传感器相连，配置为用于补色过程中光学位相的灵敏检测。优选地，所述位相检测模块为电光调制器或锁相放大器。
根据本发明，光程差测算模块为一图像处理和光程差测算程序，与位相检测模块相连，写有不同波长下补色器角度对应的光程差，通过读取补色器的角度图像给出相应的光程差值用于补色器旋转角度记录和光程差换算。
根据本发明的另一方面，还提供了一种利用上述光学材料双折射率测试装置的测试方法，包括以下步骤：步骤1，开启光源、厚度测量模块、成像模块、位相检测模块和光程差测算模块；步骤2，将微米级厚度的薄片晶体样品放于载玻片上，将载玻片置于载物台通光孔之上，借助物镜和成像模块将样品调中和准焦；旋转载物台并通过位相检测模块找到薄片晶体样品的消光位置，旋转载物台至45°位置。步骤3，在载物台和上偏光镜之间的中间镜筒试板孔中插入补色器，旋转所述补色器至位相检测模块检测为补色器零点位置，继续旋转所述补色器至位相检测模块显示消光位为止，成像模块记录补色器的旋转角度，并反馈给光程差测算模块，计算得到样品的光程差；步骤4，关闭参照光源，切换检测光源，具体测试过程同上，以546nm附近单色光源为中心分别向长波长和短波长两边扩展测试，得到不同波长下的光程差，并通过厚度测量模块获得样品的精准厚度；步骤5，根据公式R(λ)＝n(λ)×d，从而获得样品在不同波长下的双折射率，其中，所述R(λ)为待测样品的光程差，n(λ)为待测样品的双折射率，d为待测样品厚度。
本发明的有益效果：
本发明提供以干涉补色原理为基础，借助“异名轴相交，干涉色降低”的干涉规律，通过补色器调整样品的干涉色从而获得样品的光程差，进而计算得到样品在不同波长下的双折射率。本发明基于微晶颗粒的双折射率测试装置及测试方法，极大地提高了双折射率的测量精度和测试效率，有助于非线性光学晶体、双折射晶体等新型光学材料的快速筛选。
附图说明
图1为本发明实施例中光学材料双折射率测试装置的宏观结构示意图；
图2为本发明实施例中光学材料双折射率测试装置的具体结构示意图；
图3为本发明实施例中用于双折射率测试装置中补色器的结构示意图。
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，下面结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。
如图1和图2所示，光学材料双折射率测试装置包括双光路模块10、正交偏光系统20、厚度测量模块30、补色器40、位相检测模块60以及与所述位相检测模块60均直接相连的成像模块50和光程差测算模块70。其中，双光路模块10与正交偏光系统20直接相连且位于正交偏光系统20后部；厚度测量模块30与正交偏光系统20的载物台22直接相连，补色器40位于正交偏光系统20的中间镜筒24中。成像模块50位于正交偏光系统20光路中上偏光镜25之上。所述双光路模块10包括参照光源11和检测光源12，参照光源11为白光，提供光程差测试用的参照比对光源，检测光源12为波长连续可调的单色光源，用于不同波长下双折射率的测试。
根据本发明，正交偏光系统20包括机械部分和光学部分，其中机械部分配置为保证光学部分正常工作，由镜座、镜臂、中间镜筒24、物镜转换器、载物台等组成。光学部分配置为用于样品光学性质观察，如图2所示，主要由下偏光镜21、载物台22、物镜23上偏光镜25组成。下偏光镜21用于调制光源的偏振态，载物台22用于样品放置和方向调整，物镜23用于样品放大，中间镜筒24用于补色器和上偏光镜25的固定，上偏光镜25用于调制从样品出射的两束光波的偏振态。
本发明的光学材料双折射率测试装置基于以下原理：在正交偏光系统下，通过非均质晶体的两束偏光是出于同一偏振光，其频率相同，离开晶体表面或到达上偏光镜时其各自的位相都不随时间而改变，即两束偏光的位相差恒定。同时，两束偏光经过上偏光镜以后其偏光振动被限制在同一平面内，从而发生干涉作用。
优选地，下偏光镜21由偏光片制成，用于调制光源的偏振态。从普通光源发出的自然光经过下偏光镜21发生偏振化作用，自然光全部转化为振动方向固定一致的偏光。下偏光镜的偏振方向为南北向，以符号“P-P”表示。载物台22为一个可以水平旋转的圆形平台，其边缘有360°的刻度，与固定的游标尺配合可以直接读出载物台22的旋转角度。载物台22中央有一个圆形通光孔，样品可以借助载玻片放于载物台22通光孔之上，并通过载物台22的调节滑尺进行对中调整。物镜23是由多个透镜组合而成的透镜组，决定成像分辨率。中间镜筒24是一个短直的圆筒，内置有试板孔和上偏光镜孔。上偏光镜25与下偏光镜21的作用相同，即任何振动方向的光经过上偏光镜25后都转化为振动方向固定一致的偏光。上偏光镜25的振动方向始终与下偏光镜21的振动方向垂直，通常为东西向，以符号“A-A”表示。
根据本发明，厚度测量模块30为一聚焦光斑厚度测量系统，用于原位样品纵向厚度的直接测试。补色器40用于光程差的补偿，具体地，补色器40为一宽透光波段(深紫外-红外)的双折射晶体41镶嵌在一带有千分滑尺的长条状金属框中，通过旋转角度调整器42来转动双折射晶体，从而改变其光程差。整套装置中补色器40插入正交偏光系统中间镜筒24的试板孔中，位于正交偏光系统20的45°位置处。
成像模块50用于光程差增补过程样品干涉色的动态变化，可以精准记录光程补偿过程中晶体位相变化的动态过程，以及补色器调零和补色过程的角度变化，通常为CCD图像传感器。位相检测模块60为能够灵敏检测光程差变化的光学部件，通常为电光调制器、锁相放大器等。光程差测算模块70为一图像处理和光程差测算程序，写有不同波长下补色器40角度对应的光程差，通过读取补色器40的角度图像给出相应的光程差值，主要用于补色器40旋转角度记录和光程差换算。
下面示例出采用上述测试装置测量双折射率的具体方法(如图2所示)：首先，开启参照光源11、CCD图像传感器50、锁相放大器60(位相检测模块)，将薄片晶体样品(厚度微米级)放于载玻片上，将载玻片置于载物台22通光孔之上，借助物镜23和CCD图像传感器50将样品调中和准焦。旋转载物台22并通过锁相放大器60找到样品的消光位置，旋紧载物台22至45°位置(从消光位开始按顺时针或者逆时针旋转45°)。将补色器40插入中间镜筒24的试板孔中，旋转补色器40至锁相放大器60显示为零点，继续旋转补色器40至锁相放大器60显示消光位为止，CCD图像传感器50记录补色器40的旋转角度，并反馈给光程差测算模块70，计算得到样品的光程差。然后，关闭参照光源11，切换检测光源12，具体测试过程同上，以546nm附近单色光源为中心分别向长波长和短波长两边扩展测试。得到不同波长下的光程差，并通过厚度测量模块获得样品的精准厚度，通过光程差与双折率的函数公式R(λ)＝n(λ)×d，其中，R(λ)为光程差，n(λ)为双折射率，d为样品厚度，获得样品在不同波长下的双折射率，借助最小二乘拟合得到其双折射率的色散曲线。
以上所述仅是本发明的优选应用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光学材料双折射率测试装置，其特征在于，包括双光路模块(10)、正交偏光系统(20)、厚度测量模块(30)、补色器(40)、位相检测模块(60)以及与所述位相检测模块(60)均直接相连的成像模块(50)和光程差测算模块(70)；所述双光路模块(10)与正交偏光系统(20)直接相连且位于正交偏光系统(20)后部；所述厚度测量模块(30)与正交偏光系统(20)的载物台(22)直接相连；所述补色器(40)位于正交偏光系统(20)的中间镜筒(24)中；所述成像模块(50)位于正交偏光系统(20)光路中上偏光镜(25)之上。
2.根据权利要求1所述的光学材料双折射率测试装置，其特征在于，所述双光路模块(10)包括：
参照光源(11)，配置为提供光程差测试用的参照比对光源；以及
检测光源(12)，提供光程差测试的波长连续可调的单色光，配置为用于不同波长下双折射率的测试。
优选地，所述参照光源(11)为白光。
3.根据权利要求1所述的光学材料双折射率测试装置，其特征在于，所述正交偏光系统(20)包括用于样品光学性质观察的光学部分，由下偏光镜(21)、用于样品放置和方向调整的载物台(22)、物镜(23)、中间镜筒(24)以及上偏光镜(25)组成，所述上偏光镜(25)配置为用于调制从样品出射的两束光波的偏振态。
优选地，所述下偏光镜(21)由偏光片制成，配置为用于调制光源的偏振态。
优选地，所述载物台(22)为边缘有360°的刻度且能够水平旋转的圆形平台，所述载物台(22)与固定的游标尺配合以直接读出载物台(22)的旋转角度。
优选地，所述载物台(22)中央具有一个圆形通光孔，样品借助载玻片放于载物台(22)的通光孔之上，并通过载物台(22)的调节滑尺进行对中调整。
4.根据权利要求3所述的光学材料双折射率测试装置，其特征在于，所述物镜(23)由多个透镜组合而成，用于样品放大。
优选地，所述上偏光镜(25)的振动方向始终与下偏光镜(21)的振动方向垂直。
5.根据权利要求3所述的光学材料双折射率测试装置，其特征在于，所述补色器(40)插入中间镜筒(24)试板孔中，且位于所述正交偏光系统(20)的45°位置。
优选地，所述补色器(40)为一宽透光波段的双折射晶体(41)镶嵌在带有千分滑尺的长条状金属框中，通过旋转角度调整器(42)来转动双折射晶体，从而改变其光程差。
6.根据权利要求1所述的光学材料双折射率测试装置，其特征在于，所述厚度测量模块(30)与载物台(22)相连，配置为用于原位样品纵向厚度的直接测试，通过不同聚焦位置测算得到厚度差值。
7.根据权利要求1所述的光学材料双折射率测试装置，其特征在于，所述成像模块(50)位于偏光系统光路中上偏光镜(25)之上，配置为精准记录光程补偿过程中晶体位相变化的动态过程，以及补色器(40)调零和补偿过程的角度变化。
优选地，所述成像模块(50)为CCD图像传感器。
8.根据权利要求1所述的光学材料双折射率测试装置，其特征在于，所述位相检测模块(60)与CCD图像传感器相连，配置为用于光程差补偿过程中光学位相的灵敏检测。
优选地，所述位相检测模块(60)为电光调制器或锁相放大器。
9.根据权利要求1所述的光学材料双折射率测试装置，其特征在于，所述光程差测算模块(70)为一图像处理和光程差测算程序，写有不同波长下补色器(40)角度对应的光程差，通过读取补色器(40)的角度图像给出相应的光程差值，用于补色器(40)旋转角度记录和光程差换算。
10.如权利要求1至8中任一项所述光学材料双折射率测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，开启光源、厚度测量模块(30)、成像模块(50)、位相检测模块(60)和光程差测算模块(70)；
步骤2，将微米级厚度的薄片晶体样品放于载玻片上，将载玻片置于载物台(22)通光孔之上，借助物镜(23)和成像模块(50)将样品调中和准焦；旋转载物台(22)并通过位相检测模块(60)找到薄片晶体样品的消光位置，旋紧载物台(22)至45°位置；
步骤3，在中间镜筒(24)试板孔中插入补色器(40)，旋转所述补色器(40)至位相检测模块(60)显示为零点，继续旋转所述补色器(40)至位相检测模块(60)显示消光位为止，成像模块(50)记录补色器(40)的旋转角度，并反馈给光程差测算模块(70)，计算得到样品的光程差；
步骤4，关闭参照光源(11)，切换检测光源(12)，具体测试过程同步骤1-3，以546nm附近单色光源为中心分别向长波长和短波长两边扩展测试，得到不同波长下的光程差，并通过厚度测量模块(30)获得样品的精准厚度；
步骤5，根据公式R(λ)＝n(λ)×d，从而获得样品在不同波长下的双折射率，其中，所述R(λ)为待测样品的光程差，n(λ)为待测样品的双折射率，d为待测样品厚度。
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