CN113686444B - 光束偏振变化测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本公开的各实施例涉及提供了一种光束偏振变化测量装置及其方法。该装置包括：光源装置，其用于发射预定波长的检测光束；起偏装置，其用于使检测光束起偏，并且将起偏后的偏振光入射至待测样品；检偏装置，其用于接收从待测样品透射或反射的光，并且将经透射或反射的光分解成两束偏振方向相互正交的第一偏振光束和第二偏振光束；平衡探测装置，其适于探测所述第一偏振光束和第二偏振光束之间的光强差，以便基于所述光强差测量所述待测样品所引起的偏振变化；以及温控装置，其适于检测和控制所述起偏装置的环境温度，并且将所述起偏装置的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内。

Description

光束偏振变化测量装置及其测量方法

技术领域

本公开的各实施例涉及光束偏振测量领域，并且具体地涉及一种高灵敏度的光束偏振变化测量装置及方法。

背景技术

光束偏振测量是科研和工业中最重要的实验测量技术之一。光束偏振度的变化的精密测量在物理学、生物学、化学等众多学科的领域前沿占有十分重要的地位。

正交偏振消光是测量光束偏振变化最常用的方法，这种方法是通过将检偏器放在起偏器的消光位置附近，测量光束经过检偏器后光强的变化，利用马吕斯定理反推出入射光束偏振的变化。

发明内容

本公开的目的之一在于提供一种改进的光束偏振变化测量装置及其方法，其可以有效地改进光束偏振变化的测量精度或灵敏度。

根据本公开的第一方面，提供了一种光束偏振变化测量装置。该装置包括：光源装置，其用于发射预定波长的检测光束；起偏装置，其用于使检测光束起偏，并且将起偏后的偏振光入射至待测样品；检偏装置，其用于接收从待测样品透射或反射的光，并且将经透射或反射的光分解成两束偏振方向相互正交的第一偏振光束和第二偏振光束；平衡探测装置，其适于探测所述第一偏振光束和第二偏振光束之间的光强差，以便基于所述光强差测量所述待测样品所引起的偏振变化；以及温控装置，其适于检测和控制所述起偏装置的环境温度，并且用于将所述起偏装置的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内。

在本公开的光束偏振变化测量装置中，通过控制起偏装置的温度抖动在预定的±0.03度范围内，可以有效地提高光束偏振变化的测量的水平，而且其稳定性好、操作方便、占地小。

在一些实施例中，所述温控装置还适于检测和控制所述检偏装置的环境温度，并且用于将所述检偏装置的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内。在又一些实施例中，所述温控装置还适于检测和控制光源装置的环境温度，并且将所述光源装置的环境温度抖动控制在±0.03度以内。在这些实施例中，通过控制检偏装置和光源装置的温度同样地可以有助于提高光束偏振变化的测量精度或灵敏度达到10^-7rad的水平。

在一些实施例中，所述起偏装置可以包括起偏器和设置在所述起偏器光路下游的布儒斯特窗片。在这些实施例中，通过布置布儒斯特窗片可以有助于提高光束的偏振度。

在一些实施例中，该装置还可以包括封闭腔体，所述光束偏振变化测量装置中的所有有关光路以及光学器件均设置在所述封闭腔体内。以这种方式，可以隔绝外界环境气流所造成的偏振测量噪音。

在一些实施例中，该装置还可以包括光束指向稳定装置，其适于基于对从所述检测光束所分出的部分光进行探测，以获得与所述检测光束的指向性有关的信息，并且基于所述信息来控制所述检测光束入射至所述起偏装置的指向稳定性。

在一些实施例中，所述光束指向稳定装置可以包括角度可调的平面反射镜、位置敏感探测器以及指向稳定反馈电路，所述平面反射镜被布置成反射来自所述光源装置的检测光束，并且经由分束镜分成第一分束和第二分束，所述第一光束被入射至所述位置敏感探测器，所述第二光束被入射至所述起偏装置；所述位置敏感探测器被布置成探测所述第一分束的光信号，以获得与所述检测光束的指向性有关的信息；所述指向稳定反馈电路被布置成接收所述信息，并且基于所述信息控制所述角度可调的平面反射镜，以保持从第二光束入射至所述起偏装置的指向稳定性。

在一些实施例中，所述检测光束入射至所述起偏装置的指向稳定性可以被控制在±10^-6rad的范围内。

在一些实施例中，温控装置可以包括温度调节壳体，所述温度调节壳体所包围的空间内的温度能够被操作地调节，所述起偏装置中的至少一部分可以被定位在所述空间内。

在一些实施例中，所述温度调节壳体可以包括导热壳体以及缠绕在所述导热壳体上的加热丝。

根据本公开的第二方面，提供了一种光学装置。该光学装置可以包括根据第一方面中所述的光束偏振变化测量装置。

根据本公开的第三方面，提供了一种光束偏振变化测量方法。该方法包括：使用温控装置检测起偏装置的环境温度，并且将所述起偏装置的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内；使用光源装置发射预定波长的检测光束；使用起偏装置让所述检测光束起偏，并且将起偏后的偏振光入射至待测样品；使用检偏装置接收从待测样品透射或反射的光，并且将经透射或反射的光分解成两束偏振方向相互正交的第一偏振光束和第二偏振光束；以及使用平衡探测装置探测所述第一偏振光束和第二偏振光束之间的光强差，以便经由所述光强差测量所述待测样品所引起的偏振变化。

在一些实施例中，该方法还可以包括：使用所述温控装置检测所述检偏装置的环境温度，并且将所述检偏装置的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内。

在一些实施例中，该方法还可以包括：使用所述温控装置检测所述光源装置的环境温度，并且将所述光源装置的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内。

在一些实施例中，该方法还可以包括：使用光束指向稳定装置对从所述检测光束所分出的部分光进行探测，以获得与所述检测光束的指向性有关的信息，并且基于所述信息来控制所述检测光束的指向稳定性。

在一些实施例中，该方法还可以包括：将与所述光束偏振变化测量有关的所有有关光路以及光学器件均放置在封闭腔体中。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开实施例的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。

图1示出了根据本公开的第一示例实施例的光束偏振变化测量装置的示意图。

图2示出了根据本公开的第二示例实施例的光束偏振变化测量装置的示意图。

图3示出了图1和图2中的温控装置的示例性结构。

图4a和图4b分别展示了控制作为光源装置的激光器的温度与否对光束偏振变化测量的影响。

图5示出了起偏装置的温度以及所测量的偏振旋转信号随时间变化的曲线图。

图6示出了检偏装置的温度以及所测量的偏振旋转信号随时间变化的曲线图。

图7展示了气流对偏振变化测量的影响。

图8a和图8b分别展示了检测光束的X方向和Y方向的指向抖动对偏振变化测量的影响。

图9展示了根据本公开的示例性光束偏振变化测量装置所能够获得偏振测量精度。

图10示出了根据本公开的示例光束偏振变化测量方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

如前所述的，正交偏振消光是测量光束偏振变化最常用的方法。然而，在实际实施过程中，光源的光强不稳定会直接影响正交偏振测量的精度。发明人了解平衡探测方法可以用于解决上述光强不稳定的技术问题，其具体实现方案是使得通过检偏器的光束分解成两束偏振方向相互正交的光束，然后使用平衡探测器测量光束偏振变化所引起的两束光之间的光强差。当入射的激光光强发生抖动时，则上述两束光强度会同时抖动，但由于平衡探测器测得的是两束激光强度的差值，光强抖动引入的噪音就可以被抵消。

在研究中，发明人发现：在实际使用中测量环境因素的变化及光束指向抖动这些因素仍会限制平衡探测方法的测量精度。

为了更加深入地了解这些因素对平衡探测方法的测量精度的影响程度，发明人提出了图1至图2的示例实施例的光束偏振变化测量装置，并且进行了大量的实验和计算。具体地，图1示出了根据本公开的第一示例实施例的光束偏振变化测量装置的示意图；图2示出了根据本公开的第二示例实施例的光束偏振变化测量装置的示意图。由于图1和图2的差别仅在于透射式样品测量和反射式样品测量，因此下面将结合两者一起进行描述图1和图2的光束偏振变化测量装置的结构和工作原理。

如图1和图2所示，该光束偏振变化测量装置10可以主要包括光源装置1、起偏装置2、检偏装置3、平衡探测装置4、以及温控装置8。

光源装置1用于发射预定波长的检测光束。这里，预定波长可以视具体地应用而定，其可以包括但不限于可见光、红外光、紫外光等。在一些实施例中，光源装置1可以是激光源。但在其他的实施例中，其他宽谱光源、窄带光源、偏振光源均是可能的。

起偏装置2用于接收检测光束，使所接收的检测光束起偏，并且将起偏后的偏振光入射至待测样品7或7’。在一些实施例中，起偏装置2可以仅由单独的起偏器22构成。在又一些实施例中，起偏装置2可以是起偏组件。例如，在图1和图2的示例中，该起偏装置2可以不仅包括起偏器22，还可以进一步包括半波片21、布儒斯特窗片23，其中半波片22可以被布置在起偏器22的光路上游，而布儒斯特窗片23可以布置在起偏器22的光路下游，其中通过使用半波片21、起偏器22和布儒斯特窗片23的组合可以有助于提高光束的偏振度。在使用布儒斯特窗片时，其方法是将入射角调整至布儒斯特角位置，由此可以使得p偏振光的反射率远小于s偏振光。

从起偏装置2出射的偏振光可以入射至待测样品7或7’，其中待测样品7可以是透射式样品(参见图1)或反射式样品7’(参见图2)。具体采用透射式样品还是反射式样品，可以视样品本身的情况而定。从待测样品7或7’透射或反射的光的偏振变化可以反映待测样品本身的特性，譬如成分、结构或特征尺寸。在一些实施例中，从起偏装置2出射的偏振光经由平面镜11(参见图1)而入射至待测样品7或7’。

为了更为精确地测量从待测样品7或7’透射或反射的光的偏振变化，本公开采用了平衡探测方法。具体地，从待测样品7或7’透射或反射的光被入射至检偏装置3，并且将经透射或反射的光分解成两束偏振方向相互正交的第一偏振光束和第二偏振光束。在一些实施例中，检偏装置3可以仅由检偏器31构成。作为示例，该检偏器31可以是沃拉斯通棱镜。在又一些实施例中，检偏装置3可以是检偏组件。譬如，该检偏组件可以包括半波片32和诸如沃拉斯通棱镜的检偏器31的组合，其中半波片32可以设置在检偏器31的上游。这里，半波片32的作用在于：可以在测试时，通过旋转半波片32来人为引入一个被测光偏振角度的变化，而后通过记录平衡探测器的输出信号幅值，就可以提前获知光束偏振角度变化与平衡探测器输出信号幅值之间的对应关系。

平衡探测装置4被布置成探测上述第一偏振光束和第二偏振光束之间的光强差，并且基于所述光强差测量待测样品所引起的偏振变化。

基于上述布置的偏振变化可以通过以下理论公式来计算。

譬如，我们可以用琼斯矩阵的方法进行计算。假设从例如激光器的光源装置1出射的光束的偏振态为：

考虑到激光器出来的激光是近似线偏振的,因此有E_s0＞＞E_p0。

可以使起偏器22的透射轴方向放置在90度，也就是s光偏振的方向，因此起偏器22的琼斯矩阵为：

假设经过样品7或7’之后光束偏振有一个小角度θ_k的旋转，这个变化的琼斯矩阵可以写成：

半波片32的光轴方向放在α角度，它的琼斯矩阵可以写成：

通过半波片32后，激光光束的偏振态为：

通过例如沃拉斯通棱镜的检偏器31后，光束可以被分解成s光和p光，平衡探测装置4测量这两束光之间的光强差I_信号：

I_信号≈(-cos2α+2θ_ksin2α)·|E_s0|²

在测量样品之前(此时θ_k＝0)，可以先用半波片32把两束光的光强差调到零附近，由此得知半波片的角度。可以设计α＝45°，此时，最终探测器测得的两束光的光强差I_信号为：

I_信号＝2I₀θ_k (1)

因此，可以使用公式(1)来测量待测样品所引起的偏振变化。

发明人意识到不同的环境因素和/或工作参数的波动会对上述θ引入偏振角偏振噪音θ_噪音。

譬如，当起偏装置中的起偏器的透射轴受温度影响而变化时，会在偏振变化测量中额外引入偏振角偏转噪音θ_{噪音-起偏器}(ΔT)≈k₁ΔT_起偏器，其中ΔT_起偏器是起偏器温度的变化，k₁是起偏器温度的变化和它引入的偏振转角噪音之间的比例系数，根据实验测量结果，有k₁≈3.5×10^-5rad/℃。

由于检偏器的原理与起偏器相同，因此检偏装置中的检偏器温度的变化也会影响透过检偏器后光的偏振在s方向和p偏振方向上的分量，从而在偏振变化测量中引入噪音，类似的有θ_{噪音-检偏器}(ΔT)≈k₂ΔT_检偏器，其中ΔT_检偏器是检偏器温度的变化，k₂是检偏器温度的变化和它引入的偏振转角噪音之间的比例系数，根据实验测量结果，有k₂≈2.5×10^-5rad/℃。

又例如，气流扰动和激光指向抖动也会引入偏振角偏转噪音θ_{噪音-气流}和θ_{噪音-指向}。激光指向的抖动可以分解为水平方向(X方向)和竖直方向(Y方向)，根据测量结果，有θ_{噪音-指向-x方向}≈0.07·δ_X，其中δ_X是激光光束指向在水平方向上的抖动；以及θ_{噪音-指向-Y方向}≈0.3·δ_Y，其中δ_Y是激光光束指向在竖直方向上的抖动。

此外，作为光源装置的激光器的输出光束的偏振和强度波动仍能通过起偏器不完美的消光比对信号产生影响。由于考虑到起偏器的不完美，穿过它的光束就不能看成纯的线偏振光，可以将透过起偏器后的光束偏振态写成：

假设起偏装置中的起偏器的消光比为β，

调平衡前平衡探测装置测量的两束光之间的光强差为：

I′_信号≈-cos2α·|E_s1|²+2sin2α·E_s1·E_p1

此时再用半波片32把两束光的光强差调到零附近，半波片的角度α就不再是45°，而是45°+Δ。考虑激光光束在s和p偏振方向上电场的抖动，电场可以写成：

最终在探测器上可以测得信号的抖动为

ΔI′_信号所对应偏振转角噪音为

如果激光器是氦氖激光器，随着氦氖管温度的变化，管的长度也在不断膨胀和收缩，导致激光频率模式在不断改变，这个过程也叫做扫模。不同模式的光束对应着不同方向的偏振(s和p方向)，在扫模过程中，s偏振方向的模式和p偏振方向的模式的变化是相反的，因此有

这导致

最后，探测器上测量的噪音是各种不同因素累加的结果，即有：

鉴于上述理论分析和实验证实，发明人意识到：测量和控制温度变化对于偏振变化的影响是有利的，因此，本公开进一步的构思在于：光束偏振变化测量装置10还可以包括温控装置8。该温控装置8可以针对起偏装置2、检偏装置3、和光源装置1中的至少一者或多者进行布置，以便对起偏装置2、检偏装置3、和光源装置1中的至少一者或多者的环境温度或工作温度进行监测和控制。

仅作为示例，图3示出了示例性温控装置的具体布置。如图3所示，该温控装置8可以包括温度调节壳体81以及对应的温控反馈电路82。温度调节壳体81可以例如包括导热壳体83以及缠绕在导热壳体上的加热丝84，其中加热丝84可以电连接至温控反馈电路82。

在一些实施例中，温控反馈电路82可以进一步包括内嵌的温度测量装置(例如，至少一个温度计)和PID反馈调节系统。上述温度测量装置可以被布置在导热壳体83所包围的空间内，用于测量该空间内的环境温度或者安置在该空间内的器件(例如，起偏装置2、检偏装置3或光源装置1)的环境温度或工作温度。在一些实施例中，起偏装置2、检偏装置3或光源装置1可以各自具有对应的温度调节壳体81以及对应的温控反馈电路82。在又一些实施例中，如图1和图2所示的，起偏装置2、检偏装置3或光源装置1可以各自具有对应的温度调节壳体81，但共享一个温控反馈电路82。

在起偏装置2、检偏装置3或光源装置1拥有各自对应的的温度调节壳体81的实施例中，起偏装置2、检偏装置3或光源装置1的至少一部分可以被布置在上述温度调节壳体81所包围的空间内。例如，可以使得起偏装置2的仅一部分(例如，核心部件-起偏器22)被布置在上述空间内。又例如，可以使得检偏装置的仅一部分(例如，核心部件-检偏器31)被布置在上述空间内。优选地，起偏装置2和检偏装置3被布置为不接触温度调节壳体81的导热壳体83，这可以避免起偏装置2和检偏装置3的温度过于剧烈地变化，而对于光源装置1而言，诸如激光器的光源装置1的壳体接触导热壳体83可能不成问题，因为光源装置1本身在工作中可以产生大量的热。

在一些实施例中，导热壳体83可以为金属壳体。在一些实施例中，温度调节壳体81可以仅提供主动加热功能，而没有主动冷却功能，此时温度调节壳体81所包围的空间内的环境温度或工作温度的冷却可以通过自然冷却来进行。当然，设置有主动冷却功能的温度调节壳体81也是可能的。

发明人还意识到：测量和控制检测光束的指向性波动对于偏振变化是有利的，因此本公开进一步的构思还在于：光束偏振变化测量装置10还可以包括光束指向稳定装置5，其适于基于对从检测光束所分出的部分光进行探测，以获得与所述检测光束的指向性有关的信息，并且基于所述信息来控制所述检测光束入射至所述起偏装置2的指向稳定性。

在一些实施例中，如图1和图2所示，光束指向稳定装置5例如可以包括角度可调的平面反射镜51、位置敏感探测器52以及指向稳定反馈电路53。仅作为示例，平面反射镜51例如可以被布置成反射来自所述光源装置1的检测光束，并且经由分束镜9分成第一分束和第二分束，其中第一光束被入射至所述位置敏感探测器52，第二光束被入射至起偏装置2。位置敏感探测器52例如可以被布置成探测所述第一分束的光信号，以获得与所述检测光束的指向性有关的信息。该指向稳定反馈电路53可以被布置成接收上述信息，并且基于所述信息控制所述角度可调的平面反射镜51，以保持从第二光束入射至所述起偏装置2的指向稳定性。在一些实施例中，光束指向稳定装置5的布置可以与图1和图2有所不同。例如，使用角度可调的曲面反射镜代替平面反射镜51也是可能的。又例如，分束镜9的位置设置在起偏装置2之后也是可能的。

发明人还意识到：控制光束偏振变化测量装置所处的环境的气流波动是有利的。因此，本公开进一步的构思还在于：提供封闭腔体6，并且使得光束偏振变化测量装置10中的所有有关光路以及光学器件均设置在该封闭腔体内。

下面图4a至图9展示了不同环境因素和/或参数变化对偏振变化测量的影响。

图4a和图4b分别展示了控制作为光源装置的激光器的温度与否对光束偏振变化测量的影响，其中图4a为不对激光器控温的结果，图4b为对激光器控温后的结果。在该示例中，选择了功率为12mW的氦氖激光器作为光源装置进行验证。

从图4a和图4b的比较中可见，激光器的温度稳定度的提高可以明显减少偏振变化测量中的噪声。特别地，实验表明，如果光源装置1的工作温度抖动控制在±0.03度的范围以内，更为特别地±0.01度的范围以内，可以有效地获得10^-7rad的偏振测量精度。

图5展示了起偏装置的温度和所测量的偏振旋转信号随时间变化的曲线图；图6展示了检偏装置的温度和所测量的偏振旋转信号随时间变化的曲线图。在该示例中，检偏装置选取为沃拉斯通棱镜。

从图5和图6中可以看出，测量中当起偏器和沃拉斯通棱镜的温度呈周期性变化时，平衡探测器所测量的偏振旋转信号随温度对起偏器和沃拉斯通棱镜的周期调制同步变化，说明起偏器和沃拉斯通棱镜温度稳定性的提高可以减少偏振测量中的噪声。特别地，实验表明，如果起偏装置和检偏装置的温度抖动控制±0.03度的范围以内，更为特别地±0.01度的范围以内，可以有效地获得10^-7rad的偏振测量精度。

图7展示了气流对偏振变化测量的影响。该影响的测量例如可以通过以下操作来进行：使得整个测量装置处于开放环境中时，记录一段时间平衡探测器信号随时间的变化，随后将整个测量密封在一封闭腔体内，再记录一段时间探测器信号随时间的变化。

从图7所示，明显可见环境气流的扰动会使偏振测量噪音增大6倍左右。

图8a和图8b分别展示了X方向和Y方向的指向抖动对偏振变化测量的影响，该影响的测量可以例如通过在测量中周期性调节平面反射镜X轴和Y轴的角度，同时记录位置敏感探测器(例如，位置敏感探测器可以被距离平面反射镜约0.8米)和平衡探测装置信号变化来进行，其中X和Y分别代表水平和竖直位置。实验表明，如果X方向或Y方向的激光指向的抖动至少稳定在±10^-6rad的范围内时，可以有效地获得10^-7rad的偏振测量精度。

图9展示了根据本公开的示例性光束偏振变化测量装置所能够获得偏振测量精度。这里，我们使用一块金属镍薄膜作为待测样品，监测一段时间内平衡探测装置输出信号幅值的变化，其中测量是在密封条件下，且在对激光器、起偏器、检偏器进行温控以及使激光光束指向稳定的控制参数下进行的，该系统可实现

的偏振变化测量精度。

下面将概要地描述本公开的光束偏振测量方法。图10示出了根据本公开的示例光束偏振变化测量方法的流程图。如图10所示，该光束偏振变化测量方法100可以至少包括以下步骤。

在框110，使用温控装置检测起偏装置的环境温度，并且将所述起偏装置的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内。实验表明，将起偏装置的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内，特别地在±0.01度的范围内，可以有效地提高光束偏振变化的测量精度或灵敏度。

可以理解，尽管这里仅限定了检测和控制起偏装置的环境温度，但在一些实施例中，该方法还可以进一步包括使用温控装置检测和控制检偏装置的环境温度，并且将检偏装置的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内。实验表明，将检偏装置的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内，特别地在±0.01度的范围内，可以有效地提高光束偏振变化的测量精度或灵敏度。

在又一些实施例中，该方法还可以进一步包括使用温控装置检测和控制所述光源装置的环境温度，并且将光源装置的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内。实验表明，将光源装置的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内，特别地在±0.01度的范围内，可以有效地提高光束偏振变化的测量精度或灵敏度。

如前所述的，对起偏装置、检偏装置和光源装置中的至少一者进行温度控制，均有助于提高光束偏振变化的测量精度或灵敏度。

在框120，使用光源装置发射预定波长的检测光束。作为示例，该光源装置例如可以是激光光源，例如氦氖激光器。所发射的预定波长例如可以根据应用而定。

在框130，使用起偏装置让所述检测光束起偏，并且将起偏后的偏振光入射至待测样品。在一些实施例中，待测样品可以是透射式样品或者反射式样品。在一些实施例中，起偏装置可以由单独的起偏器构成，或者可以是起偏组件。譬如，起偏组件可以包括起偏器和布儒斯特窗片。在使用布儒斯特窗片时，其方法是将入射角调整到布儒斯特角位置，使例如p偏振光反射率远小于s偏振光，由此提高光束的偏振度。

在框140，使用检偏装置接收从待测样品透射或反射的光，并且将经透射或反射的光分解成两束偏振方向相互正交的第一偏振光束和第二偏振光束。在一些实施例中，检偏装置例如可以包括沃拉斯通棱镜。

在框150，使用平衡探测装置探测第一偏振光束和第二偏振光束之间的光强差，以便经由所述光强差测量所述待测样品所引起的偏振变化。

此外，控制检测光束的指向稳定性也非常有助于提高光束偏振变化的测量精度或灵敏度。因此，在一些实施例中，该方法还可以包括：使用光束指向稳定装置对从检测光束所分出的部分光进行探测，以获得与所述检测光束的指向性有关的信息，并且基于所述信息来控制所述检测光束的指向稳定性。该步骤例如可以通过包括角度可调的平面反射镜、位置敏感探测器以及指向稳定反馈电路的光束指向稳定装置来实现。

实验表明，使得检测光束入射至所述起偏装置的指向稳定性被控制在±10^-6rad的范围内，可以有效地提高光束偏振变化的测量精度或灵敏度。

在一些实施例中，该方法还可以包括：将与光束偏振变化测量有关的所有有关光路以及光学器件均放置在封闭腔体中。通过将有关光路以及光学器件均放置在封闭腔体中，可以减少环境气流波动对光束偏振变化的影响。

以上已经详细地描述了本公开的各个示例实施例及其相关的方法，应当理解，本公开的光束偏振变化测量装置及其方法可以有效地改进光束偏振变化的灵敏度或精度，其改进后的偏振测量灵敏度可以达到

的水平。此外，本公开的装置成本低、占地小，操作方便、稳定性好。还应当理解，本公开的装置还可能并入至其他的光学装置中，以实现更为广泛的应用。

虽然已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但这些说明和描述应被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所请求保护的发明中，通过研究附图、公开和所附权利要求可以理解并且实践所公开的实施例的其它变型和组合。

此外，尽管说明书中以特定的顺序描述了方法的步骤，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果，相反，描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可以满足在权利要求中阐述的多个项目的功能。仅在互不相同的实施例或从属权利要求中记载某些特征的仅有事实，并不意味着不能有利地使用这些特征的组合。在不脱离本申请的精神和范围的情况下，本申请的保护范围涵盖在各个实施例或从属权利要求中记载的各个特征任何可能组合。

在权利要求中的任何参考标记不应被理解为限制本发明的范围。

Claims (13)

1.一种光束偏振变化测量装置(10)，包括：

光源装置(1)，其用于发射预定波长的检测光束；

起偏装置(2)，其用于使检测光束起偏，并且将起偏后的偏振光入射至待测样品；

检偏装置(3)，其用于接收从待测样品透射或反射的光，并且将经透射或反射的光分解成两束偏振方向相互正交的第一偏振光束和第二偏振光束；

平衡探测装置(4)，其适于探测所述第一偏振光束和第二偏振光束之间的光强差，以便基于所述光强差测量所述待测样品所引起的偏振变化；以及

温控装置(8)，其适于分别检测和控制所述起偏装置(2)和所述检偏装置(3)两者所在的环境温度，并且针对10^-7rad的偏振测量精度，将所述起偏装置(2)和所述检偏装置(3)两者的环境温度抖动均控制在±0.03度的范围内；

其中所述温控装置(8)包括第一温度调节壳体和第二温度调节壳体，所述第一温度调节壳体和所述第二温度调节壳体两者各自所包围的空间内的温度能够被操作地调节，所述起偏装置(2)被定位在所述第一温度调节壳体所包围的空间内，所述检偏装置(3))被定位在所述第二温度调节壳体所包围的空间内。

2.根据权利要求1所述的光束偏振变化测量装置(10)，其中所述温控装置(8)还适于检测和控制所述光源装置(1)的环境温度，并且还用于将所述光源装置(1)的环境温度抖动控制在±0.03度以内。

3.根据权利要求1或2所述的光束偏振变化测量装置(10)，其中所述起偏装置(2)包括起偏器(22)和设置在所述起偏器(22)光路下游的布儒斯特窗片(23)。

4.根据权利要求1或2所述的光束偏振变化测量装置(10)，还包括封闭腔体(6)，所述光束偏振变化测量装置(10)中的所有有关光路以及光学器件均设置在所述封闭腔体内。

5.根据权利要求1或2所述的光束偏振变化测量装置(10)，还包括光束指向稳定装置(5)，其适于基于对从所述检测光束所分出的部分光进行探测，以获得与所述检测光束的指向性有关的信息，并且基于所述信息来控制所述检测光束入射至所述起偏装置(2)的指向稳定性。

6.根据权利要求5所述的光束偏振变化测量装置(10)，所述光束指向稳定装置(5)包括角度可调的平面反射镜(51)、位置敏感探测器(52)以及指向稳定反馈电路(53)，

所述平面反射镜(51)被布置成反射来自所述光源装置(1)的检测光束，并且经由分束镜(9)分成第一光束和第二光束，所述第一光束被入射至所述位置敏感探测器(52)，所述第二光束被入射至所述起偏装置(2)；

所述位置敏感探测器(52)被布置成探测所述第一光束的光信号，以获得与所述检测光束的指向性有关的信息；

所述指向稳定反馈电路(53)被布置成接收所述信息，并且基于所述信息控制所述角度可调的平面反射镜(51)，以保持从第二光束入射至所述起偏装置(2)的指向稳定性。

7.根据权利要求6所述的光束偏振变化测量装置(10)，所述检测光束入射至所述起偏装置(2)的指向稳定性被控制在±10^-6rad的范围内。

8.根据权利要求1所述的光束偏振变化测量装置(10)，所述温度调节壳体(81)包括导热壳体以及缠绕在所述导热壳体上的加热丝。

9.一种光学装置，其包括根据权利要求1-8中任一项所述的光束偏振变化测量装置(10)。

10.一种光束偏振变化测量方法，包括：

使用温控装置(8)分别检测起偏装置(2)和检偏装置(3)所在的环境温度，并且针对10^{- 7}rad的偏振测量精度，将所述起偏装置(2)和检偏装置(3)两者的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内，其中所述温控装置(8)包括第一温度调节壳体和第二温度调节壳体，所述第一温度调节壳体和所述第二温度调节壳体两者各自所包围的空间内的温度能够被操作地调节，所述起偏装置(2)被定位在所述第一温度调节壳体所包围的空间内，所述检偏装置(3)被定位在所述第二温度调节壳体所包围的空间内；

使用光源装置(1)发射预定波长的检测光束；

使用起偏装置(2)让所述检测光束起偏，并且将起偏后的偏振光入射至待测样品；

使用检偏装置(3)接收从待测样品透射或反射的光，并且将经透射或反射的光分解成两束偏振方向相互正交的第一偏振光束和第二偏振光束；以及

使用平衡探测装置(4)探测所述第一偏振光束和第二偏振光束之间的光强差，以便经由所述光强差测量所述待测样品所引起的偏振变化。

11.根据权利要求10所述的光束偏振变化测量方法，还包括：

使用所述温控装置(8)检测所述光源装置(1)的环境温度，并且将所述光源装置(1)的环境温度抖动控制在±0.03度的范围内。

12.根据权利要求10或11所述的光束偏振变化测量方法，还包括：

使用光束指向稳定装置(5)对从所述检测光束所分出的部分光进行探测，以获得与所述检测光束的指向性有关的信息，并且基于所述信息来控制所述检测光束的指向稳定性。

13.根据权利要求10或11所述的光束偏振变化测量方法，还包括：

将与所述光束偏振变化测量有关的所有有关光路以及光学器件均布置在封闭腔体(6)中。

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