CN114720095B - 一种波片相位延迟量和快轴方向的测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波片相位延迟量和快轴方向的测量装置及方法，该装置由He‑Ne激光器、分束器、空间光调制器、线起偏器、道威棱镜、反射镜、CCD相机和计算机组成,并基于马赫曾德尔干涉原理进行搭建。本发明利用拉盖尔高斯光束干涉对光程差进行绝对测量，将待测波片放置与反射镜和分束器之间的光路中，首先记录待测波片其中一个主轴与线起偏器透光轴平行时的拉盖尔高斯光束干涉图，旋转待测波片，然后记录待测波片另一个主轴与线起偏器透光轴平行时的拉盖尔高斯光束干涉图，通过测量旋转待测波片前后的拉盖尔高斯光束干涉图的旋转角度以及旋转方向，可以准确测量波片真正的相位延迟量和快轴方向，测量精度高，结构简单且紧凑，操作简单。

Description

一种波片相位延迟量和快轴方向的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及波片测量技术领域，具体涉及一种基于拉盖尔高斯光束干涉的波片相位延迟量和快轴方向测量装置及方法。
背景技术
光的偏振状态在光与物质相互作用的过程中的众多领域中发挥着重要作用，例如量子通信，光学检测，生物测量等领域。因此，光束偏振态的测量和转换在这些领域中是一个不可或缺的技术，而波片是实现光的偏振态测量及转换的重要光学元件。波片能使沿其两个主轴方向的偏振光产生相位延迟，相位延迟量与波片厚度、双折射率等因素有关，直接决定了波片的质量，从而影响光学系统的性能。因此，为了提高在偏振技术领域的光学系统性能，需要精确测量波片的相位延迟量和其快轴方向。
目前针对波片参数的测量技术虽然能够对波片的相位延迟量和快轴方向进行测量，但这类方法都存在一些问题：
1）波片相位延迟量测量精确度不高，操作复杂，如硕士论文《波长相位延迟量的智能化测量技术再研究》中所提的四步相移法测量，测量过程中检偏器需进行四次机械转动，大大降低了实验效率，降低实验精度；
2）波片相位延迟量测量精确度相对较高，但结构复杂，操作相对困难，如论文《波片相位延迟量精密测量新方法》中所提出的旋转波片法，该方法引入机械-光学旋光调制器，实际操作相对困难；
3）一些具有很高测量精度的方法，但其测量过程和数据处理相对复杂，如使用两个光弹调制器对波片的相位延迟量和快轴方向进行测量的方法中，光弹调制器标定以及所获得的数据处理都较为复杂。
拉盖尔高斯光束具有螺旋形相位波前，并且其存在相位奇点即中心光强为零，其 光场表达式含有exp(ilθ)的希尔伯特相位因子，拉盖尔高斯光束与普通光束最大的不同是 拉盖尔高斯光束具有轨道角动量，每个光子携带的轨道角动量，其中为拉盖尔高斯光束 的拓扑荷数，ħ为约化普朗克常数。拉盖尔高斯光束具有镜像性，拉盖尔高斯光束与其镜像 拉盖尔高斯光束干涉可产生圆周均匀分布的类菊花花瓣干涉图案，花瓣数为拉盖尔高斯光 束拓扑荷数的2倍。当干涉装置其中一臂的光程差变化时，类菊花花瓣干涉图案就会发生旋 转，且较小的光程差可以转化为较大的干涉图案的旋转角度。基于以上特性我们提出了一 种基于拉盖尔高斯光束干涉的波片相位延迟量和快轴方向测量方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能同时对波片的相位延迟量和快轴方向进行测量基于拉盖尔高斯光束干涉的波片相位延迟量和快轴方向测量装置及方法。
为实现本发明的发明目的，本发明提供的技术方案是一种波片相位延迟量和快轴方向的测量装置，包括He-Ne激光器1、第一分束器2、空间光调制器3、线起偏器4、第二分束器5、第一反射镜6、道威棱镜7、待测波片8、第二反射镜9、第三分束器10、CCD相机11、计算机12，所述测量装置的光路结构为： He-Ne激光器1发出的高斯光束经第一分束器2透射后，进入空间光调制器3上，转化为拉盖尔高斯光束，由空间光调制器3反射后的拉盖尔高斯光束经第一分束器2反射后，通过线起偏器4起偏，起偏后的拉盖尔高斯光束经第二分束器5分成透射拉盖尔高斯光束和反射拉盖尔高斯光束，其中，反射拉盖尔高斯光束经反射镜6反射后，通过待测波片8后照射到第三分束器10；透射拉盖尔高斯光束经道威棱镜7后转化为拉盖尔高斯光束的镜像光束，拉盖尔高斯光束的镜像光束由第二反射镜9反射照射到第二分束器10后，与透射拉盖尔高斯光束进行干涉叠加，干涉产生的光场进入CCD相机11成像，记录并存储进计算机12。
所述的线偏振器4为竖直放置，线偏振器4的透光轴在竖直方向。
所述的待测波片8的两个主轴分别为轴I和轴II，分别对应主折射率n1和n2。
所述的干涉产生的光场为圆周均匀分布的类菊花花瓣强度图。
所述的He-Ne激光器1的波长为632.8nm。
所述的空间光调制器3为HOLOEYE反射型。
本发明还提供了一种波片相位延迟量和快轴方向的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1，将He-Ne激光器1、第一分束器2、空间光调制器3、线起偏器4、第二分束器5、第一反射镜6、道威棱镜7、待测波片8、第二反射镜9、第三分束器10、CCD相机11、计算机12，布置好测量光路；
步骤S2，打开He-Ne激光器光源，He-Ne激光器1发出基膜高斯光束经第一分束器2射入空间光调制器3中，生成拉盖尔高斯光束后经第一分束器2反射，再通过线起偏器4起偏，起偏后的拉盖尔高斯光束经第二分束器5分成透射拉盖尔高斯光束和反射拉盖尔高斯光束，其中透射拉盖尔高斯光束经道威棱镜7成为拉盖尔高斯光束的镜像光束，其镜像光束由第二反射镜9反射照射到第三分束器10，反射拉盖尔高斯光束经第一反射镜6后的拉盖尔高斯光束和其镜像光束在第三分束器10干涉叠加，产生圆周均匀分布的类菊花花瓣，由CCD相机11记录并存储进计算机12；
所述的步骤S2中，
拉盖尔高斯光束的复振幅为，
其中C是归一化常数，是束腰半径，；
r为径向距离，为方位角，，，为源平面的坐标，
所述的拓扑荷数为的拉盖尔高斯光束与拓扑荷数为的镜像光束复振幅表达式 可简化为，
所述的拉盖尔高斯光束与其镜像光束干涉后，光场表达式为，
CCD相机11记录下的干涉光强为，
干涉花瓣具有圆周均匀分布结构，由式中存在cos函数调制，对 进行一阶和 二阶求导，最终可知，干涉花瓣数与拉盖尔高斯光束拓扑荷数之间的关系为，
。
步骤S3，将待测波片8放置在所述的第一反射镜6至第三分束器10之间的光路中，并使待测波片8的主轴I与线起偏器4的透光轴平行，CCD相机11记录此时的干涉光强花瓣图I并存储与计算机中；
步骤S4，将待测波片8绕系统光轴旋转90度，即待测波片8的主轴II的方向与线起偏器4的透光轴平行，此时产生的干涉光强花瓣图II，相对于步骤S3中的干涉光强花瓣图I发生旋转，CCD相机11记录此时的干涉光强花瓣图II并存储与计算机12中；
步骤S5， 通过测量干涉光强花瓣图I和干涉光强花瓣图II之间的旋转角度，测出待测波片8沿主轴I和主轴II方向引入的光程差，最终获取待测波片8真正的相位延迟量；
所述的步骤S5中，
待测波片8对沿其主轴I、主轴II方向偏振光引入的光程差∆为，
其中为待测波片8的厚度，
待测波片8旋转分别使主轴I和主轴II与线起偏器4的透光轴平行，旋转前后引入 光程差；
此时的光场表达式为，
其中，为波数，为波长；
则待测波片8沿其主轴I和主轴II方向偏振拉盖尔高斯光束引起的干涉花瓣图旋转角度α为，
干涉图旋转角度与光程差的比值为，
由上述公式可知，测出干涉光强花瓣图II相对于干涉光强花瓣图I的旋转角度即 可测出待测波片沿主轴I和主轴II方向偏振拉盖尔高斯光束引起的光程差，其相位延迟 量为，
为所述待测波片真正的相位延迟量。
步骤S6，通过观察光强花瓣图II相对于光强花瓣图I的旋转方向，确定待测波片8的快轴方向；若旋转方向为顺时针旋转，则主轴I为快轴方向；若旋转方向为逆时针方向，则主轴II为快轴方向；
最终，实现对待测波片的相位延迟量和快轴方向的测量。
本发明的有益效果包括：
本发明利用拉盖尔高斯光束对波片的相位延迟量和快轴方向进行测量，将波片沿其两主轴方向引入的光程差转换为拉盖尔高斯光束与其镜像光束干涉光强图的旋转角度，由于干涉光强图的旋转角度与波片引入的光程差比值很大，因此该方法测量的光程差值精度高即待测波片所测得的相位延迟量误差小。此外，可以根据观察干涉图的旋转方向就可准确判定波片的快轴方向。本发明具有测量精度高，结构简单，操作方便的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的测量波片相位延迟量和快轴方向装置的结构示意图；
图2是本发明使用该测量装置得到的波片主轴I和波片主轴II分别与线起偏器透光轴平行时的干涉花瓣图；
附图标记说明：
1.He-Ne激光器，2.第一分束器，3.空间光调制器，4.线起偏器，5.第二分束器，6.第一反射镜，7.道威棱镜，8.待测波片，9.第二反射镜，10.第三分束器，11.CCD相机，12.计算机。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明的一种波片相位延迟量和快轴方向的测量装置，包括波长为632.8nmHe-Ne激光器1、第一分束器2、空间光调制器3、线起偏器4、第二分束器5、第一反射镜6、道威棱镜7、待测波片8、第二反射镜9、第三分束器10、CCD相机11、计算机12，所述测量装置的光路结构为： He-Ne激光器1发出的高斯光束经第一分束器2透射后，进入HOLOEYE反射型空间光调制器3上，转化为拉盖尔高斯光束，由空间光调制器3反射后的拉盖尔高斯光束经第一分束器2反射后，通过线起偏器4起偏，起偏后的拉盖尔高斯光束经第二分束器5分成透射拉盖尔高斯光束和反射拉盖尔高斯光束，其中，反射拉盖尔高斯光束经反射镜6反射后，通过待测波片8后照射到第三分束器10；透射拉盖尔高斯光束经道威棱镜7后转化为拉盖尔高斯光束的镜像光束，拉盖尔高斯光束的镜像光束由第二反射镜9反射照射到第二分束器10后，与透射拉盖尔高斯光束进行干涉叠加，干涉产生的光场进入CCD相机11成像，记录并存储进计算机12。
其中，所述的线偏振器4为竖直放置，线偏振器4的透光轴在竖直方向。所述的待测波片8的两个主轴分别为轴I和轴II，分别对应主折射率n1和n2。所述的干涉产生的光场为圆周均匀分布的类菊花花瓣强度图。
本发明还提供了一种波片相位延迟量和快轴方向的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1，将He-Ne激光器1、第一分束器2、空间光调制器3、线起偏器4、第二分束器5、第一反射镜6、道威棱镜7、待测波片8、第二反射镜9、第三分束器10、CCD相机11、计算机12，布置好测量光路；
步骤S2，打开He-Ne激光器光源，He-Ne激光器1发出基膜高斯光束经第一分束器2射入空间光调制器3中，生成拉盖尔高斯光束后经第一分束器2反射，再通过线起偏器4起偏，起偏后的拉盖尔高斯光束经第二分束器5分成透射拉盖尔高斯光束和反射拉盖尔高斯光束，其中透射拉盖尔高斯光束经道威棱镜7成为拉盖尔高斯光束的镜像光束，其镜像光束由第二反射镜9反射照射到第三分束器10，反射拉盖尔高斯光束经第一反射镜6后的拉盖尔高斯光束和其镜像光束在第三分束器10干涉叠加，产生圆周均匀分布的类菊花花瓣，由CCD相机11记录并存储进计算机12；
所述的步骤S2中，
拉盖尔高斯光束的复振幅为，
其中C是归一化常数，是束腰半径，；
r为径向距离，为方位角，，，为源平面的坐标，
所述的拓扑荷数为的拉盖尔高斯光束与拓扑荷数为的镜像光束复振幅表达式 可简化为，
所述的拉盖尔高斯光束与其镜像光束干涉后，光场表达式为，
CCD相机11记录下的干涉光强为，
干涉花瓣具有圆周均匀分布结构，由式中存在cos函数调制，对 进行一阶和 二阶求导，最终可知，干涉花瓣数与拉盖尔高斯光束拓扑荷数之间的关系为，
。
步骤S3，将待测波片8放置在所述的第一反射镜6至第三分束器10之间的光路中，并使待测波片8的主轴I与线起偏器4的透光轴平行，CCD相机11记录此时的干涉光强花瓣图I并存储与计算机中；
步骤S4，将待测波片8绕系统光轴旋转90度，即待测波片8的主轴II的方向与线起偏器4的透光轴平行，此时产生的干涉光强花瓣图II，相对于步骤S3中的干涉光强花瓣图I发生旋转，CCD相机11记录此时的干涉光强花瓣图II并存储与计算机12中；
步骤S5， 通过测量干涉光强花瓣图I和干涉光强花瓣图II之间的旋转角度，测出待测波片8沿主轴I和主轴II方向引入的光程差，最终获取待测波片8真正的相位延迟量；
所述的步骤S5中，
待测波片8对沿其主轴I、主轴II方向偏振光引入的光程差∆为，
其中为待测波片8的厚度，
待测波片8旋转分别使主轴I和主轴II与线起偏器4的透光轴平行，旋转前后引入 光程差；
此时的光场表达式为，
其中，为波数，为波长；
则待测波片8沿其主轴I和主轴II方向偏振拉盖尔高斯光束引起的干涉花瓣图旋转角度α为，
干涉图旋转角度与光程差的比值为，
由上述公式可知，测出干涉光强花瓣图II相对于干涉光强花瓣图I的旋转角度即 可测出待测波片沿主轴I和主轴II方向偏振拉盖尔高斯光束引起的光程差，其相位延迟 量为，
为所述待测波片真正的相位延迟量。
步骤S6，通过观察光强花瓣图II相对于光强花瓣图I的旋转方向，确定待测波片8的快轴方向；如图2所示，若旋转方向为顺时针旋转，则主轴I为快轴方向；若旋转方向为逆时针方向，则主轴II为快轴方向；
最终，实现对待测波片的相位延迟量和快轴方向的测量。
所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获。

Claims (7)

1.一种波片相位延迟量和快轴方向的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，将He-Ne激光器(1)、第一分束器(2)、空间光调制器(3)、线起偏器(4)、第二分束器(5)、第一反射镜(6)、道威棱镜(7)、待测波片(8)、第二反射镜(9)、第三分束器(10)、CCD相机(11)、计算机(12)，布置好测量光路；
步骤S2，打开He-Ne激光器光源，He-Ne激光器(1)发出基膜高斯光束经第一分束器(2)射入空间光调制器(3)中，生成拉盖尔高斯光束后经第一分束器(2)反射，再通过线起偏器(4)起偏，起偏后的拉盖尔高斯光束经第二分束器(5)分成透射拉盖尔高斯光束和反射拉盖尔高斯光束，其中透射拉盖尔高斯光束经道威棱镜(7)成为拉盖尔高斯光束的镜像光束，其镜像光束由第二反射镜(9)反射照射到第三分束器(10)，反射拉盖尔高斯光束经第一反射镜(6)后的拉盖尔高斯光束和其镜像光束在第三分束器(10)干涉叠加，产生圆周均匀分布的类菊花花瓣，由CCD相机(11)记录并存储进计算机(12)；
步骤S3，将待测波片(8)放置在所述的第一反射镜(6)至第三分束器(10)之间的光路中，并使待测波片(8)的主轴I与线起偏器(4)的透光轴平行，CCD相机(11)记录此时的干涉光强花瓣图I并存储与计算机中；
步骤S4，将待测波片(8)绕系统光轴旋转90度，即待测波片(8)的主轴II的方向与线起偏器(4)的透光轴平行，此时产生的干涉光强花瓣图II，相对于步骤S3中的干涉光强花瓣图I发生旋转，CCD相机(11)记录此时的干涉光强花瓣图II并存储与计算机(12)中；
步骤S5，通过测量干涉光强花瓣图I和干涉光强花瓣图II之间的旋转角度，测出待测波片(8)沿主轴I和主轴II方向引入的光程差，最终获取待测波片(8)真正的相位延迟量；
步骤S6，通过观察光强花瓣图II相对于光强花瓣图I的旋转方向，确定待测波片(8)的快轴方向；若旋转方向为顺时针旋转，则主轴I为快轴方向；若旋转方向为逆时针方向，则主轴II为快轴方向；
最终，实现对待测波片的相位延迟量和快轴方向的测量。
2.根据权利要求1所述的一种波片相位延迟量和快轴方向的测量方法，其特征在于，所述的线起偏器(4)为竖直放置，线起偏器(4)的透光轴在竖直方向。
3.根据权利要求1所述的一种波片相位延迟量和快轴方向的测量方法，其特征在于，所述的干涉产生的光场为圆周均匀分布的类菊花花瓣强度图。
4.根据权利要求1所述的一种波片相位延迟量和快轴方向的测量方法，其特征在于，所述的He-Ne激光器(1)的波长为632.8nm。
5.根据权利要求1所述的一种波片相位延迟量和快轴方向的测量方法，其特征在于，所述的空间光调制器(3)为HOLOEYE反射型。
6.根据权利要求1所述的一种波片相位延迟量和快轴方向的测量方法，其特征在于，所述的步骤S2中，
拉盖尔高斯光束的复振幅为，
其中C是归一化常数，是束腰半径，L|l|是l的拉盖尔多项式，r为径向距离，θ为方位角，x0，y0，z0为源平面的坐标，
拓扑荷数为l的拉盖尔高斯光束与拓扑荷数为-l的镜像光束复振幅表达式可简化为，
El(r，θ)＝Rl(r)exp(ilθ)
E-l(r，θ)＝Rl(r)exp(-ilθ)
所述的拉盖尔高斯光束与其镜像光束干涉后，总光场表达式为，
El(r，θ)+E-l(r，θ)＝2Rl(r)exp(ilθ/2)coslθ
CCD相机(11)记录下的干涉光强为，
I(r，θ)＝2|Rl(r)|2(1+cos(2lθ))
干涉花瓣具有圆周均匀分布结构，由式中存在cos函数调制，对I(r，θ)进行一阶和二阶求导，最终可知，干涉花瓣数n与拉盖尔高斯光束拓扑荷数l之间的关系为，
n＝2l。
7.根据权利要求1所述的一种波片相位延迟量和快轴方向的测量方法，其特征在于，所述的待测波片(8)的两个主轴分别为轴I和轴II，分别对应主折射率n1和n2；
所述的步骤S5中，
待测波片(8)对沿其主轴I、主轴II方向偏振光引入的光程差Δ为，
Δ＝|n1-n2|d
其中d为待测波片(8)的厚度，
待测波片(8)旋转分别使主轴I和主轴II与线起偏器(4)的透光轴平行，旋转前后引入光程差Δ；
此时的光场表达式为，
其中，k＝2π/λ为波数，λ为波长；
则待测波片(8)沿其主轴I和主轴II方向偏振拉盖尔高斯光束引起的干涉花瓣图旋转角度α为，
干涉图旋转角度α与光程差Δ的比值为，
由上述公式可知，测出干涉光强花瓣图II相对于干涉光强花瓣图I的旋转角度α即可测出待测波片沿主轴I和主轴II方向偏振拉盖尔高斯光束引起的光程差Δ，其相位延迟量为，
δ为所述待测波片真正的相位延迟量。
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