CN116297228A - 一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，属于光干涉计量技术领域，包括依次设置的第一偏振片、双折射晶体、补偿器、双折射样品、第二偏振片和会聚部件，入射光线经第一偏振片起偏后形成线偏振光，所述线偏振光经过双折射晶体被分成两束正交偏振的线偏振光，其中一束线偏振光传播经过所述补偿器，双折射样品的透射光由第二偏振片进行检偏，第二偏振片透射的两束光由所述会聚部件会聚并发生干涉，形成偏光干涉仪。本发明使用双折射晶体把一束偏振光分成正交偏振的两束光，用补偿器对双折射晶体出射的其中一束线偏振光作相位补偿，使干涉条纹发生分裂，灵敏度得到极大提升，解决了现有技术中出现的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，属于光干涉计量技术领域。
背景技术
双折射测量技术在物理学、医学、工程研究等方面具有广泛应用，例如测量电磁场分布、材料光学系数、生物质浓度、物体内部应力分布等。此外，还可以用于设计超快光开关、永久光存储器等精密光学元件，绘制光学元件内部双折射分布。目前，这些领域对双折射测量的要求已不仅仅局限于获取粗略的双折射分布，而是更加关注弱双折射的测量，提高测量精度、速度、范围等性能参数，以及测量系统小型化。
目前已有多种双折射测量方法，根据测量原理不同，主要有1/4波片偏光变换法、调制法、偏光干涉法等。1/4波片偏光变换法是最经典的双折射测量系统，被广泛应用于双折射检测分析，检测光源依次通过起偏器、样品、1/4波片和检偏器的检测光路结构，通过旋转波片或检偏器实现偏振角度测量进而实现双折射测量。该方法结构简单，且结果准确，但测量装置必须插入波片，并且测量时需要旋转检偏器或波片，测量精度和灵敏度受限。调制测量法包含有电光调制、磁光调制、声光调制、太赫兹调制等方法，具有速率快、频率高的特点，但其结构相对复杂，成本较高。偏光干涉法即通过两束线偏振光由于具有相位差产生干涉，通过观测到的干涉条纹，便能够推算出对应的被测样品双折射的大小。它能够较为直观的观察出待测样品的光程差大小，但是精度太低，灵敏度较差。因此，如何提升偏光干涉仪的灵敏度成为目前亟需要解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，使用双折射晶体把一束偏振光分成正交偏振的两束光，用补偿器对双折射晶体出射的其中一束线偏振光作相位补偿，灵敏度得到提升，解决了现有技术中出现的问题。
本发明所述的一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，包括依次设置的第一偏振片、双折射晶体、双折射样品和第二偏振片，入射光线经第一偏振片起偏后形成线偏振光，所述线偏振光经过双折射晶体被分成两束正交偏振的线偏振光，其中一束线偏振光传播经过补偿器，所述补偿器对其中一束线偏振光进行相位补偿后两束线偏振光入射至双折射样品，所述双折射样品的透射光由第二偏振片进行检偏，第二偏振片透射的两束光由会聚部件会聚并发生干涉，形成偏光干涉仪。
进一步的，会聚部件的后方还设有检测系统，利用所述检测系统检测所述偏光干涉仪的干涉条纹漂移或检测由干涉条纹漂移导致的光强变化，实现对双折射样品中两束光折射率之差的检测。
进一步的，入射光线为单色光或复色光。
进一步的，会聚部件为会聚透镜，所述第二偏振片透射的两束光由会聚透镜会聚并发生干涉。
进一步的，第一偏振片和第二偏振片为二向色性偏振片、晶体偏振棱镜和布儒斯特偏振片中的一种或多种。
进一步的，双折射晶体为正晶体，所述补偿器位于双折射晶体中o光的出射光路。
进一步的，双折射晶体为负晶体，所述补偿器位于双折射晶体中e光的出射光路。
进一步的，补偿器具有两个通光面，光依次从两个面入射、出射，通过调节光线入射至补偿器的入射角调节光线传播经过补偿器的相位延迟量。
进一步的，双折射样品有两个平行的通光面，所述双折射样品的光轴平行于通光面。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明所述的一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，本发明使用双折射晶体把一束偏振光分成正交偏振的两束光，用补偿器对双折射晶体出射的其中一束线偏振光作相位补偿，在材料色散作用下，使干涉条纹发生分裂，出现两个干涉条纹具有相同级次的现象，利用分裂的干涉条纹测量样品的双折射时，若谐振波长在条纹分裂临界波长附近，理论灵敏度极限为无穷大，与传统偏光干涉仪相比，灵敏度得到极大提升；同时测量精度也得以提升；解决了现有技术中出现的问题。
附图说明
图1为本发明相位补偿超灵敏偏光干涉仪的原理图；
图2为本发明相位补偿超灵敏偏光干涉仪中所用双折射晶体的侧视图；
图3为本发明相位补偿超灵敏偏光干涉仪中光线传播经过补偿器的光路图；
图4为本发明相位补偿超灵敏偏光干涉仪中两路光相位差随波长的变化图；
图5为本发明相位补偿超灵敏偏光干涉仪中干涉条纹随波长的分布图；
图中：1、入射光线；2、第一偏振片；3、双折射晶体；4、补偿器；5、双折射样品；6、第二偏振片；7、会聚部件；8、检测系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1：
如图1所示，本发明所述的相位补偿超灵敏偏光干涉仪，包括依次设置的平行光、第一偏振片2、双折射晶体3、补偿器4、双折射样品5、第二偏振片6、会聚部件7和检测系统8，平行光经第一偏振片2起偏后变成线偏振光，线偏振光经过双折射晶体3被分成两束正交偏振的线偏振光，利用补偿器4补偿其中一束线偏振光的相位后，两束线偏振光入射双折射样品5，双折射样品5的透射光由第二偏振片6检偏，第二偏振片6透射的两束光由会聚部件7会聚并发生干涉，利用检测系统8分析干涉条纹的漂移，可以测量样品的双折射。
为了进一步说明上述实施例，平行光可以为单色光，也可以为复色光。
为了进一步说明上述实施例，第一偏振片2、第二偏振片6可以为二向色性偏振片、晶体偏振棱镜、布儒斯特偏振片，但不局限于这些偏振器件，所有能够对入射光线1起偏振、检偏振的器件都适合于本发明。
为了进一步说明上述实施例，若双折射晶体3为正晶体，补偿器4位于双折射晶体3中o光的出射光路；若双折射晶体3为负晶体，补偿器4位于双折射晶体3中e光的出射光路。
图2为本发明相位补偿超灵敏偏光干涉仪所用双折射晶体3的侧视图，图中虚线表示双折射晶体3的光轴方向，光轴平行于纸面，θ表示双折射晶体3光轴方向与双折射晶体3通光面的夹角。
为了进一步说明上述实施例，补偿器4具有两个通光面，入射光线1依次从两个面入射、出射。
为了进一步说明上述实施例，图3为本发明相位补偿超灵敏偏光干涉仪中光线传播经过补偿器4的光路图，通过调节光线入射补偿器4的入射角α，可以调节光线传播经过补偿器4的相位延迟量，实现相位补偿的动态调节。
为了进一步说明上述实施例，双折射样品5有两个平行的通光面，双折射样品5的光轴平行于通光面，双折射晶体3出射的两束正交偏振光垂直入射双折射样品5的通光面。
为了进一步说明上述实施例，第二偏振片6透射的两束光由会聚透镜会聚并发生干涉。两束光相遇时，它们的相位差
可以表示为：
其中，λ为光波长，Δ(λ)为两束光的光程差，no(λ)、ne(λ)分别为在双折射晶体3中波长为λ的o光、e光折射率，l1、l2分别为双折射晶体3中波长为λ的o光、e光所传播的路径长度，l3为补偿器4的厚度，npc(λ)为补偿器4的折射率，l4为双折射样品的厚度，δnsa(λ)为双折射样品中波长为λ的o光、e光折射率之差，m为干涉级次。
双折射样品5中波长为λ的o光、e光折射率之差发生微小改变d(δnsa(λ))，将导致干涉条纹的谐振波长产生dλ的漂移。由于波长的漂移，色散会导致双折射晶体3中o光、e光折射率分别改变(dno(λ)/dλ)dλ、(dne(λ)/dλ)dλ，其中dno(λ)/dλ、dne(λ)/dλ分别为双折射晶体3中波长为λ的o光、e光的色散系数。色散也会导致补偿器4的折射率改变(dnpc(λ)/dλ)dλ，其中dnpc(λ)/dλ为补偿器4对波长为λ的光的色散系数。在弱双折射情况下，忽略双折射样品5中o光、e光的色散，方程(1)的微分形式可以表示如下：
偏光干涉仪的灵敏度定义为dλ/d(δnsa(λ))，根据公式(2)，灵敏度RIS可表示为：
若双折射晶体3的厚度l1、及θ角已知，通过选取补偿器4的厚度l3，可以使得公式(3)的分母趋于零，从而得到超大的灵敏度，理论灵敏度极限趋于无穷。材料色散在偏光干涉仪增敏方面起到了关键作用。
本实施例的具体应用为：
作为优选，选取冰洲石作为双折射晶体3，选取氟化钡作为补偿器4，由于冰洲石为负晶体，氟化钡片位于冰洲石晶体的e光出射光路。当冰洲石晶体的厚度为10mm，冰洲石晶体的光轴方向与晶体通光面的夹角θ等于45度，氟化钡片的厚度为3.605mm，双折射样品5为通光路径长度为3mm的纯水时。图4为本发明相位补偿超灵敏偏光干涉仪的两路光相位差
随波长λ的变化，曲线a为无双折射时的相位差。从图4可以看出，两路光的相位差随波长不是单调变化，而是出现两个波长具有相同相位差的现象，也就意味着存在两个波长具有相同干涉级次的现象，干涉条纹会发生分裂。给纯水施加一个太赫兹波，导致纯水内部发生双折射，假设水中的o光、e光折射率之差为d(δnsa(λ))＝10-5RIU，偏光干涉仪两路光的相位差/>
随波长λ的变化如图4中的曲线b所示。
图5为本发明相位补偿超灵敏偏光干涉仪的干涉条纹随波长的分布，曲线a为无双折射时的干涉条纹；曲线b为水的双折射折射率之差为1×10-5RIU时的干涉条纹。从图4、图5可以看出，m＝-126级干涉条纹发生分裂，水的双折射引起条纹分裂临界点附近的-126级干涉条纹漂移11nm，据此计算出折射率测量灵敏度达到1.1×106nm/RIU。利用所述探测系统检测干涉条纹的漂移或检测由干涉条纹漂移导致的光强变化，即可实现对双折射样品由双折射引起的相位延迟量的精确测量。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
采用以上结合附图描述的本发明的实施例的一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，用双折射晶体把一束偏振光分成正交偏振的两束光，用补偿器对双折射晶体出射的其中一束线偏振光作相位补偿，在材料色散作用下，使干涉条纹发生分裂，出现两个干涉条纹具有相同级次的现象，精度和灵敏度得到提升，解决了现有技术中出现的问题。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，其特征在于：包括依次设置的第一偏振片(2)、双折射晶体(3)、补偿器(4)、双折射样品(5)、第二偏振片(6)和会聚部件(7)，入射光线(1)经第一偏振片(2)起偏后形成线偏振光，所述线偏振光经过双折射晶体(3)被分成两束正交偏振的线偏振光，其中一束线偏振光传播经过所述补偿器(4)，所述补偿器(4)对其中一束线偏振光进行相位补偿后两束正交偏振的线偏振光入射至双折射样品(5)，所述双折射样品(5)的透射光由第二偏振片(6)进行检偏，第二偏振片(6)透射的两束光由所述会聚部件(7)会聚并发生干涉，形成偏光干涉仪。
2.根据权利要求1所述的一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，其特征在于：所述的会聚部件(7)的后方还设有检测系统(8)，利用所述检测系统(8)检测所述偏光干涉仪的干涉条纹漂移或检测由干涉条纹漂移导致的光强变化，实现对双折射样品(5)中两束光折射率之差的检测。
3.根据权利要求1所述的一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，其特征在于：所述的入射光线(1)为单色光或复色光。
4.根据权利要求1所述的一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，其特征在于：所述的会聚部件(7)为会聚透镜，所述第二偏振片(6)透射的两束光由会聚透镜会聚并发生干涉。
5.根据权利要求1所述的一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，其特征在于：所述的双折射晶体(3)为正晶体，所述补偿器(4)位于双折射晶体(3)中o光的出射光路。
6.根据权利要求1所述的一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，其特征在于：所述的双折射晶体(3)为负晶体，所述补偿器(4)位于双折射晶体(3)中e光的出射光路。
7.根据权利要求1所述的一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，其特征在于：所述的补偿器(4)具有两个通光面，光依次从两个面入射、出射，通过调节光线入射至补偿器(4)的入射角调节光线传播经过补偿器(4)的相位延迟量。
8.根据权利要求1所述的一种相位补偿超灵敏偏光干涉仪，其特征在于：所述的双折射样品(5)有两个平行的通光面，所述双折射样品(5)的光轴平行于通光面。
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Cited By (1)
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2023
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