CN1645083A - 晶体消光比半波电压及波片相位延迟的智能综合测量仪 - Google Patents

Abstract

一种晶体消光比半波电压及波片相位延迟的智能综合测量仪，其构成是：在一脉冲调制光源的光束前进方向呈 45°地设一分光镜，在该分光镜的透射方向依次是起偏器、待测样品、检偏器、第一光电探测器、第一解调及放大电路和第一A/D转换器，该第一A/D转换器的信号线接计算机；该计算机的第一输出通过第一步进电机驱动检偏器绕光轴旋转，该计算机的第二输出通过第二步进电机驱动待测样品绕光轴旋转；在分光镜的反射方向依次是衰减片、第二光电探测器、第二解调及放大电路、第二A/D转换器，该第二A/D转换器的信号线接计算机。本发明不仅能在一台仪器完成多个参数的综合测量，而且具有测量精度高、可靠性好、操作方便的特点。

Description

晶体消光比半波电压及波片相位延迟的智能综合测量仪

技术领域

本发明与晶体有关，属于偏振光学物理检测仪器，特别是一种晶体消光比、半波电压及波片相位延迟的智能综合测量仪。

背景技术

晶体的消光比和半波电压是衡量晶体光学性能的重要参数，反映了晶体内部可能存在的缺陷，如内应力、光学不均匀等，晶体的消光比和半波电压越小，说明晶体的光学质量越好。晶体消光比测量的准确性直接影响晶体的研制、生产和应用。同样，如果晶体的半波电压很高，会给Q开关的驱动电源带来很多麻烦，在Q开关精加工以前，对其半波电压的测试筛选是非常必要的。

波片是物理光学中最基本和常用的光学元件之一，在光学隔离、偏光干涉中，常需要精确测量波片的相位延迟。随着现代工业和科学技术的发展，波片在光学仪器中起着越来越重要的作用，对波片精度要求越来越高，波片本身的精度检测也成为波片制造中的一个重要任务。

测量晶体消光比、半波电压和波片相位延迟的传统方法是工作人员直接用光功率计探测光强。该方法操作步骤繁琐，测量精度低，消光比只能测到10^-2或10^-3，而且只是处在实验室应用阶段，目前国内市场上还没有相应的综合测量仪，很多生产晶体或偏光器件的公司常常是凭经验，用人工目测晶体的消光比和半波电压等参数，根本就没有真正的测量仪器，也谈不上量化测量，所以，样品使用时的精度没有保证，可靠性很差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的复杂性、样品使用时的精度不能保证、不能自动完成测量、不能进行综合性测量等现有技术的不足之处，提供一种晶体消光比、半波电压和波片相位延迟的智能综合测量仪。该综合测量仪采用计算机控制，不仅能够在同一台仪器完成多个参数的综合测量，而且应具有测量精度高、可靠性好、操作方便的特点，以大大提高测量效率。

本发明采用的技术方案是：

一种晶体消光比、半波电压和波片相位延迟的智能综合测量仪，其构成是：一脉冲调制光源，在该脉冲调制光源的光束前进方向呈45°设一分光镜，在该分光镜的透射方向依次是起偏器、待测样品、检偏器、第一光电探测器、第一解调及放大电路和第一A/D转换器，该第一A/D转换器的信号线接计算机的第一输入端；该计算机的第一输出通过第一步进电机驱动检偏器绕光轴旋转运动，该计算机的第二输出通过第二步进电机驱动待测样品绕光轴旋转运动；在所述分光镜的反射方向依次是衰减片、第二光电探测器、第二解调及放大电路、第二A/D转换器，该第二A/D转换器的信号线接计算机的第二输入端。

所述的待测样品台设有两直流电极与一直流电源相连。

下面分别介绍各个参数的测量过程：

一、晶体消光比的测量：

调制光源经分光镜后，反射光作为参考光束，经衰减片后，由第二光电探测器接收，经过第二解调和放大电路，第二A/D转换器，然后送入计算机，计算机处理后获得参考光强信号为I_r。透射光束经起偏器、待测晶体、检偏器，由第一光电探测器接收，经第一解调和放大电路和第一A/D转换器送入计算机，计算机处理后获得探测光强信号，转动检偏器，使起偏器和检偏器的偏振方向垂直，然后转动晶体，所测的最大光强信号为I_⊥max；再转动检偏器，使起偏器和检偏器偏振方向平行，然后再转动晶体，所测的最大光强信号为I_∥max。那么，该晶体的消光比ρ为：

$\mathrm{\ρ}=10\log (\left(\frac{I_{//\max }}{I_r}\right)/\left(\frac{I_{\⊥\max }}{I_r}\right))---\left(1\right)$

二、晶体半波电压的测量：

具有纵向电光效应的单轴晶体，其生长方向为光轴(Z轴)方向。使待测晶体光轴平行于入射光线，电场沿光轴方向。当外加电压为0，光线经过待测晶体时，不产生双折射。当外加电压不为V时，由晶体γ₆₃的纵向电光效应引起的位相差δ为：

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}V---\left(2\right)$

上式中，n_o为待测晶体中的O光折射率；V为外加电压大小；γ₆₃为待测晶体的纵向电光系数。

测量时，待测晶体放置在起偏器和检偏器之间，首先转动检偏器，使起偏器和检偏器的偏振方向垂直，则光线经过检偏器后，由第一光电探测器探测到的光强I_o为：

I_o＝I₁sin² 2θsin²(δ/2)                            (3)

式中，I₁为经过起偏器后的光强；θ为起偏器的偏振方向与晶体中产生的O光或E光某一偏振光之间的夹角。当θ＝45°，δ＝π时，输出光强最大(I_omax＝I₁)，此时所施加的电压就是该晶体的半波电压V_π。

三、波片相位延迟的测量：

待测波片的方位与起偏器的偏振方向和检偏器的偏振方向的夹角分别为α、β。由调制光源出射的椭圆偏振光，经分光镜以后，透射光经起偏器、待测波片和检偏器后，由第一光电探测器接收，根据偏振光干涉的原理，可知其探测到的光强I_o为：

I_o＝I₁(cos²αcos²β+sin²αsin²β+2cosαcosβsinαsinβcosδ)    (4)

式中，I₁为经过起偏器后的光强；δ为待测波片的相位延迟。

由第一步进电机带动检偏器转动，使检偏器的偏振方向平行于起偏器的偏振方向，然后，由第二步进电机带动待测波片转动，使待测波片的方位角和起偏器、检偏器的偏振方向重合，即α＝β＝0°时，此时探测到的光强I_o1为：

I_o1＝I₁                                   (5)

然后，保持起偏器和检偏器的透偏方向平行，将待测波片转动45°，即α＝β＝45°，此时探测到的光强I_o2为：

$I_{o2}=\frac{I_1}{2}(1+\cos \mathrm{\δ})---\left(6\right)$

将(6)、(7)式联立，得到：

$\cos \mathrm{\δ}=\frac{{2I}_{o2}}{I_{o1}}-1---\left(7\right)$

即：

$\mathrm{\δ}=\arccos (\frac{2I_{o2}}{I_{o1}}-1)---\left(8\right)$

从而得到待测波片的相位延迟δ。

智能化控制部分：测量光路中，由第一光电探测器将探测到的脉冲探测光强信号变成交流电信号，再经过解调和放大电路，将交流电信号解调为直流电信号，然后进行A/D转换，并将A/D转换的结果，即探测光强信号送入计算机进行数据处理。参考光路中，同样由第二光电探测器将测到的脉冲参考光强信号变成交流电信号，并且经过第二解调放大和第二A/D转换后，并将A/D转换的结果，即参考光强信号送入计算机进行处理。计算机根据所测样品的不同参数，分别控制两台步进电机，带动检偏器和待测样品绕通光方向转动到所需的位置，同时，计算机根据所测样品参数的测量步骤分别进行数据处理并显示出测量结果。

本发明的技术效果如下：

本发明既可以用于实验室，也可以用于生产现场进行多个参数的实时测量，将光、机、电一体化技术和计算机控制技术有效地结合起来。

由于光源采用的是脉冲调制光源，经第一光电探测器将光强信号转换成交流电信号，需要解调电路进行解调，将交流电信号解调为直流电信号，并且经过直流放大和A/D转换后，由计算机进行数据处理和显示结果。

由于本发明采用了调制光源，而不是用传统的直流光源，不仅消除了光电探测器暗电流的影响，而且，减小了杂散光的影响，大大提高了测量精度。

本发明采用了软件除法技术，是指：调制光源发出的光经45°分光镜后，透射光作为测量光束，分别经过起偏器、待测样品和检偏器后，由第一光电探测器探测光强；反射光作为参考光束，经衰减片由第二光电探测器获得参考光强。两路信号分别经过解调电路、放大电路和A/D转换电路后，送入计算机进行数据处理，计算机把测量光强信号作为分子，把参考光强信号作为分母，二者做除法运算。这一运算，特别是在探测微弱光强时，极大地减小了光源波动的影响。使晶体消光比的测量精度由10^-3提高到10^-6，甚至更高。

总之，本发明智能综合测量仪实现了光、机、电和计算机一体化有效结合，具有测量精度高、可靠性好和操作简便的特点，提高了对晶体或相应偏光器件的检测效率，具有一定的市场意义。所采用的计算机控制技术，不仅提高了仪器的测量精度和可靠性，而且对于国内智能化仪器水平的提高起到推动作用。

附图说明

图1是本发明综合测量仪的光路结构示意图。

图2是本发明测量待测晶体半波电压时外加直流电压的示意图

图3是一般情况下，待测波片的方位与起偏器3的偏振方向和检偏器5的偏振方向的夹角分别为α、β示意图

具体实施方式

先请参照图1，图1是本发明综合测量仪的光路结构示意图，由图可见，本发明晶体消光比半波电压和波片相位延迟的智能综合测量仪的构成是：一脉冲调制光源1，在该脉冲调制光源1的光束前进方向呈45°设一分光镜2，在该分光镜2的透射方向依次是起偏器3、待测样品4、检偏器5、第一光电探测器6、第一解调及放大电路7和第一A/D转换器8，该第一A/D转换器8的信号线接计算机9的第一输入端；该计算机9的第一输出通过第一步进电机10驱动检偏器5绕光轴旋转运动，该计算机9的第二输出通过第二步进电机11驱动待测样品4绕光轴旋转运动；在所述分光镜2的反射方向依次是衰减片12、第二光电探测器13、第二解调及放大电路14、第二A/D转换器15，该第二A/D转换器15的信号线接计算机9的第二输入端。

所述的待测样品台设有两直流电极与一直流电源相连。

本发明的工作过程：

利用本发明测量晶体消光比的具体过程：

调制光源1经分光镜2后，反射光作为参考光束，经衰减片12后，由第二光电探测器13接收，再经第二解调和放大电路14第二A/D转换器15，然后送入计算机9进行数据处理，处理后的参考光强信号为Ir。透射光束经起偏器3、待测晶体4、检偏器5，由第一光电探测器6接收，经过第一解调及放大电路7、第一A/D转换器8，然后送入计算机9进行数据处理；首先转动检偏器5，使起偏器3和检偏器5偏振方向垂直，然后转动待测晶体4，使第一光电探测器6探测到最大光强信号，此时，由计算机处理后的信号为I_⊥max；再转动检偏器5，使起偏器3和检偏器5偏振方向平行，然后再转动待测晶体4，使第一光电探测器6探测到的最大光强信号，此时，由计算机处理后的信号为I_∥max。然后，计算机9根据上述公式(1)进行计算

$\mathrm{\ρ}=10\log (\left(\frac{I_{//\max }}{I_r}\right)/\left(\frac{I_{\⊥\max }}{I_r}\right))$

即可得到待测晶体的消光比。

二、利用本发明测量晶体半波电压的具体过程：

图2是本发明测量波片相位延迟的波片和外加直流电压的原理图，首先转动检偏器5，使检偏器5的偏振方向和起偏器3的偏振方向的垂直，然后放入待测晶体4，并且使外加电压从0V开始逐渐增加，边增加边转动待测晶体，使第一光电探测器6探测到的最小光强值保持不变，此时，表示由光电效应引起的双折射中的O光或e光的偏振方向分别与起偏器3和检偏器5的偏振方向重合，然后，再将待测晶体转动45°，表示起偏器3的偏振方向与待测晶体4中产生的O光或e光某一偏振光之间的夹角θ已经为45°，然后，再将外加电压降为0V，并且从0V开始逐渐增加，每增加一定的电压幅值，由计算机记录并处理一次第一光电探测器6探测到的信号，当该信号达到最大时，外加电压的幅值即为该待测晶体4的半波电压。

三、利用本发明仪器测量待测波片相位延迟的具体过程：

图3是一般情况下，待测波片的方位与起偏器3的偏振方向和检偏器5的偏振方向的夹角分别为α、β示意图。一般情况下，待测波片4的方位与起偏器3的偏振方向和检偏器5的偏振方向的夹角分别为α、β。测量过程：

首先由第一步进电机10带动检偏器5转动，使第一光电探测器6探测到的光强最大，此时检偏器5和起偏器3的偏振方向平行，然后放入待测波片4，并由第二步进电机11带动待测波片4转动，并且使第一光电探测器6探测到的光强最大，此时待测波片4的方位角和起偏器3和检偏器5的偏振方向重合，即α＝β＝0°，由计算机9处理后的信号为I_o1；然后，由第二步进电机11带动待测波片4转动45°，即α＝β＝45°，由计算机9处理后的信号为I_o2；最后，计算机9根据公式(8)进行计算，

$\mathrm{\δ}=\arccos (\frac{{2I}_{o2}}{I_{o1}}-1)$

即可得到待测波片的相位延迟δ。

Claims (2)

1、一种智能化晶体消光比、半波电压和波片相位延迟的综合测量仪，特征在于其构成：一脉冲调制光源(1)，在该脉冲调制光源(1)的光束前进方向呈45°设一分光镜(2)，在该分光镜(2)的透射方向依次是起偏器(3)、待测样品(4)、检偏器(5)、第一光电探测器(6)、第一解调及放大电路(7)和第一A/D转换器(8)，该第一A/D转换器(8)的信号线接计算机(9)的第一输入端；该计算机(9)的第一输出通过第一步进电机(10)驱动检偏器(5)绕光轴旋转运动，该计算机(9)的第二输出通过第二步进电机(11)驱动待测样品(4)绕光轴旋转运动；在所述分光镜(2)的反射方向依次是衰减片(12)、第二光电探测器(13)、第二解调及放大电路(14)、第二A/D转换器(15)，该第二A/D转换器(15)的信号线接计算机(9)的第二输入端。

2、根据权利要求1所述的智能化晶体消光比、半波电压和波片相位延迟的综合测量仪，其特征在于所述的待测样品台设有两直流电极与一直流电源相连。