CN1710405A - 偏振分光薄膜消光比的精确测量装置 - Google Patents

Abstract

一种偏振分光薄膜消光比的精确测量装置，包括光源，其特征在于沿该光源发出光束的前进方向依次是第一偏振分光镜和第二偏振分光镜形成的组合式起偏器、反射镜、分束镜，所述光束经该分束镜分束后，其透射光束经待测样品进入第一能量计，其反射光束由第二能量计接收，所述的第一能量计和第二能量计的输出端与计算机的输入口相连，该计算机处理来自第一能量计和第二能量的数据，显示或打印测试样品的透射率、反射率以及消光比，所示的待测样品放置在第四旋转平台上。本发明装置具有结构简单、使用方便、可靠性高、测量精度高和成本低的特点。

Description

偏振分光薄膜消光比的精确测量装置

技术领域

本发明涉及光学薄膜的测量，具体涉及到一种偏振分光薄膜消光比的精确测量装置。

背景技术

偏振分光薄膜是指当某一特定波长的光以某一角度入射到它的表面时会产生P偏振光高透过，S偏振光高反射的薄膜。偏振分光薄膜的偏振测量是指测量它对于某一特定波长在某一角度入射时P偏振光和S偏振光的透过率，并算出它的消光比。

在激光器中，偏振分光薄膜是一个重要的光学元件，起着偏振光隔离的作用，它的偏振分光性能将直接影响到激光器输出激光的偏振特性。

现在使用的偏振测量装置一般是通过对起偏晶体的旋转来调整测量光的偏振态，或者是在起偏晶体后面加上半波片，通过旋转半波片来调节偏振态。由于起偏晶体的作用是用来对一个较宽波段范围的光起偏，它的消光比并不高，如果使用消光比高的起偏晶体，价格十分昂贵，并且由于采用手工调节起偏角度，测量光束的实际起偏角度与所要求的偏振角度可能会有一点偏差，因此测量精度比较低，难以满足高要求、高精度激光器的要求。实际上如何研究发明出一种能够精确测量出偏振分光薄膜消光比并且成本又很低的测量装置一直是一个重要的课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的困难，提供一种结构简单、使用方便、可靠性高、测量精度高并且价格便宜的偏振分光薄膜消光比的测量装置。它主要用于1064nm激光的测量，但又不局限于1064nm，也可以扩展到532nm、355nm以及其它激光波长的测量。

本发明的技术解决方案是：

一种偏振分光薄膜消光比的精确测量装置，包括光源，其特征在于沿该光源发出光束的前进方向依次是第一偏振分光镜和第二偏振分光镜形成的组合式起偏器、反射镜、分束镜，所述光束经该分束镜分束后，其透射光束经待测样品进入第一能量计，其反射光束由第二能量计接收，所述的第一能量计和第二能量计的输出端与计算机的输入口相连，该计算机处理来自第一能量计和第二能量的数据，显示或打印测试样品的透射率、反射率以及消光比，所示的待测样品放置在第四旋转平台上。

所述的第一偏振分光镜和第二偏振分光镜分别放置在一相互啮合的第一旋转平台和第二旋转平台上，该相互啮合的第一旋转平台和第二旋转平台位于一平板上，该平板固定在第三旋转平台上。

所述的第二旋转平台与第三旋转平台共旋转轴。

所述的光源为Nd-YAG激光器，或具有倍频或者三倍频晶体Nd-YAG激光器。

本发明的优点：

1、组合起偏器的引入，可获得到高消光比的偏振光，并且消除了偏振光偏振角度的偏差。

2、分束镜的引入，用两个能量计分别记录经过待测样品的透射光和分光镜的反射光，消除了光源抖动等不稳定性给测量结果带来的影响。

3、本装置通过电脑自动进行数据处理，测试结果能够直接显示出来，装置性能稳定可靠，精确读高。

4、本发明装置成本低，薄膜偏振分光镜与起偏晶体相比，其成本要低很多。

5、通过在改变激光器的输出波长和选用适当的第一偏振分光镜和第二偏振分光镜，本发明还可以用来测量样品对532nm、355nm及其它波长光的偏振特性。

附图说明

图1是本发明偏振分光薄膜消光比的精确测量装置的结构及测量样品P分量光性的光路图

图2是本发明装置测量样品S分量光性的测量光路图

图3是组合式起偏器的俯视图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，由图可见，本发明偏振分光薄膜消光比的精确测量装置，包括光源1，其特征在于沿光源1发出光束的前进方向依次是由第一偏振分光镜2-1和第二偏振分光镜2-2形成的组合式起偏器、反射镜3、分束镜4，所述光束经该分束镜4分束后，其透射光束经待测样品5-1进入第一能量计6，其反射光束由第二能量计7接收，所述的第一能量计6和第二能量计7的输出端与计算机8的输入口相连，所述的待测样品5-1放置在第四旋转平台5-2上。所述的组合式起偏器的第一偏振分光镜2-1和第二偏振分光镜2-2分别放置在一相互啮合的第一旋转平台2-3和第二旋转平台2-4上，该相互啮合的第一旋转平台2-3和第二旋转平台2-4位于一平板2-5上，该平板2-5固定在第三旋转平台2-6上，如图3所示。

所述的第二旋转平台2-2与第三旋转平台2-6共轴。

所述的光源1是Nd-YAG激光器，提供波长为1064nm的单色光。

所述的第一偏振分光镜2-1和第二偏振分光镜2-2是在K9玻璃基底上镀制在1064nm处P分量透过率大于99％、消光比大于100∶1的偏振分光薄膜，其主要目的是提供具有较高偏振特性的偏振光。

该相互啮合的第一旋转平台2-3和第二旋转平台2-4位于一平板2-5上，该平板2-5固定在第三旋转平台2-6上，两块偏振分光镜通过齿轮啮合，使它们的旋转角度大小相等，方向相反，以用来补偿光束在基底中折射所带来的空间位移，同时还可以提供更高的消光比。该组合被放置在可精确控制的第一旋转平台2-3和第二旋转平台2-4上，可以通过偏振分光镜的特性来选择所需要的旋转角度。

待测样品5-1放置在第四旋转平台5-2上，也能够精确控制旋转角度，用来测量不同角度入射时待测样品5-1的偏振特性。

分束镜4，通过它的精确分光特性，可以为我们提供一个和测量光束相比较的对比光束，同时还可以消除由于光源的抖动等不稳定性对测量结果的影响。

本发明装置的测试原理如下：

测量待测样品5-1的P分量光的透过率时，我们用偏振分光镜的透射光来测量，光路如图1所示。设每一片偏振分光镜在1064nm处的消光比为N∶1(通过分光光度计lambda900初步测量，我们镀制的偏振分光镜在1064nm处的消光比约为100∶1)。当消偏的YAG激光通过第一偏振分光镜2-1时，就可以得到初步的偏振光。其P分量和S分量的能量之比为：

$\frac{I_{P1}}{I_{S1}}=\frac{N}{1}$

其中I_P1，I_S1分别为透过的P、S分量光的能量。

当光束透过1064nm处消光比为M∶1的第二个偏振分光镜2-2后，其P分量和S分量的能量之比为：

$\frac{I_{P2}}{I_{S2}}=\frac{N\×M}{1\×1}=(N\×M):1$

如是，本发明测量系统的总的消光比就为(N×M)∶1。当N、M都为100时，总的消光比可以达到10000∶1。如果再加上几组偏振分光镜，我们可以得到更高消光比的偏振光。

同时，由于这种偏振光是由偏振分光镜自身产生的，它的偏振方向与入射面是绝对平行的，光束入射到样品上时就是高消光比的P偏振光，不会引入偏振角度的偏差。

用同样的原理，我们测量S分量的透过率时，用偏振分光镜的反射光来测量，其光路如图2所示，图2和图1相比，区别在于第三旋转平台2-6旋转了一个角度，使由光源1发出的光束经过组合式起偏器后形成高纯度的S偏振光，也不会引入偏振角度的偏差。

得到P分量和S分量的偏振光后，我们就可以用分束镜4和第一能量计6和第二能量计7来测量待测样品5-1的透过率。

同样我们用P分量的光来加以说明测量方法。开始光路中不放入待测样品5-1，直接读出第一能量计5和第二能量计6的数据I₁′和I₂′，这样我们就可以得到分束镜4在1064nm处的分束比α：

$\mathrm{\α}=\frac{I_1^{\′}}{I_2^{\′}}$

这个数据只需测量一次，测出后存入电脑作为一个参数来计算样品的透过率。

测量时，放入待测样品5-1，并调整至要测量的角度。第一能量计6和第二能量计7测出的数据分别为I₁和I₂，我们可以得到：

$\frac{I_1}{I_2}=T_P\×\frac{I_1^{\′}}{I_2^{\′}}=T_P\×\mathrm{\α}$

即：

$T_P=\frac{I_1}{I_2\mathrm{\α}}=\frac{I_1}{I_2}\×\frac{I_2^{\′}}{I_1^{\′}}$

式中T_P是P偏振光的透过率。

同样道理，当我们用偏振分光镜的反射光来测量时，可以测出S分量光的透射率T_S，这样我们就可以的出样品在1064nm处的消光比T_P/T_S。

通过旋转第三旋转平台2-6的角度以选择测量P偏振光还是S偏振光；样品5-1放置在第四旋转平台5-2上，可以通过改变第四旋转平台5-2的旋转角度，可测量光束以不同角度入射待测样品5-1时的透过率。第一能量计6和第二能量计7的数据输入计算机8，进行数据处理，就可以算出样品P偏振光的透过率Tp。

图2是本发明偏振分光薄膜消光比的精确测量装置S分量光的测量光路图，由图可见，其构成和P偏振光测量相似，也是沿主光路为：光源1发出的1064nm的激光通过第二偏振分光镜2-2和第一偏振分光镜2-1的两次反射产生高质量的S偏振光，然后光路直接通过分束镜4将光束分成两束，其中透射光路通过样品5-1，然后被第一能量计6接受，反射光直接被第二能量计7接受。测量S偏振光时，只要将第四旋转平台2-6旋转到一个已经定标好的角度，使测量S偏振时与测量P偏振时共用相同的测量光路，同时在第四旋转平台2-6上放置一个挡板2-7挡住通过第二偏振分光镜2-2)的透过光，避免它对后面的测量光路造成影响。通过计算机8采集第一能量计6和第二能量计7的能量，经数据处理就可求得待测样品的S偏振光的透过率Ts。

这样，测出P分量和S偏振光的透过率后，计算机8将自动地算出待测样品5-1，即偏振分光薄膜的消光比Tp/Ts，并自动地显示在显示屏上。

经分析和试用证明，本发明装置具有结构简单、使用方便、可靠性高、测量精度高和成本低的特点。

Claims (5)

1、一种偏振分光薄膜消光比的精确测量装置，包括光源(1)，其特征在于沿光源(1)发出光束的前进方向依次是由第一偏振分光镜(2-1)和第二偏振分光镜(2-2)形成的组合式起偏器、反射镜(3)、分束镜(4)，所述光束经该分束镜(4)分束后，其透射光束经待测样品(5-1)进入第一能量计(6)，其反射光束由第二能量计(7)接收，所述的第一能量计(6)和第二能量计(7)的输出端与计算机(8)的输入口相连，所述的待测样品(5-1)放置在第四旋转平台(5-2)上。

2、根据权利要求1所述的偏振分光薄膜消光比的精确测量装置，其特征在于所述的光源(1)为Nd-YAG激光器，。

3、根据权利要求1所述的偏振分光薄膜消光比的精确测量装置，其特征在于所述的第一偏振分光镜(2-1)和第二偏振分光镜(2-2)分别放置在一相互啮合的第一旋转平台(2-3)和第二旋转平台(2-4)上，该相互啮合的第一旋转平台(2-3)和第二旋转平台(2-4)位于一平板(2-5)上，该平板(2-5)固定在第三旋转平台(2-6)上。

4、根据权利要求3所述的偏振分光薄膜消光比的精确测量装置，其特征在于所述的第二旋转平台(2-2)与第三旋转平台(2-6)共轴。

5、根据权利要求1至4任一项所述的偏振分光薄膜消光比的精确测量装置，其特征在于所述的光源(1)为具有倍频或者三倍频晶体Nd-YAG激光器，相应的第一偏振分光镜(2-1)和第二偏振分光镜(2-2)的适用波长分别为532nm以及355nm。

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