CN1743796A - 测量双折射单轴晶体波片厚度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种测量双折射单轴晶体波片厚度的方法和装置，该方法包括以下步骤：①将待测波片置于透射轴方向平行放置或正交放置的起偏器和检偏振的光路之中，构成一个“三明治”式结构；②转动待测波片的光轴方向与起偏器的透射轴夹角为π/4或 3π/4；③开启白光光源，出射的连续波长的平行光束依次通过限束光阑、起偏器、待测波片、检偏器和分光镜后，经光谱仪接收，并由计算机进行数据处理，得到一条光谱分辨归一化透射率曲线；④取所述的光谱分辨归一化透射率曲线上两个峰值点处对应的波长数值λ₁和λ₂，由所述的计算机计算直接求得待测波片的厚度D。本发明的测量方法属于非接触测量，使用方便，经试用证明其测量精度高，厚度测量误差可优于0.1μm。

Description

测量双折射单轴晶体波片厚度的方法和装置

技术领域

本发明涉及光学测量，特别是一种测量双折射单轴晶体波片厚度的方法和装置。

背景技术

在光学上被广泛应用的双折射单轴晶体波片起作用的是波片的相位延迟量。波片在光轴准确定向的情况下，波片的厚度决定其相位延迟量。在生产过程中厚度的准确控制与测量是十分重要的，它直接关系到能否得到所需要的相位延迟量。对于光学波片厚度的测量，已有发明专利ZL01132359.0，名称为“光学波片的检测仪”，该专利描述一种测量光学波片厚度的方法是：将待测波片夹在起偏器和检偏器之间，并使波片的光轴与起偏器的透射轴方向成π/4(波片的光轴要事先用其他方法确定)，并以一特定波长λ的激光器作为光源，该激光器发出的光垂直通过起偏器、波片、检偏器，随后转动检偏器(以入射光线为轴线)，测得波片对这一特定波长λ的相位滞后角(晶体双折射中寻常光和非寻常光产生的相位之差，即通常所说的相位延迟量)，由滞后角和波片等效厚度之间存在的对应关系，从而得到对应零级波片的有效厚度d。通常，由于零级波片的厚度太薄，不易加工和使用，一般的做法是在使波片的厚度为几个至几十个该波长的全波片厚度d_λ上叠加所需零级波片的厚度。对于这种多级波片，其波片绝对厚度D应该为：

            D＝N d_λ+d

其中N为绝对厚度中所含全波长厚度值(d_λ)的整数倍。该专利技术所提供的测量方法无法直接测出波片的绝对厚度，只能首先测出该波片对应于一特定波长λ(用于作为测量光源的激光器对应的波长)的相位延迟量，通过计算得出厚度d。然后采用一种修正的方法来计算出波片的绝对厚度：即事先必须要对待测波片的厚度进行一次粗测，从而确定对应于波长λ的全波片厚度值(d_λ)的数量N，代入上式后，最后才能得到待测波片的绝对厚度。从这种意义上说，这种测量方法不属于绝对测量。

上述专利测量方法的另外一个缺点是：要求事先用其他方法定出待测波片的光轴的方向，再使待测波片的光轴与起偏器的透射轴成π/4，然后才能进行正确的测量。而该仪器及其测量方法无法直接辨别出波片的光轴，光轴的方向必须事先由其他仪器标定。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有专利技术的缺点，提出一种测量双折射单轴晶体波片厚度的方法和装置，该方法不必事先测出波片的大致厚度，以确定N的值；也不必事先确定波片光轴的取向，只要其光轴的方向与起偏器的透射轴方向成π/4或3π/4即可，而且这个角度可在测量的过程中自动确定。

本发明的技术解决方案如下：

一种测量双折射单轴晶体波片厚度的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

①将待测波片置于透射轴方向平行放置或正交放置的起偏器和检偏振的光路之中，构成一个“三明治”式结构；

②转动待测波片的光轴方向与起偏器的透射轴夹角为π/4或3π/4；

③开启白光光源，出射的连续波长的平行光束依次通过限束光阑、起偏器、待测波片、检偏器和分光镜后，经光谱仪接收，并由计算机进行数据处理，得到一条光谱分辨归一化透射率曲线；

④取所述的光谱分辨归一化透射率曲线上两个峰值点处对应的波长数值λ₁和λ₂，由所述的计算机根据下式计算求得待测波片的厚度D：

$D=\frac{m_2-m_1}{K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}=\frac{\mathrm{\Δm}}{K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)},$

式中， $K\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{n_e\left(\mathrm{\λ}\right)-n_o\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\λ}},$ n_e(λ)-n_e(λ)为待测波片双折射率差；

λ₁和λ₂是所选两个峰对应的波长，且λ₁＞λ₂；

m₁和m₂是波片在λ₁和λ₂处对应的波峰的相对级次。

所述的透射率曲线上两个峰值点为相邻的峰值点时，Δm＝1。

所述的光谱分辨归一化透射率曲线是通过两次测量获得的：在起偏器和检偏器成平行状态波片的光轴方向与起偏器的透射轴平行时，运行测量系统，得到一条以光谱为变量的透过光的第一光强度函数曲线I₁(λ)，接着将待测波片转动π/4或3π/4，再次运行测量系统，又得出一条以光谱为变量的透过光的第二光强度函数曲线I₂(λ)，计算机将第二光强度函数曲线I₂(λ)与第一光强度函数曲线I₁(λ)相同波长的透过光强度做归一化处理，即按公式

T(λ)＝I₂(λ)/I₁(λ)计算，得出光谱分辨归一化透过率曲线T(λ)。

所述的光谱分辨归一化透射率曲线也可将起偏器、待测波片和检偏器构成的“三明治”式装置的光轴方向与待测波片、检偏器的透射轴夹角调整为π/4或3π/4后，直接放入连接计算机的扫描光度计的样品室中，获得到一条光谱分辨归一化透射率曲线T(λ)。

一种测量双折射单轴晶体波片厚度的装置，包括-输出平行光束的白光光源，在该白光光源输出光束的前进方向同光轴线地依次是限束光阑、起偏器、检偏器、分束镜、光谱仪，所述的检偏器固定在第二角度转动台上，在所述的起偏器和检偏器之间设有供放置待测波片的第一角度转动台，在所述的分束镜的反射光方向有一光强度监视器，所述的光谱仪10的输出端与计算机11的输入端相连。所述所述的起偏器和检偏器是单轴晶体偏振棱镜，或多层介质膜的偏振片，或二向色偏振片。

所述的光谱仪是一带有CCD接收器的波长分辨率较高的光谱仪器，其光谱覆盖范围从400nm到1000nm。

所述的待测波片是其光轴与通光面平行，能够产生相位延迟量的双折射单轴晶体波片。

所述的计算机是安装有下列数据处理程序的计算机：

①将第二光强度函数曲线I₂(λ)与第一光强度函数曲线I₁(λ)相同波长的透过光强度做归一化处理，获得光谱分辨归一化透过率曲线T(λ)；

②自动选取所述的透射率曲线上两个峰值点处对应的波长数值λ₁和λ₂，由计算机求得待测波片的厚度D。

本发明的优点是对双折射单轴晶体波片的绝对厚度的直接测量，该方法不必事先测出待测波片的大致厚度，以确定N的值；也不必事先确定波片光轴的取向，只要其光轴的方向与起偏器的透射轴方向成π/4或3π/4即可，而且这个角度可在测量的过程中自动确定。本发明方法的测量精度高，当光谱扫描仪的分辨率达到0.01nm时，波片的厚度测量精度可以优于0.1μm。

附图说明

图1为本发明测量双折射单轴晶体波片厚度装置的结构示意图。

图2在设定双折射单轴晶体波片为某一厚度、并设定白光光源的发光光谱时，所计算得的光谱为变量的透过光强度函数曲线I₁(λ)和I₂(λ)示例。其中横坐标λ表示波长，单位nm(纳米)。纵坐标I为光强，单位是任意单位，T表示透过率。

图3在图2的情况下获得的光谱分辨归一化透过率曲线T(λ)示例，T(λ)＝I₂(λ)/I₁(λ)；

图4是实际测得的一片未知厚度的石英晶体波片的光谱分辨归一化透过率曲线T示意图。

图中：1-输出平行光束的白光光源   2-限束光阑

3-起偏器    4-待测波片           5-角度转动台

6-检偏器    7-角度转动台         8-分束镜

9-光强度监视器  10-光谱仪        11-计算机

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1为本发明测量双折射单轴晶体波片厚度装置的结构示意图。由图可见，实施本发明方法的测量双折射单轴晶体波片厚度的装置，包括-输出平行光束的白光光源1，在该白光光源1输出光束的前进方向同光轴线地依次是限束光阑2、起偏器3、检偏器6、分束镜8、光谱仪10，所述的检偏器6固定在第二角度转动台7上，在所述的起偏器3和检偏器6之间设有供放置待测波片4的第一角度转动台5，在所述的分束镜8的反射光方向有一光强度监视器9，所述的光谱仪10的输出端与计算机11的输入端相连。

所述的起偏器4和检偏器6是单轴晶体偏振棱镜，或多层介质膜的偏振片，或二向色偏振片。

所述的光谱仪10是一带有CCD接收器的波长分辨率较高的光谱仪器，其光谱覆盖范围从400nm到1000nm。

所述的待测波片4是其光轴与通光面平行，能够产生相位延迟量的双折射单轴晶体波片。

所述的计算机11是安装有下列数据处理程序的计算机：

①将第二光强度函数曲线I₂(λ)与第一光强度函数曲线I₁(λ)相同波长的透过光强度做归一化处理，获得光谱分辨归一化透过率曲线T(λ)；

②取所述的透射率曲线上两个峰值点处对应的波长数值λ₁和λ₂，由计算机11求得待测波片4的厚度D。

本发明的测量双折射单轴晶体波片厚度的方法，包括以下步骤：

①将待测波片4置于透射轴方向平行放置或正交放置的起偏器3和检偏振6的光路之中，构成一个“三明治”式结构；

②转动待测波片4的光轴方向与起偏器3的透射轴夹角为π/4或3π/4；

③开启白光光源1，出射的连续波长的平行光束依次通过限束光阑2、起偏器3、待测波片4、检偏器6和分光镜8后，经光谱仪10接收，并由计算机11进行数据处理，得到一条光谱分辨归一化透射率曲线；

④取所述的光谱分辨归一化透射率曲线上两个峰值点处对应的波长数值λ₁和λ₂，由计算机11根据下式计算求得待测波片的厚度D：

$D=\frac{m_2{-m}_1}{K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}=\frac{\mathrm{\Δm}}{K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)},$

式中， $K\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{n_e\left(\mathrm{\λ}\right)-n_o\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\λ}},$ n_e(λ)-n_o(λ)为待测波片双折射率差；

λ₁和λ₂是所选两个峰对应的波长，且λ₁＞λ₂；

m₁和m₂是波片在λ₁和λ₂处对应的波峰的相对级次。

所述的透射率曲线上两个峰值点为相邻的峰值点。

所述的光谱分辨归一化透射率曲线是通过两次测量获得的：在起偏器3和检偏器6成平行状态时，运行测量系统，得到一条以光谱为变量的透过光的第一光强度函数曲线I₁(λ)，接着将待测波片4转动π/4，再次运行测量系统，又得出一条以光谱为变量的透过光的第二光强度函数曲线I₂(λ)，计算机11将第二光强度函数曲线I₂(λ)与第一光强度函数曲线I₁(λ)相同波长的透过光强度做归一化处理，即按公式T(λ)＝I₂(λ)/I₁(λ)计算，得出光谱分辨归一化透过率曲线T(λ)。

所述的光谱分辨归一化透射率曲线也可将起偏器3、待测波片4和检偏器6构成的“三明治”式装置的光轴方向待测波片4、检偏器6的透射轴夹角调整为π/4或3π/4后，直接放入连接计算机11扫描光度计的样品室中，获得到一条光谱分辨归一化透射率曲线T(λ)。

本发明的测量过程大致如下：

开启输出平行光束的白光光源1，调节起偏器3和检偏器6成正交后，在中间放进待测波片4，待测波片4的光轴垂直于光线轴，起偏器3、待测波片4和检偏器6构成“三明治”结构。然后转动第一角度转动台5旋转待测波片4，同时检测从分束镜8的反射光束进入到光强度监视器9的光强，找出“三明治”装置透过率最小时的待测波片4的位置，此处为消光位置，此位置即待测波片4的光轴与起偏器3的透射轴平行或垂直的位置。接着通过旋转第二角度转动台7使检偏器6旋转π/2，使得起偏器3和检偏器6成平行状态。运行测量系统，得到一条以光谱为变量的透过光的第一光强度函数曲线I₁(λ)。接着再转动第一角度转动台5旋转待测波片4转动π/4，顺时针或逆时针方向均可，再次运行测量系统，又得出一条以光谱为变量的透过光的第二光强度函数曲线I₂(λ)。计算机11将第二光强度函数曲线I₂(λ)与第一光强度函数曲线I₁(λ)相同波长的透过光强度做归一化处理，得出光谱分辨归一化透过率曲线T(λ)，即T(λ)＝I₂(λ)/I₁(λ)，这个过程由图2转化为图3所示。再从光谱分辨归一化透过率曲线T(λ)上取两个峰的波长数据，由计算式计算得到波片的厚度D。

$D=\frac{m_2-m_1}{K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}=\frac{\mathrm{\Δm}}{K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)},$

式中， $K\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{n_e\left(\mathrm{\λ}\right)-n_o\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\λ}},$ λ₁和λ₂是所选两个峰对应的波长，且λ₁＞λ₂，m₁和m₂是波片在λ₁和λ₂处对应的相对级次。它随波长的增加而减少，相邻峰的级差定为1。如取相邻的两个峰的波长数据，此时Δm＝1，实际上为了提高测量精度和操作简单化，取Δm＝1最为方便。双折射单轴晶体折射率差n_e(λ)-n_o(λ)由已有的折射率差的色散公式确定(可查相关的晶体折射率数据手册)，公式的形式是：

$[n_e\left(\mathrm{\λ}\right)-n_o\left(\mathrm{\λ}\right)]=\underset{i,n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\mathrm{\λ}}^n+t\left(\mathrm{\λ}\right),$ 其中，t(λ)是一个温度函数。

所得到的光谱分辨归一化透过率曲线(图3)是一条周期不等的多峰谷振动线，沿光谱长波方向峰与峰的距离逐渐增大。这条曲线有明显的特征：对应于一个确定厚度的波片，只有唯一的一条曲线与之相对应。此曲线包含着待测波片4光谱分辨的相位延迟信息。即由所得到的光谱分辨归一化透过率曲线即可对待测波片4作出判断：曲线的峰表明待测波片是该峰所对应波长的全波片，而曲线的谷表明待测波片4是该谷所对应波长的半波片，透过率为0.5之处，待测波片正是该处所对应波长的1/4波片，其余可类推出待测波片所对应的波长的相位延迟量。

下面是一应用实例：

对一片标称为1064nm的石英晶体半波片进行测量，已知石英晶体双折射率差的色散公式：

10³[n_e(λ)-n_o(λ)]＝8.86410+0.107057λ^-20.0019893λ^-4-0.17175λ²-10^-3t(1+t/900)(1.01+0.2λ²)，

式中，波长λ的单位为微米(μm)；温度t是测量石英波片时波片的温度(与环境温度相同)，其单位为℃。

把波片放进平行的偏振器间构成“三明治”结构(测量时温度为25℃)，按照上述的测量步骤，得到一条该波片的光谱分辨归一化透过率曲线如图4所示，光谱分辨率为0.1nm。在此曲线中，取出的两个相邻的峰对应的波长为λ₁＝1147.8nm和λ₂＝993.7nm，λ₁＞λ₂，此时Δm＝1。n_e(λ₁)-n_o(λ₁)＝8.68751×10^-3，K(λ₁)＝7.56884×10^-3；n_e(λ₂)-n_o(λ₂)＝8.77394×10^-3，K(λ₂)＝8.82957×10^-3。按照公式 $D=\frac{1}{K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}$ 计算，得到波片的厚度为793.2μm。

本发明的测量方法属于非接触测量，经试用证明本发明方法使用方便，该方法不必事先测出波片的大致厚度，以确定N的值；也不必事先确定波片光轴的取向，只要其光轴的方向与起偏器的透射轴方向成π/4或3π/4即可，而且这个角度可在测量的过程中自动确定，装置简单，测量精度高，厚度测量误差可优于0.1μm。

Claims (9)

1、一种测量双折射单轴晶体波片厚度的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

①将待测波片(4)置于透射轴方向平行放置或正交放置的起偏器(3)和检偏振(6)的光路之中，构成一个“三明治”式结构；

②转动待测波片(4)的光轴方向与起偏器(3)的透射轴夹角为π/4或3π/4；

③开启白光光源(1)，出射的连续波长的平行光束依次通过限束光阑(2)、起偏器(3)、待测波片(4)、检偏器(6)和分光镜(8)后，经光谱仪(10)接收，并由计算机(11)进行数据处理，得到一条光谱分辨归一化透射率曲线；

④取所述的光谱分辨归一化透射率曲线上两个峰值点处对应的波长数值λ₁和λ₂，由计算机(11)根据下式计算求得待测波片的厚度D：

$D=\frac{m_2-m_1}{K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}=\frac{\mathrm{\Δm}}{K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)},$

式中， $K\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{n_e\left(\mathrm{\λ}\right)-n_o\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\λ}}$ ，n_e(λ)-n_o(λ)为待测波片双折射率差；

λ₁和λ₂是所选两个峰对应的波长，且λ₁＞λ₂；

m₁和m₂是波片在λ₁和λ₂处对应的波峰的相对级次。

2、根据权利要求1所述的测量双折射单轴晶体波片厚度的方法，其特征在于所述的透射率曲线上两个峰值点为相邻的峰值点。

3、根据权利要求1所述的测量双折射单轴晶体波片厚度的方法，其特征在于所述的光谱分辨归一化透射率曲线是通过两次测量获得的：在起偏器(3)和检偏器(6)成平行状态且波片的光轴与起偏器(3)的透过轴平行或成π/2时，运行测量系统，得到一条以光谱为变量的透过光的第一光强度函数曲线I₁(λ)，接着将待测波片(4)转动π/4(或3π/4)，再次运行测量系统，又得出一条以光谱为变量的透过光的第二光强度函数曲线I₂(λ)，计算机(11)将第二光强度函数曲线I₂(λ)与第一光强度函数曲线I₁(λ)相同波长的透过光强度做归一化处理，即按公式T(λ)＝I₂(λ)/I₁(λ)计算，得出光谱分辨归一化透过率曲线T(λ)。

4、根据权利要求1所述的测量双折射单轴晶体波片厚度的方法，其特征在于所述的光谱分辨归一化透射率曲线是将起偏器(3)、待测波片(4)和检偏器(6)构成的“三明治”式装置，起偏器(3)与检偏器(6)的透射轴平行，待测波片(4)的光轴方向与起偏器(3)的透射轴夹角调整为π/4或3π/4后，直接放入连接计算机的扫描光度计的样品室中，直接获得到一条光谱分辨归一化透射率曲线T(λ)。

5、一种实施权利要求1所述方法的测量双折射单轴晶体波片厚度的装置，其特征在于包括一输出平行光束的白光光源(1)，在该白光光源(1)输出光束的前进方向同光轴线地依次是限束光阑(2)、起偏器(3)、检偏器(6)、分束镜(8)、光谱仪(10)，所述的检偏器(6)固定在第二角度转动台(7)上，在所述的起偏器(3)和检偏器(6)之间设有供放置待测波片(4)的第一角度转动台(5)，在所述的分束镜(8)的反射光方向有一光强度监视器(9)，所述的光谱仪(10)的输出端与计算机(11)的输入端相连。

6、根据权利要求5所述的测量双折射单轴晶体波片厚度的装置，其特征在于所述的起偏器(4)和检偏器(6)是单轴晶体偏振棱镜，或多层介质膜的偏振片，或二向色偏振片。

7、根据权利要求5所述的测量双折射单轴晶体波片厚度的装置，其特征在于所述的光谱仪(10)是一带有CCD接收器的波长分辨率较高的光谱仪器，其光谱覆盖范围从400nm到1000nm。

8、根据权利要求5所述的测量双折射单轴晶体波片厚度的装置，其特征在于所述的待测波片(4)是其光轴与通光面平行，能够产生相位延迟量的双折射单轴晶体波片。

9、根据权利要求5所述的测量双折射单轴晶体波片厚度的装置，其特征在于所述的计算机(11)是安装有下列数据处理程序的计算机：

①将第二光强度函数曲线I₂(λ)与第一光强度函数曲线I₁(λ)相同波长的透过光强度做归一化处理，获得光谱分辨归一化透过率曲线T(λ)；

②取所述的透射率曲线上两个峰值点处对应的波长数值λ₁和λ₂，由计算机(11)求得待测波片(4)的厚度D。

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