CN201464161U - 一种多光源相位延迟器件测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多光源相位延迟器件测量系统，属于光学测量技术领域。本系统包括若干个激光光源、光分束器、起偏器、光调制器、调制信号源、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器、结果显示单元和激光单色仪；所述激光光源经所述光分束器分为两束，一束依次经过所述起偏器、光调制器、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器后由结果显示单元显示输出结果；另一束输出至激光单色仪；所述调制信号源与所述光调制器通过信号线连接。与现有技术相比，本系统可实现对待测相位器的相位延迟进行直接测量，而且测量精度高、操作简单、可测量多种中心波长的相位延迟器，易于产品化。

Description

一种多光源相位延迟器件测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种相位延迟器件测量系统，特别是涉及一种多光源相位延迟器件测量系统，属于光学测量技术领域。

背景技术

相位延迟量作为相位延迟器件的重要参数，其测量准确度直接影响到应用系统的质量，并且随着技术的发展和研究的深入，人们对波片的加工和测量精度都提出了更高的要求，例如空间太阳望远镜(SST)的偏振测量精度已经要求能够达到10^-4以上。因此，提高相位延迟量的测量准确度对于设计和研制高精度相位延迟器件及系统具有十分重要的意义。目前有很多测量波片相位延迟量的方法，例如分束差动测量法、光谱扫描法、光强法、调制法等。例如采用分束差动自动测量(郝殿中，宋连科，波片相位延迟的分束差动自动测量，光电子.激光，16(5)，2005：601-604)；采用计算波片相位延迟量来进行精密测量的技术(徐文东，李锡善，波片相位延迟量精密测量新方法，光学学报，1994，14(10)，1096-1101)等；同时目前一个系统一般配备一个光源，对不同中心波长的相位延迟器进行测量时，需要更换光源，大大浪费了科研人员的时间和精力。

现有技术存在的问题和不足是：

1、采用分束差动测量法时需测量出现极值点时补偿器件的转角，再转换为相关的相位信息，测量误差大，机构复杂，仪器成本高；

2、采用光强法时，如波片相位延迟的分束差动自动测量系统，在未加调制的情况下直接测量直流暗点的光强，由于测量的是光强的绝对值，光源的波动及背景光的影响对测量结果影响很大，测量精度低；

3、采用光谱扫描法时需从光谱曲线的极值测定相位延迟量，对单色仪的光谱精度要求高。

4、采用调制法测量时，如上述波片相位延迟量精密测量系统加入了可旋转的机械-光学旋光调制器，结构复杂，装调要求高，误差较大。

5、大部分方法的测量结果受到仪器准直、共轴等装调误差的影响很大；

6.测量系统所能检测的相位延迟器比较单一，目前一个系统只能测量一种中心波长的相位延迟器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多光源相位延迟器件测量系统，本实用新型为一种光电混和系统，其应用了三个激光器，通过两个分光平片(同时透射和反射，其光能量各为一半)、一个反射镜构建图1所示光路.本实用新型可用于对不同中心波长波片等光学延迟器件的光学相位延迟量进行直接量的测量，和其他通过间接量转换的测量方法相比有其明显的优势.采用光调制方式测量消光位置，提高了信噪比，使测量精度大为改善.同时该实用新型采用旋转编码器实现了角度的精确测量，消除了因刻度不精确、目视读数误差等不利因素对实验操作的影响.

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种多光源相位延迟器件测量系统，其特征在于包括若干个激光光源、光分束器、起偏器、光调制器、调制信号源、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器、结果显示单元和激光单色仪；所述激光光源经所述光分束器分为两束，一束依次经过所述起偏器、光调制器、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器后由结果显示单元显示输出结果；另一束输出至激光单色仪；所述调制信号源与所述光调制器通过信号线连接。

进一步的，所述系统包括若干分光平片和一反射镜，所述激光光源依次经所述分光平片、反射镜后传输到所述光分束器上。

进一步的，所述光调制器、待测相位延迟器、相位补偿器的角度旋转操作时分别由一旋转编码器检测；所述光调制器或待测相位延迟器或相位补偿器位于一晶体座中，且通过所述晶体座与所述旋转编码器转动环一体连接，所述晶体座安装于一固定底座中，所述固定底座与所述旋转编码器的本体一体连接。

进一步的，所述旋转编码器为空心轴旋转编码器，其与所述晶体座为轴孔抱紧实现一体连接，所述旋转编码器的本体与所述固定底座之间采用板弹簧实现一体连接。

进一步的，所述光调制器为KD*P晶体电光调制器，调制方式为纵向调制，所述调制信号源为正弦调制信号。

进一步的，所述系统包括一信号处理电路，所述光探测器接收的信号经所述信号处理电路进行滤波处理后发送到所述结果显示单元。

进一步的，所述信号处理电路包括一带通滤波器，所述带通滤波器的中心频率与光信号频率一致；一带阻滤波器，所述带阻滤波器的中心频率为光信号频率的二倍。

进一步的，所述相位补偿器为索累补偿器，所述索累补偿器的入射面晶体楔装有微动螺旋，通过调节所述微动螺旋使之相对入射面做平行移动。

进一步的，所述所述起偏器与所述检偏器偏振方向平行。

进一步的，所述所述起偏器与所述检偏器偏振方向垂直。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型的光调制加光学补偿方案实际上进行的是相位延迟的直接测量，和其他通过间接量转换的测量方法相比，测量精度有明显的优势。且方案中通过使用调制偏振光进行消光点判断，使用索累(Soleil)补偿器进行相位补偿，将调制和补偿两种作用方式分开处理，消除了相互干扰带来的测量结果不稳定的问题。系统的综合测量精度达到λ/300(对632.8nm波长)，重复精度在0.3％以内。

2.测量系统充分发挥了调制偏振光的优越性，把直流零点(正交暗场)的测量，转换为交流零点的测量。加上窄带选频放大器，得到非常高的信噪比。

3.本实用新型采用索累(Soleil)补偿器，即使存在补偿器快慢轴和ξ，η轴不重合，和测量光束不垂直等情况，通过测量之前的定标，这些误差对测量结果均不产生影响，提高了测量的准确性，也降低了安装定位的难度。补偿器能够提供0～2π范围内任意的相位延迟，因此适用于1/2波片、1/4波片等标准波片及各种非标准波片等多种波片相位延迟量的测量。

4.本实用新型采用旋转编码器实时监测光调制器、待测相位延迟器和相位补偿器的角度旋转操作，避免了因刻度盘的刻度不准确以及人为读数误差等不利因素的存在，并使操作变得更简单直观.

本系统可采用不同激光器分分别测量不同中心波长的波片。常用的激光器有632.8nm，532nm，473nm。可根据不同需要改变激光器该实用新型测量精度高，对实验条件和环境的要求不高，操作简单，易于产品化。

附图说明

图1、本实用新型原理图；

Laser No.1-中心波长为λ₁的激光器、Laser No.2-中心波长为λ₂的激光器、LaserNo.3-中心波长为λ₃的激光器、B-分光平片、L-反射镜、BS-光分束器、SP-激光单色仪、P-起偏棱镜、E-光调制器、M-调制信号源、S-待测相位延迟器、C-索累(Soleil)补偿器、A-检偏棱镜、D-光探测器、P/O-信号处理电路和结果输出单元、DD-旋转编码器数显屏；

图2、本实用新型中系统的方位坐标规定图示；

图3、索累(Soleil)补偿器结构图；

图4、旋转编码器原理示意图；

图5、KD*P调节部件的设计立体结构前视图；

图6、KD*P调节部件的设计立体结构后视图；

图7、空心轴旋转编码器；

图8、KD*P晶体安装结构示意图；

其中：1-旋转轴、2-光栅盘、3-接受元件、4-狭缝、5-发光元件、6-后端调节钮、7-KD*P、8-固定底座、9-前端调节钮、10-手轮、11-旋转编码器本体、12-旋转座、13-微调丝杆、14-连接板弹簧、15-固紧螺钉、16-旋转编码器转子固定环、17-旋转编码器、18-KD*P晶体座、19-编码器转动环。

具体实施方式

下面结合附图来描述本实用新型的设计方案及其技术特征。

图1是本实用新型的原理图。系统包括3个激光光源、2个分光平片、光分束器、起偏器、光调制器、调制信号源、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器、结果显示单元和激光单色仪；每一激光光源分别经一分光平片传输到光分束器上，光分束器将光分为两束，一束依次经过起偏器、光调制器、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器后由结果显示单元显示输出结果；另一束输出至激光单色仪；调制信号源与光调制器通过信号线连接。

系统的方位坐标规定为：光束传播方向为z轴，起偏器P、检偏器A的偏振方向沿x轴，光调制器E加电后的感生轴ξ，η方向和待测相位延迟器S及补偿器C的快慢轴方向一致，和x轴成45度角(见图2)。

根据待测相位延迟器的中心波长可以选择不同的激光器进行测量，激光器辐射的激光束通过起偏棱镜P变成线偏振光，射入光调制器E.光调制器可采用电光、磁光或声光等调制方式，由调制信号源M加正弦电压，其出射光两个正交偏振态的相位延迟将受到外加电压信号的调制，形成交流变化.调制器的出射偏振光经过待测相位延迟器S，其偏振态中加上了待测器件的相位延迟，再射入索累(Soleil)补偿器C.索累(Soleil)补偿器的作用类似于一个相位延迟量连续可调的零级波片.通过调节索累(Soleil)补偿器，可获得任意的相位延迟.从补偿器出射的光束再通过检偏棱镜A，从而使偏振光相位的变化转换为检偏器出射光束的能量变化.在平行模式下，出射光束的光强可表达为

$I=I_0{\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_C+{\mathrm{\δ}}_S+{\mathrm{\δ}}_E}{2}\right)=I_0-I_0{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_C+{\mathrm{\δ}}_S+{\mathrm{\δ}}_E}{2}\right)---\left(1\right)$

其中δ_E，δ_S，δ_C分别为光调制器E、待测相位延迟器S和索累(Soleil)补偿器C的相位延迟，I0为入射光强。

检偏器的出射光由光探测器D接收，并经过信号处理电路的滤波放大等处理后，结果显示在示波器O上。若不加调制信号，即δ_E＝0时，当待测器件的相位延迟和补偿器的相位延迟之和等于π时，即δ_S+δ_C＝π，从检偏器中出射的光能量为零，这称为完全补偿，也叫消光位置。通过调节索累(Soleil)补偿器，寻找消光位置。在该位置由补偿器的相位延迟δ_c即可得到待测器件的相位延迟量δ_s＝π-δ_c。

本实用新型利用对偏振光进行光调制加光学补偿的方式进行待测器件光学相位延迟的精密测量。

在待测器件光学相位延迟的测量中，需要进行消光位置的判断，即寻找输出光强为零的位置，该位置可称为输出光强的直流零点。由于外加杂散光的影响及功率计本身响应范围的限制，直流零点难以准确测定。本实用新型采用光调制的方式，在调制器上加上一定频率的正弦调制信号，则光调制器产生的相位延迟为δ_E＝Ksinωt，其中，K为常数，ω为调制信号频率，在平行模式下测量时，输出光强相应地变为：

$I=I_0-I_0{\sin }^2(\frac{{\mathrm{\δ}}_C+{\mathrm{\δ}}_S}{2}+\frac{K}{2}\sin \mathrm{\ωt})$ (2)

$=\frac{I_0}{2}\{1+\cos ({\mathrm{\δ}}_S+{\mathrm{\δ}}_C)[J_0\left(K\right)+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{2n}\left(K\right)\cos \left(2\mathrm{n\ωt}\right)]-\sin ({\mathrm{\δ}}_S+{\mathrm{\δ}}_C)[2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{2n-1}\left(K\right)\cos (2n-1)\mathrm{\ωt}\left]\right\}$

当完全补偿时，δ_S+δ_C＝π，上式大括号中第三项为0，即信号中的奇次谐波分量消失，只剩下偶次谐波成分，这就是输出光强的交流零点。由于高阶分量值很小，处理时通常可忽略掉高阶偶次谐波，只留下二次谐波，使完全补偿条件变为：信号中的所有奇次谐波分量消失，只剩下二次谐波分量。信号处理电路检测出射信号的频谱，当基频分量消失的位置即为消光位置。利用这一特性，把直流零点的测量转换为交流零点的测量，根据检测出的二倍频成分，从而准确判断消光位置，实现高精度测量。由于信号源的频率非常稳定，测量系统加上窄带选频放大器，得到非常高的信噪比，使消光位置的判断精度大大提高。

本实用新型中，通过调节索累(Soleil)补偿器实现相位的光学补偿。

索累(Soleil)补偿器的作用类似于一个相位延迟量可调的零级波片.由成对的晶体楔A和A’与一块平行晶片B组成.A和A’两光轴都平行于折射棱边，晶体楔A可用微动螺旋使之做平行移动，平行晶片B的光轴与晶体楔A垂直(见图3).当晶体楔A平移时，在它们全接触的全部区域内，两晶体楔的总厚度在增减，A和A’形成一个厚度可变的石英片，可以使这个厚度和下面薄片的厚度之间产生任意的差值，从而使o光和e光之间产生0～2π范围内任意的相位延迟.光通过补偿器后产生的相位延迟量正比于厚度改变量Δh，也正比于晶体楔的平移量ΔL.相位延迟和平移量之间的比例系数和光源波长有关，在测量前应先对补偿器线性定标.测量时只需读出消光点索累(Soleil)补偿器的平移量即可根据定标系数得到对应的相位延迟量，操作简单方便，结果稳定.

对所述光调制器E、待测相位延迟器S和相位补偿器C的角度旋转操作时由旋转编码器监测(见图4)，可以直接通过数字显示表读数，其每转输出脉冲数为5000P/r，最小灵敏度为1.08分。图5是KD*P调节部件的设计立体结构前视图，图6为KD*P调节部件的设计立体结构后视图，本实用新型选用的是空心轴旋转编码器，它本身是由编码器本体、编码器转动环及固定环组成(如图7)。编码器转动环与编码器本体之间可以同轴相对转动。而光调制器的关键部件是一个KD*P晶体，此晶体加电后可以对线偏振光实现调制。晶体被包容在晶体座中，并通过固定底座固定在光路系统中，且晶体座与固定底座之间可以相对旋转，编码器的加入实现晶体座相对固定座旋转时有精确的角度输出(如图8)。固定底座的设计要求是实现KD*P晶体的晶轴方向与系统光轴的方向一致、可以与编码器本体联成一体(有板弹簧安装孔，编码器本体与固定底座之间采用板弹簧连接，可以防止本体沿径向移动，但能缓冲一定的轴向位移；)，晶体座的设计要求是实现KD*P晶体的位置调节、实现晶体绕光轴旋转以及可以与编码器转动环联成一体(由长伸出轴与转动环抱紧，即旋转编码器转动环与晶体座为轴孔抱紧连接，且由固紧螺钉固死)。通过旋动调节钮能调节KD*P晶体的位置，使其电场的感生轴ξ，η方向与起偏器P、检偏器A的偏振方向(x轴)成45度。旋转手轮，能转动KD*P及旋转编码器的心轴，并通过与编码器相连的数显表精确读数。待测相位延迟器和相位补偿器的原理同上。

后续信号处理电路部分，使用了两级滤波器来降低信号中的噪声和二次谐波干扰。首先，光电二极管将光信号进行光电转换，并经静电流放大器放大至峰-峰值2.5V左右的电压信号。后送经由MAX274芯片搭建的带通滤波器，其主要目的是滤除噪声、工频干扰及其他无效信号，带通滤波器的中心频率需调至与光信号频率相吻合。经带通滤波后，信号中还存在幅值较高的二次谐波信号，为进一步抑制二次谐波，使用了MAX274芯片搭建的带阻滤波器进行进一步的信号处理，带阻滤波器的中心频率为光信号频率的二倍。

采用图1所示系统测量相位延迟时通过补偿器产生的相位延迟量为：

${\mathrm{\δ}}_C=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_e-n_o)\tan \mathrm{\α}\·\mathrm{\ΔL}---\left(3\right)$

其中n_o和n_e分别为晶体发生双折射o光和e光对应的主折射率，α为补偿器楔角，λ为光源波长。

根据补偿情况不同可将测量方法分为两种，一类可以称为在垂直模式下测量，两个偏振片方向垂直，即满足在零点完全补偿的条件Δδ＝δ_s+δ_c＝0，另一类可以称为在平行模式下测量，两个偏振片方向平行，即满足δ_s+δ_c＝π的补偿条件。

在垂直模式下，即起偏器和检偏器偏振方向垂直的情况下，将待测波片放入系统中，让补偿器移动ΔL从而满足完全补偿条件Δδ＝δ_s+δ_c＝0，δ_s＝-δ_c(当出现消光位置时，即满足完全补偿条件，记录此时的补偿器移动ΔL值)。

在平行模式下，即起偏器和检偏器偏振方向平行的情况下，采用波长为λ的激光光源测量中心波长为λ₀的波片。将待测波片放入系统中，让补偿器移动ΔL从而满足完全补偿条件δ_s+δ_c＝π，当出现消光位置时，即满足完全补偿条件，记录此时的补偿器移动ΔL值，根据公式(3)和δ_s＝π-δ_c可确定出相位延迟器的相位延迟量。

在以上两种情况中，平行模式下移动的补偿量ΔL比垂直模式下的移动量要小很多，这样带来的误差也相对较小。

本实用新型可根据所需测量的相位延迟器中心波长不同，选择匹配的激光器进行测量，常用的激光光源波长有632.8nm，532nm，473nm。

Claims (10)

1.一种多光源相位延迟器件测量系统，其特征在于包括若干个激光光源、光分束器、起偏器、光调制器、调制信号源、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器、结果显示单元和激光单色仪；所述激光光源经所述光分束器分为两束，一束依次经过所述起偏器、光调制器、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器后由结果显示单元显示输出结果；另一束输出至激光单色仪；所述调制信号源与所述光调制器通过信号线连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于包括若干分光平片和一反射镜，所述激光光源依次经所述分光平片、反射镜后传输到所述光分束器上。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述光调制器、待测相位延迟器、相位补偿器的角度旋转操作时分别由一旋转编码器检测；所述光调制器或待测相位延迟器或相位补偿器位于一晶体座中，且通过所述晶体座与所述旋转编码器转动环一体连接，所述晶体座安装于一固定底座中，所述固定底座与所述旋转编码器的本体一体连接。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述旋转编码器为空心轴旋转编码器，其与所述晶体座为轴孔抱紧实现一体连接，所述旋转编码器的本体与所述固定底座之间采用板弹簧实现一体连接。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述光调制器为KD*P晶体电光调制器，调制方式为纵向调制，所述调制信号源为正弦调制信号。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于包括一信号处理电路，所述光探测器接收的信号经所述信号处理电路进行滤波处理后发送到所述结果显示单元。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述信号处理电路包括一带通滤波器，所述带通滤波器的中心频率与光信号频率一致；一带阻滤波器，所述带阻滤波器的中心频率为光信号频率的二倍。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述相位补偿器为索累补偿器，所述索累补偿器的入射面晶体楔装有微动螺旋，通过调节所述微动螺旋使之相对入射面做平行移动。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述所述起偏器与所述检偏器偏振方向平行。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述所述起偏器与所述检偏器偏振方向垂直。

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