單一波長光源測量不同波長相位延遲器件的系統的製作方法
2023-05-29 10:06:41
專利名稱：：單一波長光源測量不同波長相位延遲器件的系統的製作方法
技術領域：
：本實用新型涉及一種測量不同波長相位延遲器件的系統，特別是涉及一種利用單一波長光源測量不同波長相位延遲器件的系統，屬於光學測量
技術領域：
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背景技術：
：相位延遲量作為相位延遲器件的重要參數，其測量準確度直接影響到應用系統的質量，並且隨著技術的發展和研究的深入，人們對波片的加工和測量精度都提出了更高的要求，例如空間太陽望遠鏡(SST)的偏振測量精度已經要求能夠達到10—4以上。因此，提高相位延遲量的測量準確度對於設計和研製高精度相位延遲器件及系統具有十分重要的意義。目前有很多測量波片相位延遲量的方法，例如分束差動測量法、光譜掃描法、光強法、調製法等。例如採用分束差動自動測量(郝殿中，宋連科，波片相位延遲的分束差動自動測量，光電子.雷射，16(5)，2005:601-604);採用計算波片相位延遲量來進行精密測量的技術(徐文東，李錫善，波片相位延遲量精密測量新方法，光學學報，1994，14(10)，1096-1101)等現有技術存在的問題和不足是1、採用分束差動測量法時需測量出現極值點時補償器件的轉角，再轉換為相關的相位信息，測量誤差大，機構複雜，儀器成本高；2、採用光強法時，如波片相位延遲的分束差動自動測量系統，在未加調製的情況下直接測量直流暗點的光強，由於測量的是光強的絕對值，光源的波動及背景光的影響對測量結果影響很大，測量精度低；3、採用光譜掃描法時需從光譜曲線的極值測定相位延遲量，對單色儀的光譜精度要求高。4、採用調製法測量時，如上述波片相位延遲量精密測量系統加入了可旋轉的機械_光學旋光調製器，結構複雜，裝調要求高，誤差較大。5、大部分方法的測量結果受到儀器準直、共軸等裝調誤差的影響很大；6.大多數方法由於器件的基本參數都與波長有關，因而不適於多波長測量或消色差波片的測量。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種單一波長光源測量不同波長相位延遲器件的系統，本實用新型為一種光電混和系統，可用於對波片等光學延遲器件的相位延遲進行精密測量，也可用於產生任意的光學相位延遲量。該實用新型的獨特性在於能夠對光學相位延遲量進行直接量的測量，和其他通過間接量轉換的測量方法相比有其明顯的優勢。採用光調製方式測量消光位置，提高了信噪比，使測量精度大為改善。同時該實用新型採用旋轉編碼器實現了角度的精確測量，消除了因刻度不精確、目視讀數誤差等不利因素對實驗操作的影響。根據AL^(A)An(A)tana=A可以看出，當補償量為2Ji時，對於確定的補償器來說，補償器楔角a為一常量，AL2n(A)An(A)與波長A應為正比關係，是一條直線；本實用新型採用該系統測量波長分別為808nm、632.8nm、532nm、473nm的雷射器得到一條儀器常數曲線，利用該曲線能夠採用一種波長的雷射器測量各種不同波長的波片，通過換算得到很高的測量精度，這樣能夠有利於產品向集成化、小型化、高精度、多功能方向發展。整個實驗對環境的要求不高，操作簡單，易於產品化。為實現上述目的，本實用新型採用的技術方案為—種單一波長光源測量不同波長相位延遲器件的系統，其包括雷射光源、光分束器、起偏器、光調製器、調製信號源、待測相位延遲器、相位補償器、檢偏器、光探測器、結果顯示單元和雷射單色儀；其特徵在於所述雷射光源經所述光分束器分為兩束，一束依次經過所述起偏器、光調製器、待測相位延遲器、相位補償器、檢偏器、光探測器後由結果顯示單元顯示輸出結果；另一束輸出至雷射單色儀；所述調製信號源與所述光調製器通過信號線連接。所述光調製器、待測相位延遲器、相位補償器的角度旋轉操作時分別由一旋轉編碼器檢測；所述光調製器或待測相位延遲器或相位補償器位於一晶體座中，且通過所述晶體座與所述旋轉編碼器轉動環一體連接，所述晶體座安裝於一固定底座中，所述固定底座與所述旋轉編碼器的本體一體連接。所述旋轉編碼器為空心軸旋轉編碼器，其與所述晶體座為軸孔抱緊實現一體連接，所述旋轉編碼器的本體與所述固定底座之間採用板彈簧實現一體連接。所述光調製器為KD*P晶體電光調製器，調製方式為縱向調製，所述調製信號源為正弦調製信號。所述系統包括一信號處理電路，所述光探測器接收的信號經所述信號處理電路進行濾波處理後發送到所述結果顯示單元。所述信號處理電路包括一帶通濾波器，所述帶通濾波器的中心頻率與光信號頻率一致；一帶阻濾波器，所述帶阻濾波器的中心頻率為光信號頻率的二倍。所述相位補償器為索累補償器，所述索累補償器的入射面晶體楔裝有微動螺旋，通過調節所述微動螺旋使之相對入射面做平行移動。所述所述起偏器與所述檢偏器偏振方向平行。所述所述起偏器與所述檢偏器偏振方向垂直。本實用新型的有益效果是1.本實用新型的光調製加光學補償方案實際上進行的是相位延遲的直接測量，和其他通過間接量轉換的測量方法相比，測量精度有明顯的優勢。且方案中通過使用調製偏振光進行消光點判斷，使用索累(Soleil)補償器進行相位補償，將調製和補償兩種作用方式分開處理，消除了相互幹擾帶來的測量結果不穩定的問題。系統的綜合測量精度達到入/300(對632.8nm波長)，重複精度在0.3%以內。2.測量系統充分發揮了調製偏振光的優越性，把直流零點(正交暗場)的測量，轉換為交流零點的測量。加上窄帶選頻放大器，得到非常高的信噪比。3.本實用新型採用索累(Soleil)補償器，即使存在補償器快慢軸和l，n軸不重合，和測量光束不垂直等情況，通過測量之前的定標，這些誤差對測量結果均不產生影響，提高了測量的準確性，也降低了安裝定位的難度。補償器能夠提供02Ji範圍內任意的相位延遲，因此適用於1/2波片、1/4波片等標準波片及各種非標準波片等多種波片相位延遲量的測量。4.本實用新型採用旋轉編碼器實時監測光調製器、待測相位延遲器和相位補償器的角度旋轉操作，避免了因刻度盤的刻度不準確以及人為讀數誤差等不利因素的存在，並使操作變得更簡單直觀。根據上述方案製成的光學相位延遲精密測量系統，可用於對光學延遲器的相位延遲進行精密測量，也可用於產生任意的光學相位延遲量，擴展後還可進行厚度、方位角、折射率等幾何量和物理量的測量，以及對索累(Soleil)補償器進行標定。該實用新型測量精度高，對實驗條件和環境的要求不高，操作簡單，易於產品化。圖1、本實用新型原理圖；其中L-雷射器.BS-光分束器JP-雷射單色儀^_起偏稜鏡J-光調製器、M-調製信號源、S-待測相位延遲器、C-索累(Soleil)補償器、A-檢偏稜鏡、D-光探測器、P/0-信號處理電路和結果輸出單元圖2、本實用新型中系統的方位坐標規定圖示；圖3、索累(Soleil)補償器結構圖；圖4、旋轉編碼器原理示意圖；圖5、KD*P調節部件的設計立體結構前視圖；圖6、KD*P調節部件的設計立體結構後視圖；圖7、空心軸旋轉編碼器；圖8、KD*P晶體安裝結構示意圖；圖9、儀器常數擬合曲線；圖10、折射率差隨波長不同的變化曲線。其中1-旋轉軸、2_光柵盤、3_接受元件、4_狹縫、5_發光元件、6_後端調節鈕、7-KD*P、8-固定底座、9-前端調節鈕、10-手輪、11-旋轉編碼器本體、12-旋轉座、13-微調絲杆、14-連接板彈簧、15-固緊螺釘、16-旋轉編碼器轉子固定環、17-旋轉編碼器、18-KD*P晶體座、19-編碼器轉動環。具體實施方式以下結合附圖來描述本實用新型的設計方案及其技術特徵。圖1是本實用新型的原理圖。系統包括雷射器L、光分束器BS、雷射單色儀SP、起偏稜鏡P、光調製器E、調製信號源M、待測相位延遲器S、索累(Soleil)補償器C、檢偏稜鏡A、光探測器D、信號處理電路和結果輸出單元P/0。沿z軸方向雷射器發出的光經光分束器分為兩束，一束至雷射單色儀測量雷射的光譜值，另一束依次經過起偏稜鏡、光調製器、待測相位延遲器、索累(Soleil)相位補償器、檢偏稜鏡、光探測器、信號處理電路後由結果輸出單元顯示輸出結果，調製信號源與光調製器通過信號線連接。系統的方位坐標規定為光束傳播方向為z軸，起偏器P、檢偏器A的偏振方向沿x軸，光調製器E加電後的感生軸l，n方向和待測相位延遲器S及補償器C的快慢軸方向5一致，和x軸成45度角(見圖2)。雷射器L輻射的雷射束通過起偏稜鏡P變成線偏振光，射入光調製器E。光調製器可採用電光、磁光或聲光等調製方式，由調製信號源M加正弦電壓，其出射光兩個正交偏振態的相位延遲將受到外加電壓信號的調製，形成交流變化。調製器的出射偏振光經過待測相位延遲器S，其偏振態中加上了待測器件的相位延遲，再射入索累(Soleil)補償器C。索累(Soleil)補償器的作用類似於一個相位延遲量連續可調的零級波片。通過調節索累(Soleil)補償器，可獲得任意的相位延遲。從補償器出射的光束再通過檢偏稜鏡A，從而使偏振光相位的變化轉換為檢偏器出射光束的能量變化。在平行模式下，出射光束的光強可表達為=/QCOS'=/。一/。sin(1)其中SE，Ss，Sc分別為光調製器E、待測相位延遲器S和索累(Soleil)補償器C的相位延遲，10為入射光強。檢偏器的出射光由光探測器D接收，並經過信號處理電路的濾波放大等處理後，結果顯示在示波器O上。若不加調製信號，S卩3,=0時，當待測器件的相位延遲和補償器的相位延遲之和等於Ji時，S卩Ss+Se=Ji，從檢偏器中出射的光能量為零，這稱為完全補償，也叫消光位置。通過調節索累(Soleil)補償器，尋找消光位置。在該位置由補償器的相位延遲S。即可得到待測器件的相位延遲量Ss=Ji-Sc。本實用新型利用對偏振光進行光調製加光學補償的方式進行待測器件光學相位延遲的精密測量。在待測器件光學相位延遲的測量中，需要進行消光位置的判斷，即尋找輸出光強為零的位置，該位置可稱為輸出光強的直流零點。由於外加雜散光的影響及功率計本身響應範圍的限制，直流零點難以準確測定。本實用新型採用光調製的方式，在調製器上加上一定頻率的正弦調製信號，則光調製器產生的相位延遲為SE二Ksin"t，其中，K為常數，"為調製信號頻率，在平行模式下測量時，輸出光強相應地變為2formulaseeoriginaldocumentpage6formulaseeoriginaldocumentpage6[0050]當完全補償時，Ss+Sc=Ji，上式大括號中第三項為0，即信號中的奇次諧波分量消失，只剩下偶次諧波成分，這就是輸出光強的交流零點。由於高階分量值很小，處理時通常可忽略掉高階偶次諧波，只留下二次諧波，使完全補償條件變為信號中的所有奇次諧波分量消失，只剩下二次諧波分量。信號處理電路檢測出射信號的頻譜，當基頻分量消失的位置即為消光位置。利用這一特性，把直流零點的測量轉換為交流零點的測量，根據檢測出的二倍頻成分，從而準確判斷消光位置，實現高精度測量。由於信號源的頻率非常穩定，測量系統加上窄帶選頻放大器，得到非常高的信噪比，使消光位置的判斷精度大大提高。本實用新型中，通過調節索累(Soleil)補償器實現相位的光學補償。[0052]索累(Soleil)補償器的作用類似於一個相位延遲量可調的零級波片。由成對的晶體楔A和A'與一塊平行晶片B組成。A和A'兩光軸都平行於折射稜邊，晶體楔A可用微動螺旋使之做平行移動，平行晶片B的光軸與晶體楔A垂直(見圖3)。當晶體楔A平移時，在它們全接觸的全部區域內，兩晶體楔的總厚度在增減，A和A'形成一個厚度可變的石英片，可以使這個厚度和下面薄片的厚度之間產生任意的差值，從而使o光和e光之間產生02ji範圍內任意的相位延遲。光通過補償器後產生的相位延遲量正比於厚度改變量Ah，也正比於晶體楔的平移量AL。相位延遲和平移量之間的比例係數和光源波長有關，在測量前應先對補償器線性定標。測量時只需讀出消光點索累(Soleil)補償器的平移量即可根據定標係數得到對應的相位延遲量，操作簡單方便，結果穩定。對所述光調製器E、待測相位延遲器S和相位補償器C的角度旋轉操作時由旋轉編碼器監測(見圖4)，可以直接通過數字顯示錶讀數，其每轉輸出脈衝數為5000P/r，最小靈敏度為1.08分。圖5是KD承P調節部件的設計立體結構前視圖，圖6為KD承P調節部件的設計立體結構後視圖，本實用新型選用的是空心軸旋轉編碼器，它本身是由編碼器本體、編碼器轉動環及固定環組成(如圖7)。編碼器轉動環與編碼器本體之間可以同軸相對轉動。而光調製器的關鍵部件是一個KDAP晶體，此晶體加電後可以對線偏振光實現調製。晶體被包容在晶體座中，並通過固定底座固定在光路系統中，且晶體座與固定底座之間可以相對旋轉，編碼器的加入實現晶體座相對固定座旋轉時有精確的角度輸出(如圖8)。固定底座的設計要求是實現KDAP晶體的晶軸方向與系統光軸的方向一致、可以與編碼器本體聯成一體(有板彈簧安裝孔，編碼器本體與固定底座之間採用板彈簧連接，可以防止本體沿徑向移動，但能緩衝一定的軸向位移；)，晶體座的設計要求是實現KD*P晶體的位置調節、實現晶體繞光軸旋轉以及可以與編碼器轉動環聯成一體(由長伸出軸與轉動環抱緊，即旋轉編碼器轉動環與晶體座為軸孔抱緊連接，且由固緊螺釘固死)。通過旋動調節鈕能調節KD*P晶體的位置，使其電場的感生軸l，n方向與起偏器P、檢偏器A的偏振方向(x軸)成45度。旋轉手輪，能轉動KD*P及旋轉編碼器的心軸，並通過與編碼器相連的數顯表精確讀數。待測相位延遲器和相位補償器的原理同上。後續信號處理電路部分，使用了兩級濾波器來降低信號中的噪聲和二次諧波幹擾。首先，光電二極體將光信號進行光電轉換，並經靜電流放大器放大至峰_峰值2.5V左右的電壓信號。後送經由MAX274晶片搭建的帶通濾波器，其主要目的是濾除噪聲、工頻幹擾及其他無效信號，帶通濾波器的中心頻率需調至與光信號頻率相吻合。經帶通濾波後，信號中還存在幅值較高的二次諧波信號，為進一步抑制二次諧波，使用了MAX274晶片搭建的帶阻濾波器進行進一步的信號處理，帶阻濾波器的中心頻率為光信號頻率的二倍。採用圖1所示系統測量相位延遲時通過補償器產生的相位延遲量為=——(ne-n。)tana.AL(3)義其中n。和分別為晶體發生雙折射o光和e光對應的主折射率，a為補償器楔角，A為光源波長。上式說明光通過補償器後產生的相位延遲量正比於補償器的平移量AL，當Sc=2ji時，可以得到AL2(入)An(入)tana=入(4)採用波長分別為8Q8nm、632.8nm、532nm、473nm的雷射器對系統進行測量，即操作上從示波器的交流信號第一次出現消光到第三次出現消光中間的AL作為該波長光源的Al^，第一次消光位置對應於3。=0，第二次消光位置對應於Sc=Ji，第三次消光位置對應於Se二2Ji，其中第二次消光位置具有很強的噪聲。測量結果如表l所示表1、不同波長光源對應的單位長度平移量光源波長/nm808632.8532473AL2l/mm17.38613.30611.0179.673根據測量結果得到一條擬合的曲線(見圖9)。從擬合的曲線中可以看到，AL2An(A)tana與輸入波長A的關係近似為一條直線。其中AL2是上述精密測量得到的補償量為2Ji時的儀器常數，An(A)二n「n。為折射率差，隨波長不同發生改變(可以通過查詢參考書籍和資料獲得)，見表2和圖10。表2石英晶體折射率表入n0neReferences0.3403651.567471.577385ImpexHighTechGmbH0.4046561.5571561.56671ImpexHighTechGmbH0.41021.5565021.566031MolTechGmbH0.4678151.5510271.560368ImpexHighTechGmbH0.5085821.5482291.557475ImpexHighTechGmbH0.5460721.5461741.555350ImpexHighTechGmbH0.627821.5428191.551880ImpexHighTechGmbHtableseeoriginaldocumentpage9[0066]通過這條直線(如圖9所示)，可以得到任意波長入射時的儀器常數AL^(入)。利用這條直線，可以採用單一波長入射從而實現對多種不同中心波長波片的交叉測量，可稱為WCM(wavelengthcross-measuring)。根據補償情況不同可將測量方法分為兩種，一類可以稱為在垂直模式下測量，兩個偏振片方向垂直，即滿足在零點完全補償的條件AS=Ss+S。=0，另一類可以稱為在平行模式下測量，兩個偏振片方向平行，即滿足Ss+Sc=^的補償條件。待測石英波片的相位延遲可以表述為2;rformulaseeoriginaldocumentpage9[0069]這裡A。為波片的中心波長，d是待測石英波片的厚度。在垂直模式下，即起偏器和檢偏器偏振方向垂直的情況下，將待測波片放入系統中，讓補償器移動AL從而滿足完全補償條件AS=Ss+S。=0，Ss二-S。(當出現消光位置時，即滿足完全補償條件，記錄此時的補償器移動AL值)。由公式(3)、(5)可以得到ALtana=d(6)AL稱為補償距離，它所對應的相位延遲誤差S。可以由下式得到formulaseeoriginaldocumentpage9[0075]其中公式(7)可以由公式(3)和公式(4)得到，這樣待測中心波長為A。的波片的相位延遲量為formulaseeoriginaldocumentpage9任何中心波長波片的相位延遲量都可以通過(8)式求出，其中AL2n(A。)可以從圖9曲線中獲得。從而能夠實現在單一光源波長的條件下測量多種不同中心波長波片的相位延遲量。[0078]光源領l在平行模式下，即起偏器和檢偏器偏振方向平行的情況下，米用波長為A的雷射中心波長為A。的波片。(9)2tt以及式(4)和式(8)可以得到^30A0說fif=-=-平行模式下Ss+S。=ji，根據式(7)和式(10)，可以得到2;rAI2ff(;i0)(10)(11)其中7u=~^^M:，根據領八tA^j奐)很做"的AL值和擬和從曲線中得到的Al^(入。)、AL2n(A)值能夠實現在單一光源波長的條件下測量多種不同中心波長波片的相位延遲在以上兩種情況中，平行模式下移動的補償量AL比垂直模式下的移動量要小很多，這樣帶來的誤差也相對較小。21Os-權利要求一種單一波長光源測量不同波長相位延遲器件的系統，其包括雷射光源、光分束器、起偏器、光調製器、調製信號源、待測相位延遲器、相位補償器、檢偏器、光探測器、結果顯示單元和雷射單色儀；其特徵在於所述雷射光源經所述光分束器分為兩束，一束依次經過所述起偏器、光調製器、待測相位延遲器、相位補償器、檢偏器、光探測器後由結果顯示單元顯示輸出結果；另一束輸出至雷射單色儀；所述調製信號源與所述光調製器通過信號線連接。2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於所述光調製器、待測相位延遲器、相位補償器的角度旋轉操作時分別由一旋轉編碼器檢測；所述光調製器或待測相位延遲器或相位補償器位於一晶體座中，且通過所述晶體座與所述旋轉編碼器轉動環一體連接，所述晶體座安裝於一固定底座中，所述固定底座與所述旋轉編碼器的本體一體連接。3.如權利要求2所述的系統，其特徵在於所述旋轉編碼器為空心軸旋轉編碼器，其與所述晶體座為軸孔抱緊實現一體連接，所述旋轉編碼器的本體與所述固定底座之間採用板彈簧實現一體連接。4.如權利要求1或2所述的系統，其特徵在於所述光調製器為KD*P晶體電光調製器，調製方式為縱向調製，所述調製信號源為正弦調製信號。5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於包括一信號處理電路，所述光探測器接收的信號經所述信號處理電路進行濾波處理後發送到所述結果顯示單元。6.如權利要求5所述的系統，其特徵在於所述信號處理電路包括一帶通濾波器，所述帶通濾波器的中心頻率與光信號頻率一致；一帶阻濾波器，所述帶阻濾波器的中心頻率為光信號頻率的二倍。7.如權利要求1所述的系統，其特徵在於所述相位補償器為索累補償器，所述索累補償器的入射面晶體楔裝有微動螺旋，通過調節所述微動螺旋使之相對入射面做平行移動。8.如權利要求1所述的系統，其特徵在於所述所述起偏器與所述檢偏器偏振方向平行。9.如權利要求1所述的系統，其特徵在於所述所述起偏器與所述檢偏器偏振方向垂直。專利摘要本實用新型公開了一種利用單一波長光源測量不同波長相位延遲器件的系統，屬於光學測量
技術領域：
。本系統包括雷射光源、光分束器、起偏器、光調製器、調製信號源、待測相位延遲器、相位補償器、檢偏器、光探測器、結果顯示單元和雷射單色儀；其特徵在於所述雷射光源經所述光分束器分為兩束，一束依次經過所述起偏器、光調製器、待測相位延遲器、相位補償器、檢偏器、光探測器後由結果顯示單元顯示輸出結果；另一束輸出至雷射單色儀；所述調製信號源與所述光調製器通過信號線連接。與現有技術相比，本系統可對任意中心波長的待測相位延遲器進行直接測量，而且測量精度高、操作簡單，易於產品化。文檔編號G01M11/02GK201464160SQ20092010971公開日2010年5月12日申請日期2009年7月3日優先權日2009年7月3日發明者俞蕾,宋菲君,張穎,李海燕,楊曉光申請人:大恆新紀元科技股份有限公司北京光電技術研究所