專利名稱：激光回饋波片測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光測量技術領域。
背景技術：
波片作為位相延遲器，在與偏振光有關的光學系統中有著廣泛的應用，如外差激光干涉儀，偏振光干涉系統，偏光顯微鏡、橢偏儀、光隔離器、窄帶光濾波器、可調光衰減器、光盤驅動器光拾取頭等等，其中以具有π/2位相差的四分之一波片最為常用。作為光學系統的重要組成元件，波片自身位相延遲量的精度會影響整個系統的效果或測量精度。因此波片位相差的精確測量是非常重要的。在很多光學系統中，需要準確知道波片的位相差，這就要求有高精度的測量方法。目前，國內外高精度的波片測量方法有許多，以測量四分之一波片為主，比較典型的波片測量方法有以下幾種。
1、旋轉消光法一個標準1/4波片的快軸與起偏器的偏振方向成45°角，被測1/4波片的快軸與起偏器的偏振光方向相同。HeNe激光器出射的激光經起偏器后成為一束線偏振光，再分別通過待測波片和標準波片后，又成為一線偏振光。旋轉檢偏器，可以找到一個消光位置。這時檢偏器的偏振方向與起偏器的偏振方向夾角的兩倍就是波片位的相差。這就是旋轉消光法測量四分之一波片位相差的基本原理，其中消光位置的判別決定了波片位相差的測量精度。目測消光位置的方法可以使波片測量精度達到3°-5°，若使用半影檢偏器檢測可以使波片的測量精度提高到1°左右。若想進一步提高精度，需要高精度的測角儀來進行角度的測量，但這使測量設備的體積和成本都很大，增加了系統的復雜性。
2、電光調制法電光調制法的基本原理與旋轉消光法相同，但是采用了KD*P電光晶體，以電光調制檢測法來判斷消光位置，提高了判斷消光位置的精度，最終波片位相差的測量精度可以達到0.5°左右。
3、磁光調制法磁光調制法本質上也是旋轉消光法，只是判斷消光位置時采用了磁光調制的方法。由于磁光調制法可以精確判斷消光位置，判斷精度可以達到1″，所以波片位相差的測量精度理論上可以達到10″。實際上由于穩定性和調節精度等原因，測量重復性可以達到約0.1°。這種方法結構較復雜，需要專門的溫度穩定機構，調整的工序多、要求高，調整的精度對測量結果影響很大，所以實際應用時會受到很多限制。
4、旋轉檢偏器法讓單色光源通過起偏器成為線偏振光，再通過待測波片(快軸與起偏器軸成45°)和一個以光路為軸旋轉的檢偏器進入高靈敏度的光電探測器。如果待測波片具有準確的λ/4延遲，則透射光應為圓偏振光，透過旋轉檢偏器的光強信號始終不變。如果延遲偏離了λ/4，則透射光將成為橢圓偏振光，光強信號也成為一個振蕩信號，其振幅和平均光強由橢圓偏振光的橢圓率決定。測量出透射的平均光強和光強振蕩變化幅度，就可以計算出波片位相差。這種方法的精度一般可以達到1°左右。
5、光學外差干涉法縱向塞曼激光器輸出一束包含左旋、右旋具有微小頻差的兩種圓偏振光，通過待測四分之一波片和偏振片(波片快軸與偏振片偏振方向成45°角)后，在偏振片的偏振方向上形成干涉，然后由光電探測器接收。探測器的輸出與入射光的光強成正比，因此外差干涉信號帶有被測波片的位相差信息。通過測量外差信號交流量的幅度，就可以確定波片的相位延遲量。這種方法的測量精度受限于被測波片和偏振片方向的調整誤差和電壓測量精度，一般為0.2°-0.3°。
6、激光頻率分裂測量法基于激光頻率分裂技術的波片位相延遲測量是將波片放入激光腔內，由于波片的雙折射效應，激光的一個模式將被分裂為兩個正交的偏振分量。這兩個偏振分量之間的頻差與波片的位相差成正比，所以，通過測量頻差就可以得到波片的位相延遲。這種方法的測量精度很高，可以達到0.05°，理論上可以測量任意位相延遲的波片，并且可以溯源到光波長。但不足的是，被測波片的兩個表面需要鍍增透膜，由于被測波片是放置在激光內腔，所以受激光器本身溫度的影響較大。
從上面的分析我們可以看出，雖然目前國內外關于波片位相延遲的測量方法較多，但這些方法的測量設備較為復雜，對方向角調整的要求較高。絕大多數需要精確的角度測量，而高精度的測角儀體積很大，成本也很高，另外還有的設備需要高精度的標準四分之一波片。這就增加了測量系統的復雜性，由于測量環節引入了較多的儀器誤差和方位調整誤差，使測量精度的進一步提高受到了限制。
發明內容
本發明利用雙折射外腔回饋可以導致激光偏振跳變的基本原理，提出了一種新的波片測量方法，并構建了測量系統。在波片外腔回饋條件下，兩個偏振態在一個激光強度調制周期內的占空比與外腔波片的位相差具有線性關系，并且當波片的位相差等于π/2時，即四分之一波片，兩個本征態在一個激光強度調制周期中的占空比相等，激光輸出強度曲線類似于正弦波的全波整流，兩個偏振光的強度平等轉移。通過測量兩個偏振態在一個激光強度調制周期內的占空比就可以高精度地確定外腔雙折射元件的位相差。由于激光回饋系統具有結構簡單、使用方便的特性，且被測波片位于激光器外，所以，該測量系統不但可以實現波片的高精度測量，同時還可以作為在線式波片測量系統，實時檢測波片的位相差。
本發明的特征在于，所述的基于激光回饋的波片測量裝置含有A半內腔式的632.8nm的He-Ne激光器，所述的He-Ne激光器含有增益管10，內有He、Ne混合氣體，氣壓比例為7∶1；增透窗片11，所述的增透窗片11固定在所述增益管10的一端；諧振腔，所述的諧振腔包括第一內腔反射鏡8，所述的第一內腔反射鏡8固定在所述增益管10的另一端；第二內腔反射鏡12，位于上述增透窗片11的另一端；壓電陶瓷13，固定在上述第二內腔反射鏡12上，在輸入電壓作用下，所述的壓電陶瓷13推動上述第二內腔反射鏡12沿激光軸線方向左、右移動，改變激光的頻率；B激光回饋外腔，所述的激光回饋外腔包括激光回饋外腔反射鏡4，固定在所述第一內腔反射鏡8的一側，與所述第一內腔反射鏡8有一定的距離；被測波片6，安放在上述激光回饋外腔反射鏡4與所述第一內腔反射鏡8之間；另一個壓電陶瓷3，固定在上述激光回饋外腔反射鏡4上，在輸入電壓作用下，它推動上述激光回饋外腔反射鏡4沿激光軸線方向左、右移動；所述的激光回饋外腔反射鏡4、被測波片6、壓電陶瓷3以及所述的He-Ne激光器中第一內腔反射鏡8共同構成所述的激光回饋外腔；C測量電路，所述的測量電路包括分光鏡15，位于上述第二內腔反射鏡12的一側，靠近上述第二內腔反射鏡12；第一光電探測器14，測量經上述分光鏡15反射后的激光輸出的光強；偏振片16，它位于上述分光鏡15之后，將兩正交偏振光的強度進行不同的衰減；第二光電探測器17，位于上述偏振片16之后，探測通過偏振片后的激光光強；所述He-Ne激光器的石英外殼9、第一光電探測器14、第二光電探測器17固定在各自的支架上，被測波片6固定在三維波片架5上，壓電陶瓷3固定在二維調節架2上，所述各個支架、三維波片架5、二維調節架2各自固定在裝在罩子1內的平臺18上；D數據處理系統，該數據處理系統包括
模/數轉換器，輸入信號分別為第一光電探測器14和第二光電探測器17輸出的激光強度信號；數/模轉換器，該數/模轉換器的輸出與所述的壓電陶瓷3、13的輸入端相連；計算機與所述的模/數轉換器的輸出端、數/模轉換器的輸入端相連。
由實驗結果與理論分析可知，只要測量出兩個偏振態在一個激光強度調制周期的占空比，就可以得到被測波片的位相延遲。測波片的位相延遲的測量由數據處理系統自動完成。
圖1激光回饋系統示意圖；圖2激光回饋波片測量裝置示意圖；圖3測量裝置對不同波片的測量結果(a)第一光電探測器輸出，(b)第二光電探測器輸出；圖4偏振跳變中兩個偏振態的占空比與波片位相延遲的關系曲線(a)實測曲線，(b)理論曲線。
具體實施例方式
實驗裝置如附圖1所示，8和12分別是激光器的第一內腔反射鏡和第二內腔反射鏡，它們的反射率R1和R2分別為99.8％與98.8％，它們之間的距離，即激光諧振腔長記為L；10為激光增益管，內有He、Ne混合氣體，比例為7∶1；11是增透窗片，固定在上述增益管的一端；8、10、11和12共同構成了半外腔632.8nm的He-Ne激光器。13為壓電陶瓷，它固定在上述第二內腔反射鏡上，在輸入電壓作用下，它推動上述第二內腔反射鏡沿激光軸線方向左、右移動，以改變激光的頻率，并使激光工作在單模狀態；4為激光回饋外腔反射鏡，反射率R3＝10％；3為壓電陶瓷，它固定在上述激光回饋外腔反射鏡上，在輸入電壓作用下，它推動上述激光回饋外腔反射鏡沿激光軸線方向左、右移動；6為被測波片；4、6和8共同構成了激光回饋外腔，外腔長記為l。14是第一光電探測器，探測經分光鏡15反射后的激光輸出強度；17是第二光電探測器，探測激光偏振態的變化。
激光回饋波片測量系統的裝置如附圖2所示。1為系統外罩；2是二維調節架，與3固定在一起，用于調節回饋鏡4的準直；5為三維波片架，用于調節被測波片6的準直；7是擋板，用于減少激光器的溫升對回饋外腔的影響；9是激光器的石英外殼，可以減少外界環境對激光器的影響；18為系統底板，用于將系統的各個部分連接成一體，增加系統的穩定性，提高抗外界干擾的能力；上述He-Ne激光器的石英外殼9、第一和第二光電探測器各自經固定支架固定在裝在罩子內的安裝平臺18上。
實例如圖1或圖2的實驗系統，當回饋鏡4在壓電陶瓷3的推動下，沿激光軸線左右移動時，由第一光電探測器14測得的激光強度調制曲線如圖3(a)所示。圖3(a)中有5條曲線，其中曲線1是壓電陶瓷的驅動電壓；曲線2是回饋外腔中沒有波片時的激光強度調制曲線，稱之為傳統激光回饋曲線；曲線3、曲線4與曲線5分別對應被測波片的位相差為20°，35°與80°時的激光強度調制曲線。從圖3(a)可以看出，當激光回饋外腔含有波片6時，在激光輸出強度調制曲線的B點出現了一個凹陷或突起，這說明回饋外腔中有波片時對激光的輸出強度有影響。通過偏振片16觀察，即通過第二光電探測器17，我們發現激光的偏振方向在B點發生了突然的變化，即從水平方向跳變到垂直方向，這就是激光的偏振跳變，由第二光電探測器17輸出的激光強度調制曲線如圖3(b)所示。由此得出如下的結論1)不論被測波片的位相差多大，激光回饋輸出強度的調制周期不變，仍然與傳統激光回饋的相等；2)被測波片6的位相差不同，偏振跳變在一個激光強度調制周期中的位置也不同；3)激光偏振跳變時，兩個偏振態的強度均被外腔長調制，即伴隨著偏振態的變化，激光模式兩個本征態之間的強度在相互轉移；4)隨著波片位相差的增大(0-π/2范圍內)，兩個偏振態在一個激光輸出強度調制周期內的持續時間越來越接近；5)當波片位相差增加時，強度調制曲線上凹陷或突起的深度也在逐漸增加。
在一個激光強度調制周期內，兩個正交偏振態的占空比隨被測波片位相差變化的實測曲線如圖4(a)所示，基本為線性關系。
由于波片的雙折射性質，使激光模式的兩個本征態在外腔具有不同的損耗，打破了激光的柱狀對稱性，使激光的偏振態發生跳變。偏振跳變的條件可以近似表示為1)偏振從水平方向跳變到垂直方向的條件為cos(2kl)≤0(1)2)當激光偏振從垂直方向跳變到水平方向的條件為cos(2kl-2δ)≤0(2)式中k為波數，l為回饋腔長，δ為被測波片的位相延遲。由偏振跳變的條件可以推出兩個偏振態在一個激光強度調制周期的占空比與被測波片位相延遲的關系為Dx=(π-δ)/π---(3)]]>Dy=δ/π---(4)]]>式中Dx和Dy分別代表x偏振和y偏振的占空比。變化曲線如圖4(b)所示。
權利要求
1.基于激光回饋的波片測量裝置，其特征在于，所述的基于激光回饋的波片測量裝置含有A半內腔式的632.8nm的He-Ne激光器，所述的He-Ne激光器含有增益管10，內有He、Ne混合氣體，氣壓比例為7∶1；增透窗片11，所述的增透窗片11固定在所述增益管10的一端；諧振腔，所述的諧振腔包括第一內腔反射鏡8，所述的第一內腔反射鏡8固定在所述增益管10的另一端；第二內腔反射鏡12，位于上述增透窗片11的另一端；壓電陶瓷13，固定在上述第二內腔反射鏡12上，在輸入電壓作用下，所述的壓電陶瓷13推動上述第二內腔反射鏡12沿激光軸線方向左、右移動，改變激光的頻率；B激光回饋外腔，所述的激光回饋外腔包括激光回饋外腔反射鏡4，固定在所述第一內腔反射鏡8的一側，與所述第一內腔反射鏡8有一定的距離；被測波片6，安放在上述激光回饋外腔反射鏡4與所述第一內腔反射鏡8之間；另一個壓電陶瓷3，固定在上述激光回饋外腔反射鏡4上，在輸入電壓作用下，它推動上述激光回饋外腔反射鏡4沿激光軸線方向左、右移動；所述的激光回饋外腔反射鏡4、被測波片6、壓電陶瓷3以及所述的He-Ne激光器中第一內腔反射鏡8共同構成所述的激光回饋外腔；C測量電路，所述的測量電路包括分光鏡15，位于上述第二內腔反射鏡12的一側，靠近上述第二內腔反射鏡12；第一光電探測器14，測量經上述分光鏡15反射后的激光輸出的光強；偏振片16，它位于上述分光鏡15之后，將兩正交偏振光的強度進行不同的衰減；第二光電探測器17，位于上述偏振片16之后，探測通過偏振片后的激光光強；所述He-Ne激光器的石英外殼9、第一光電探測器14、第二光電探測器17固定在各自的支架上，被測波片6固定在三維波片架5上，壓電陶瓷3固定在二維調節架2上，所述各個支架、三維波片架5、二維調節架2各自固定在裝在罩子1內的平臺18上；D數據處理系統，該數據處理系統包括模/數轉換器，輸入信號分別為第一光電探測器14和第二光電探測器17輸出的激光強度信號；數/模轉換器，該數/模轉換器的輸出與所述的壓電陶瓷3、13的輸入端相連；計算機與所述的模/數轉換器的輸出端、數/模轉換器的輸入端相連。
全文摘要
本發明屬于激光測量技術領域，其特征是利用632.8nm的He－Ne激光器與外部反射鏡構成的激光回饋系統來測量波片的位相延遲。被測波片安放在回饋外腔中，當回饋鏡沿激光軸線左右移動時，激光的偏振態將在兩個正交的方向跳變。偏振跳變的位置與被測波片的位相差有關，在一個激光強度調制周期中，兩個偏振態的占空比與被測波片的位相延遲具有線性關系，根據這一原理可以實現波片位相延遲的測量。激光回饋波片測量方法及其實現裝置具有結構簡單、裝配調整容易、測量精度高、成本低的特點。適用于實時與在線式測量。
文檔編號G01M11/02GK1710398SQ200510012000
公開日2005年12月21日 申請日期2005年6月24日 優先權日2005年6月24日
發明者張書練, 費立剛 申請人:清華大學