本發明涉及光學檢測領域，特別是一種在線消除光彈調制微小光旋角檢測中偏振器件安裝誤差的裝置及方法，可用于偏振光調制檢測的器件安裝誤差抑制與補償中。
背景技術：
利用光彈調制器對線偏振光進行高頻調制，有效提高了入射偏振光束偏振面微小旋轉角的檢測，隔離了低頻、1/f、緩慢漂移帶來的噪聲。尤其在一些需要系統長期穩定的應用領域，調制檢測系統自身的穩定性很重要。
光彈調制檢測必不可少的關鍵器件有起偏器、光彈調制器和檢偏器；以起偏器光軸位置為基準，起偏器、光彈調制器、檢偏器光軸位置應該分別為0度、45度和90度，三者安裝偏差帶來的光軸偏差角會引入檢測的偏振和相位誤差，影響檢測信號的精準度。當起偏器與光彈調制器光軸夾角偏離45度時會使檢測信號的基頻信號和二次諧波信號減小，降低信噪比，嚴重時甚至導致光彈調制檢測方法的失效，因此在使用過程中應盡可能去除減小起偏器與光彈調制器光軸相對角度的誤差。一般情況下是直接觀測透過偏振器件的光強度，根據透過光強度的變化，通過調節偏振器件所在的光學鏡架來確定其光軸所在位置，這種方法簡單操作但是難以精確確定光軸所在方位，不能滿足高精度光旋角偏振檢測要求。
技術實現要素：
本發明目的在于優化偏振調制檢測器件的安裝位置，消除起偏器、光彈調制器、檢偏器安裝誤差，解決由其帶來的引入檢測系統相位和偏振誤差以及檢測信號信噪比降低的問題，提出一種在線消除光彈調制微小光旋角檢測中偏振器件安裝誤差的裝置及的方法。該方法的裝置包括光學模塊和測量模塊，通過設計的光路結構及偏振檢測輸出特性優化偏振器件光軸的位置，利用光軸正交消光的特性消除起偏器與檢偏器安裝誤差，利用光彈調制檢測二次諧波特性消除光彈調制器安裝誤差。
為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：
一種在線消除光彈調制微小光旋角檢測中偏振器件安裝誤差的裝置，該裝置包括光學模塊和測量模塊兩部分，光學模塊由沿系統光軸依次設置的激光器、起偏器、光彈調制器、四分之一波片、待測樣品、檢偏器，以及光彈控制器組成；測量模塊由光電探測器、鎖相放大器和信號采集與處理系統組成，上述元器件的位置關系如下：
所述的激光器出射的激光經過所述的起偏器變成線偏振光；從所述的起偏器出射的線偏振光依次通過所述的光彈調制器、四分之一波片、待測樣品、檢偏器的光學中心位置，出射光由所述的光電探測器接收；所述的光彈調制器與起偏器的光軸夾角為45度；所述的四分之一波片與起偏器的光軸夾角為0度；所述的檢偏器與起偏器的光軸夾角為90度；所述的光彈控制器作用在光彈調制器上，使其對激光產生高頻偏振調制作用；調制后的激光由所述的光電探測器轉換為電信號輸入到所述的鎖相放大器；所述的鎖相放大器的參考信號由所述的光彈控制器給出；所述的鎖相放大器輸出信號至所述的信號采集與處理系統。
所述的光彈控制器通過輸入面板設定光彈調制器的峰值延遲量、調制頻率和工作波長。
利用所述的在線消除光彈調制微小光旋角檢測中偏振器件安裝誤差的裝置在線消除光彈調制微小光旋角檢測中偏振器件安裝誤差的方法，包括：
步驟1、根據光軸正交消光的特性確定起偏器與檢偏器的透光軸垂直正交；
步驟2、所述的光彈控制器通過輸入面板設定光彈調制器的峰值相位延遲量，所述的光電探測器記錄從檢偏器出射的光束強度并轉變為電信號，該電信號輸出至所述的鎖相放大器的信號輸入端，所述的光彈控制器的輸出端與鎖相放大器的參考信號端相連，鎖相放大器輸出信號的二次諧波信號幅度如下：
v2f是檢測系統輸出信號的二次諧波；i0為激光器光強輸出；αm為光彈調制相位調制幅度；θm為光彈調制器主光軸與起偏器透光軸之間存在的安裝偏差角，當二次諧波信號幅度取最大值時，偏差角θm為零，即精確修正了起偏器、檢偏器透光軸與光彈調制器主光軸之間的相對角度。
具體實施步驟如下：
1.根據光軸正交消光原理優化所述的起偏器與檢偏器透光軸相對位置，具體步驟如下：
①用bnc線將光電探測器與信號采集與處理系統相連，通過信號采集與處理系統中的前置放大器模塊，將光電探測器輸出的電流信號轉換為電壓信號，并通過信號采集與處理系統將電壓信號顯示出來；
②固定起偏器的光軸所在位置如圖1所示，利用高精度旋轉鏡架精確調整檢偏器透光軸位置使光電探測器輸出信號最小，即消光位置，此時兩者光軸之間夾角為90度；
2.根據偏振調制信號輸出特性優化光彈調制器的主光軸與起偏器及檢偏器透光軸之間精確的相對角度，具體步驟如下：
①將所述的光彈調制器和四分之一波片按照所述放入在線消除光彈調制微小光旋角檢測中偏振器件安裝誤差的裝置中，通過bnc線將所述的光電探測器與鎖相放大器連接，鎖相放大器包含前置放大器可以將光電探測器輸出的電流信號轉換為電壓信號，通過bnc線將所述的光彈控制器的參考頻率輸出端與鎖相放大器的外部參考信號輸入端相接，將所述的鎖相放大器輸出信號中的二次諧波分量通過bnc線輸入到信號采集與處理系統；
②粗略調節光彈調制器光軸的位置如圖1所示，使其與起偏器偏振軸夾角約為45度；
③打開所述的光彈控制器和鎖相放大器，根據此時光路輸出特點，即二次諧波輸出信號幅度與光彈調制器主光軸和起偏器及檢偏器透光軸相對角度的偏差角呈余弦關系，利用高精度旋轉鏡架精確調整光彈調制器透光軸位置使鎖相放大器輸出的二次諧波信號幅度最大，即優化光彈調制器與起偏器和檢偏器透光軸相對安裝偏差角，此時光彈調制器主光軸與起偏器透光軸夾角45度，同時光彈調制器主光軸與檢偏器透光軸夾角也為45度。
本發明的技術效果如下：
1.不需要增加額外的器件和裝置，只需要在最基本的光彈調制檢測系統中就可以實現器件安裝位置的優化。
2.本方法操作簡單，易于實現，精度高，能有效地消除檢測光路中偏振器件安裝偏差帶來的相位與偏振誤差，提高信號強度，實現高精度偏振檢測。
附圖說明
圖1為本發明一種在線消除光彈調制微小光旋角檢測中偏振器件安裝誤差的裝置結構框圖；
圖2為本發明實施方法步驟流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施案例對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。
圖1為本發明一種在線消除光彈調制微小光旋角檢測中偏振器件安裝誤差的裝置及方法實施結構框圖。由圖1可見，一種在線消除光彈調制微小光旋角檢測中偏振器件安裝誤差的裝置，該裝置包括光學模塊和測量模塊兩部分，光學模塊由沿系統光軸依次設置的激光器1、起偏器2、光彈調制器3、四分之一波片4、待測樣品5、檢偏器6以及光彈控制器8；測量模塊由光電探測器7、鎖相放大器9和信號采集與處理系統10組成，上述元器件的位置關系如下：
所述的激光器1出射的激光經過所述的起偏器2變成線偏振光；從所述的起偏器2出射的線偏振光依次通過所述的光彈調制器3、四分之一波片4、待測樣品5、檢偏器6的光學中心位置，出射光由所述的光電探測器7接收，光電探測器7選用的是thorlabs公司的sm1pd1a；所述的光彈調制器3與起偏器2的光軸夾角為45度，光彈調制器選用的是hindsinstrument公司的pem-100；所述的四分之一波片4與起偏器2的光軸夾角為0度；所述的檢偏器6與起偏器2的光軸夾角為90度；所述的光彈控制器8作用在光彈調制器3上，使其對激光產生高頻偏振調制作用；調制后的激光由所述的光電探測器7轉換為電信號通過bnc連接線傳輸到所述的鎖相放大器9的1號信號輸入端；所述的鎖相放大器9使用的是zurichinstruments公司的hf2li，其參考信號由所述的光彈控制器8給出；所述的鎖相放大器9輸出信號通過bnc連接線傳輸至所述的信號采集與處理系統10；所述的信號采集與處理系統10中包含顯示屏，可以實時觀察所測信號的大小；信號采集與處理系統10中安裝有鎖相放大9的控制程序，可以用來設定鎖相放大器9的各項參數。
所述的光彈控制器通過輸入面板設定光彈調制器的峰值延遲量、調制頻率和工作波長。
所述的部分光學器件光軸角度為：以起偏器2光軸位置為基準，即起偏器2光軸為0度，光彈調制器3光軸角度為45度，四分之一波片4光軸角度為0度，檢偏器6光軸角度為90度。
利用所述的在線消除光彈調制微小光旋角檢測中偏振器件安裝誤差的裝置在線消除光彈調制微小光旋角檢測中偏振器件安裝誤差的方法，具體實施步驟如下：
1.根據光軸正交消光原理優化所述的起偏器2與檢偏器6透光軸相對位置，具體步驟如下：
①用bnc線將光電探測器7與信號采集與處理系統10相連，通過信號采集與處理系統10中的前置放大器模塊，將光電探測器7輸出的電流信號轉換為電壓信號，并通過信號采集與處理系統10將電壓信號顯示出來；
②固定起偏器2的光軸所在位置如圖1所示，利用高精度旋轉鏡架精確調整檢偏器6透光軸位置，觀察光電探測器7輸出信號大小變化，當光電探測器7輸出信號最小時，即到達消光的位置，此時起偏器與檢偏器光軸之間夾角為90度，固定好檢偏器光軸的位置；
2.根據偏振調制信號輸出特性優化光彈調制器3的主光軸與起偏器及檢偏器透光軸之間精確的相對角度，具體步驟如下：
①將所述的光彈調制器3和四分之一波片4按照所述放入在線消除光彈調制微小光旋角檢測中偏振器件安裝誤差的裝置中，通過bnc線將所述的光電探測器7與鎖相放大器9連接，鎖相放大器9包含前置放大器可以將光電探測器7輸出的電流信號轉換為電壓信號，通過bnc線將所述的光彈控制器8的參考頻率輸出端與鎖相放大器9的外部參考信號輸入端相接，將所述的鎖相放大器9輸出信號中的二次諧波分量通過bnc線輸入到信號采集與處理系統10；
②粗略調節光彈調制器3光軸的位置，如圖1所示，使其與起偏器2偏振軸夾角約為45度；
③打開所述的光彈控制器8和鎖相放大器9，設定好光彈調制器的峰值延遲量、調制頻率和工作波長等參數以及鎖相放大的放大倍數、濾波頻率、通道選擇等參數；根據此時光路輸出特點，即二次諧波輸出信號幅度與光彈調制器3主光軸與起偏器2透光軸相對角度的偏差角呈余弦關系的特點，利用高精度旋轉鏡架精確調整光彈調制器3透光軸位置使鎖相放大器9輸出的二次諧波信號幅度最大，即優化光彈調制器與起偏器透光軸相對安裝偏差角，固定好光彈調制器的光軸位置，此時光彈調制器3主光軸與起偏器2透光軸夾角45度，同時光彈調制器3主光軸與檢偏器6透光軸夾角也為45度。
本發明的工作原理如下：
起偏器2與光彈調制器3光軸之間存在小的誤差角，假設這個微小誤差角為θm；從激光器輸出的激光經過起偏器后振動矢量為
過檢偏器輸出的光矢量e為：e＝gjpg'pemgqpe1；
光強為：
將δ(t)＝αmsin(ωmt)帶入上式，并利用貝塞爾公式展開：
其中二次諧波信號幅度為：
在一次實驗中，檢測激光器輸出光強i0與相位調制幅度αm都是常數，則二次諧波信號的大小是關于起偏器2與光彈調制器3光軸夾角誤差角θm的帶偏置的余弦函數，偏置大小為
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。