專利名稱：測量雙折射單軸晶體波片厚度的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光學(xué)測量，特別是一種測量雙折射單軸晶體波片厚度的裝置。
背景技術(shù)：
在光學(xué)上被廣泛應(yīng)用的雙折射單軸晶體波片起作用的是波片的相位延遲量。波片在光軸準確定向的情況下，波片的厚度決定其相位延遲量。在生產(chǎn)過程中厚度的準確控制與測量是十分重要的，它直接關(guān)系到能否得到所需要的相位延遲量。對于光學(xué)波片厚度的測量，已有發(fā)明專利ZL01132359.0，名稱為“光學(xué)波片的檢測儀”，該專利描述一種測量光學(xué)波片厚度的方法是將待測波片夾在起偏器和檢偏器之間，并使波片的光軸與起偏器的透射軸方向成π/4(波片的光軸要事先用其他方法確定)，并以一特定波長λ的激光器作為光源，該激光器發(fā)出的光垂直通過起偏器、波片、檢偏器，隨后轉(zhuǎn)動檢偏器(以入射光線為軸線)，測得波片對這一特定波長λ的相位滯后角(晶體雙折射中尋常光和非尋常光產(chǎn)生的相位之差，即通常所說的相位延遲量)，由滯后角和波片等效厚度之間存在的對應(yīng)關(guān)系，從而得到對應(yīng)零級波片的有效厚度d。通常，由于零級波片的厚度太薄，不易加工和使用，一般的做法是在使波片的厚度為幾個至幾十個該波長的全波片厚度dλ上疊加所需零級波片的厚度。對于這種多級波片，其波片絕對厚度D應(yīng)該為D＝Ndλ+d其中N為絕對厚度中所含全波長厚度值(dλ)的整數(shù)倍。該專利技術(shù)所提供的測量方法無法直接測出波片的絕對厚度，只能首先測出該波片對應(yīng)于一特定波長λ(用于作為測量光源的激光器對應(yīng)的波長)的相位延遲量，通過計算得出厚度d。然后采用一種修正的方法來計算出波片的絕對厚度即事先必須要對待測波片的厚度進行一次粗測，從而確定對應(yīng)于波長λ的全波片厚度值(dλ)的數(shù)量N，代入上式后，最后才能得到待測波片的絕對厚度。從這種意義上說，這種測量方法不屬于絕對測量。
上述專利測量方法的另外一個缺點是要求事先用其他方法定出待測波片的光軸的方向，再使待測波片的光軸與起偏器的透射軸成π/4，然后才能進行正確的測量。而該儀器及其測量方法無法直接辨別出波片的光軸，光軸的方向必須事先由其他儀器標定。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有專利技術(shù)的缺點，提出一種測量雙折射單軸晶體波片厚度的裝置，該裝置不必事先測出波片的大致厚度，以確定N的值；也不必事先確定波片光軸的取向，只要其光軸的方向與起偏器的透射軸方向成π/4或3π/4即可，而且這個角度可在測量的過程中自動確定。
本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種測量雙折射單軸晶體波片厚度的裝置，其特征在于包括一輸出平行光束的白光光源，在該白光光源輸出光束的前進方向同光軸線地依次是限束光闌、起偏器、檢偏器、分束鏡、光譜儀，所述的檢偏器固定在第二角度轉(zhuǎn)動臺上，在所述的起偏器和檢偏器之間設(shè)有供放置待測波片的第一角度轉(zhuǎn)動臺，在所述的分束鏡的反射光方向有一光強度監(jiān)視器，所述的光譜儀的輸出端與計算機的輸入端相連。
所述所述的起偏器和檢偏器是單軸晶體偏振棱鏡，或多層介質(zhì)膜的偏振片，或二向色偏振片。
所述的光譜儀是一帶有CCD接收器的波長分辨率較高的光譜儀器，其光譜覆蓋范圍從400nm到1000nm。
所述的待測波片是其光軸與通光面平行，能夠產(chǎn)生相位延遲量的雙折射單軸晶體波片。
所述的計算機是安裝有下列數(shù)據(jù)處理程序的計算機①將第二光強度函數(shù)曲線I2(λ)與第一光強度函數(shù)曲線I1(λ)相同波長的透過光強度做歸一化處理，獲得光譜分辨歸一化透過率曲線T(λ)；②自動選取所述的透射率曲線上兩個峰值點處對應(yīng)的波長數(shù)值λ1和λ2，由計算機求得待測波片的厚度D。
本實用新型的優(yōu)點是對雙折射單軸晶體波片的絕對厚度的直接測量，該方法不必事先測出待測波片的大致厚度，以確定N的值；也不必事先確定波片光軸的取向，只要其光軸的方向與起偏器的透射軸方向成π/4或3π/4即可，而且這個角度可在測量的過程中自動確定。本實用新型方法的測量精度高，當光譜掃描儀的分辨率達到0.01nm時，波片的厚度測量精度可以優(yōu)于0.1μm。


圖1為本發(fā)明測量雙折射單軸晶體波片厚度裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2在設(shè)定雙折射單軸晶體波片為某一厚度、并設(shè)定白光光源的發(fā)光光譜時，所計算得的光譜為變量的透過光強度函數(shù)曲線I1(λ)和I2(λ)示例。其中橫坐標λ表示波長，單位nm(納米)?？v坐標I為光強，單位是任意單位，T表示透過率。
圖3在圖2的情況下獲得的光譜分辨歸一化透過率曲線T(λ)示例，T(λ)＝I2(λ)/I1(λ)；圖4是實際測得的一片未知厚度的石英晶體波片的光譜分辨歸一化透過率曲線T示意圖。
圖中1—輸出平行光束的白光光源2—限束光闌3—起偏器4—待測波片 5—角度轉(zhuǎn)動臺6—檢偏器7—角度轉(zhuǎn)動臺 8—分束鏡9—光強度監(jiān)視器10—光譜儀 11—計算機具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
先請參閱圖1，圖1為本實用新型測量雙折射單軸晶體波片厚度裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本實用新型的測量雙折射單軸晶體波片厚度的裝置，包括-輸出平行光束的白光光源1，在該白光光源1輸出光束的前進方向同光軸線地依次是限束光闌2、起偏器3、檢偏器6、分束鏡8、光譜儀10，所述的檢偏器6固定在第二角度轉(zhuǎn)動臺7上，在所述的起偏器3和檢偏器6之間設(shè)有供放置待測波片4的第一角度轉(zhuǎn)動臺5，在所述的分束鏡8的反射光方向有一光強度監(jiān)視器9，所述的光譜儀10的輸出端與計算機11的輸入端相連。
所述的起偏器3和檢偏器6是單軸晶體偏振棱鏡，或多層介質(zhì)膜的偏振片，或二向色偏振片。
所述的光譜儀10是一帶有CCD接收器的波長分辨率較高的光譜儀器，其光譜覆蓋范圍從400nm到1000nm。
所述的待測波片4是其光軸與通光面平行，能夠產(chǎn)生相位延遲量的雙折射單軸晶體波片。
所述的計算機11是安裝有下列數(shù)據(jù)處理程序的計算機①將第二光強度函數(shù)曲線I2(λ)與第一光強度函數(shù)曲線I1(λ)相同波長的透過光強度做歸一化處理，獲得光譜分辨歸一化透過率曲線T(λ)；②取所述的透射率曲線上兩個峰值點處對應(yīng)的波長數(shù)值λ1和λ2，由計算機11求得待測波片4的厚度D。
本實用新型的測量雙折射單軸晶體波片厚度的方法，包括以下步驟①將待測波片4置于透射軸方向平行放置或正交放置的起偏器3和檢偏振6的光路之中，構(gòu)成一個“三明治”式結(jié)構(gòu)；②轉(zhuǎn)動待測波片4的光軸方向與起偏器3的透射軸夾角為π/4或3π/1；③開啟白光光源1，出射的連續(xù)波長的平行光束依次通過限束光闌2、起偏器3、待測波片4、檢偏器6和分光鏡8后，經(jīng)光譜儀10接收，并由計算機11進行數(shù)據(jù)處理，得到一條光譜分辨歸一化透射率曲線；
④取所述的光譜分辨歸一化透射率曲線上兩個峰值點處對應(yīng)的波長數(shù)值λ1和λ2，由計算機11根據(jù)下式計算求得待測波片的厚度DD=m2-m1K(λ2)-K(λ1)=ΔmK(λ2)-K(λ1),]]>式中，K(λ)=ne(λ)-no(λ)λ,]]>ne(λ)-no(λ)為待測波片雙折射率差；λ1和λ2是所選兩個峰對應(yīng)的波長，且λ1＞λ2；m1和m2是波片在λ1和λ2處對應(yīng)的波峰的相對級次。
所述的透射率曲線上兩個峰值點為相鄰的峰值點。
所述的光譜分辨歸一化透射率曲線是通過兩次測量獲得的在起偏器3和檢偏器6成平行狀態(tài)時，運行測量系統(tǒng)，得到一條以光譜為變量的透過光的第一光強度函數(shù)曲線I1(λ)，接著將待測波片4轉(zhuǎn)動π/4，再次運行測量系統(tǒng)，又得出一條以光譜為變量的透過光的第二光強度函數(shù)曲線I2(λ)，計算機11將第二光強度函數(shù)曲線I2(λ)與第一光強度函數(shù)曲線I1(λ)相同波長的透過光強度做歸一化處理，即按公式T(λ)＝I2(λ)/I1(λ)計算，得出光譜分辨歸一化透過率曲線T(λ)。
所述的光譜分辨歸一化透射率曲線也可將起偏器3、待測波片4和檢偏器6構(gòu)成的“三明治”式裝置的光軸方向待測波片4、檢偏器6的透射軸夾角調(diào)整為π/4或3π/4后，直接放入連接計算機11掃描光度計的樣品室中，獲得到一條光譜分辨歸一化透射率曲線T(λ)。
本實用新型的測量過程大致如下開啟輸出平行光束的白光光源1，調(diào)節(jié)起偏器3和檢偏器6成正交后，在中間放進待測波片4，待測波片4的光軸垂直于光線軸，起偏器3、待測波片4和檢偏器6構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)。然后轉(zhuǎn)動第一角度轉(zhuǎn)動臺5旋轉(zhuǎn)待測波片4，同時檢測從分束鏡8的反射光束進入到光強度監(jiān)視器9的光強，找出“三明治”裝置透過率最小時的待測波片4的位置，此處為消光位置，此位置即待測波片4的光軸與起偏器3的透射軸平行或垂直的位置。接著通過旋轉(zhuǎn)第二角度轉(zhuǎn)動臺7使檢偏器6旋轉(zhuǎn)π/2，使得起偏器3和檢偏器6成平行狀態(tài)。運行測量系統(tǒng)，得到一條以光譜為變量的透過光的第一光強度函數(shù)曲線I1(λ)。接著再轉(zhuǎn)動第一角度轉(zhuǎn)動臺5旋轉(zhuǎn)待測波片4轉(zhuǎn)動π/4，順時針或逆時針方向均可，再次運行測量系統(tǒng)，又得出一條以光譜為變量的透過光的第二光強度函數(shù)曲線I2(λ)。計算機11將第二光強度函數(shù)曲線I2(λ)與第一光強度函數(shù)曲線I1(λ)相同波長的透過光強度做歸一化處理，得出光譜分辨歸一化透過率曲線T(λ)，即T(λ)＝I2(λ)/I1(λ)，這個過程由圖2轉(zhuǎn)化為圖3所示。再從光譜分辨歸一化透過率曲線T(λ)上取兩個峰的波長數(shù)據(jù)，由計算式計算得到波片的厚度D。
D=m2-m1K(λ2)-K(λ1)=ΔmK(λ2)-K(λ1),]]>式中，K(λ)=ne(λ)-no(λ)λ,]]>λ1和λ2是所選兩個峰對應(yīng)的波長，且λ1＞λ2，m1和m2是波片在λ1和λ2處對應(yīng)的相對級次。它隨波長的增加而減少，相鄰峰的級差定為1。如取相鄰的兩個峰的波長數(shù)據(jù)，此時Δm＝1，實際上為了提高測量精度和操作簡單化，取Δm＝1最為方便。雙折射單軸晶體折射率差ne(λ)-no(λ)由已有的折射率差的色散公式確定(可查相關(guān)的晶體折射率數(shù)據(jù)手冊)，公式的形式是[ne(λ)-no(λ)]=Σi,n=-∞+∞aiλn+t(λ),]]>其中，t(λ)是一個溫度函數(shù)。
所得到的光譜分辨歸一化透過率曲線(圖3)是一條周期不等的多峰谷振動線，沿光譜長波方向峰與峰的距離逐漸增大。這條曲線有明顯的特征對應(yīng)于一個確定厚度的波片，只有唯一的一條曲線與之相對應(yīng)。此曲線包含著待測波片4光譜分辨的相位延遲信息。即由所得到的光譜分辨歸一化透過率曲線即可對待測波片4作出判斷曲線的峰表明待測波片是該峰所對應(yīng)波長的全波片，而曲線的谷表明待測波片4是該谷所對應(yīng)波長的半波片，透過率為0.5之處，待測波片正是該處所對應(yīng)波長的1/4波片，其余可類推出待測波片所對應(yīng)的波長的相位延遲量。
下面是一應(yīng)用實例對一片標稱為1064nm的石英晶體半波片進行測量，已知石英晶體雙折射率差的色散公式
103[ne(λ)-no(λ)]＝8.86410+0.107057λ-2+0.0019893λ-4-0.17175λ2-10-3t(1+t/900)(1.01+0.2λ2)，式中，波長λ的單位為微米(μm)；溫度t是測量石英波片時波片的溫度(與環(huán)境溫度相同)，其單位為℃。
把波片放進平行的偏振器間構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)(測量時溫度為25℃)，按照上述的測量步驟，得到一條該波片的光譜分辨歸一化透過率曲線如圖4所示，光譜分辨率為0.1nm。在此曲線中，取出的兩個相鄰的峰對應(yīng)的波長為λ1＝1147.8nm和λ2＝993.7nm，λ1＞λ2，此時Δm＝1。ne(λ1)-no(λ1)＝8.68751×10-3，K(λ1)＝7.56884×10-3；ne(λ2)-no(λ2)＝8.77394×10-3，K(λ2)＝8.82957×10-3。按照公式D=1K(λ2)-K(λ1)]]>計算，得到波片的厚度為793.2μm。
本實用新型的測量方法屬于非接觸測量，經(jīng)試用證明本實用新型裝置使用方便，不必事先測出波片的大致厚度，以確定N的值；也不必事先確定波片光軸的取向，只要其光軸的方向與起偏器的透射軸方向成π/4或3π/4即可，而且這個角度可在測量的過程中自動確定，裝置簡單，測量精度高，厚度測量誤差可優(yōu)于0.1μm。
權(quán)利要求1.一種測量雙折射單軸晶體波片厚度的裝置，其特征在于包括一輸出平行光束的白光光源(1)，在該白光光源(1)輸出光束的前進方向同光軸線地依次是限束光闌(2)、起偏器(3)、檢偏器(6)、分束鏡(8)、光譜儀(10)，所述的檢偏器(6)固定在第二角度轉(zhuǎn)動臺(7)上，在所述的起偏器(3)和檢偏器(6)之間設(shè)有供放置待測波片(4)的第一角度轉(zhuǎn)動臺(5)，在所述的分束鏡(8)的反射光方向有一光強度監(jiān)視器(9)，所述的光譜儀(10)的輸出端與計算機(11)的輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量雙折射單軸晶體波片厚度的裝置，其特征在于所述的起偏器(3)和檢偏器(6)是單軸晶體偏振棱鏡，或多層介質(zhì)膜的偏振片，或二向色偏振片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量雙折射單軸晶體波片厚度的裝置，其特征在于所述的光譜儀(10)是一帶有CCD接收器的波長分辨率較高的光譜儀器，其光譜覆蓋范圍從400nm到1000nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量雙折射單軸晶體波片厚度的裝置，其特征在于所述的待測波片(4)是其光軸與通光面平行，能夠產(chǎn)生相位延遲量的雙折射單軸晶體波片。
專利摘要一種測量雙折射單軸晶體波片厚度的裝置，其特征在于包括一輸出平行光束的白光光源，在該白光光源輸出光束的前進方向同光軸線地依次是限束光闌、起偏器、檢偏器、分束鏡、光譜儀，所述的檢偏器固定在第二角度轉(zhuǎn)動臺上，在所述的起偏器和檢偏器之間設(shè)有供放置待測波片的第一角度轉(zhuǎn)動臺，在所述的分束鏡的反射光方向有一光強度監(jiān)視器，所述的光譜儀的輸出端與計算機的輸入端相連。本實用新型裝置使用方便，經(jīng)試用證明其測量精度高，厚度測量誤差可優(yōu)于0.1μm。
文檔編號G01B11/06GK2869774SQ20052004536
公開日2007年2月14日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者林禮煌, 馮偉偉, 歐陽斌 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所