專利名稱：測量1/4波片的相位延遲和快軸方向的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于偏振光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種測量1/4波片的相位 延遲和快軸方向的裝置。
技術(shù)背景波片常用于橢偏測量或光學(xué)測量中用以改變光的偏振態(tài)，波片的相位延 遲誤差會對測量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，此外，在制作和使用過程中，也經(jīng)常 需要在寬光譜范圍內(nèi)精確測出波片的快、慢軸方向。實現(xiàn)l/4波片相位延遲和 快軸方向的測量方法有很多種，主要有光外差法，標(biāo)準(zhǔn)片補償法，橢偏法等，上述方法往往只適用于測量某一特定單色波長下的1/4波片的相位延遲和 快軸方向，而對于其它波長下的l/4波片，特別是多級波片，采用公式換算的 方式，很難滿足測量的精度；有的常常缺少標(biāo)準(zhǔn)片，或者即使有標(biāo)準(zhǔn)片，但 該標(biāo)準(zhǔn)片的快軸方向又不容易知道，因此使測量受到限制；有的價格昂貴， 或者人工操作，非常復(fù)雜。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型解決的技術(shù)問題是針對上述已有的各種測量方法中的不足-只適合某一特定單色波長下1/4波片的測量，不能實現(xiàn)寬光譜范圍內(nèi)的測量； 測量精度難以提高、標(biāo)準(zhǔn)片和快軸方向難以得到；復(fù)雜的人工操作、不能自 動完成測量等，提出一種測量1/4波片的相位延遲和快軸方向的裝置，使之 能夠在寬光譜范圍內(nèi)同時測量不同波長的1/4波片的相位延遲和快軸方向，測 量精度高，而且操作方便，測量可自動完成。本實用新型方法的原理是采用了橢圓偏振的光強探測技術(shù)，依次將X 4 菲涅爾雙菱體和待測1/4波片置于起偏器和檢偏器之間，轉(zhuǎn)動待測1/4波片和 檢偏器至不同的位置并探測輸出的光強，即可得到1/4波片的相位延遲和快軸 的方向。本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種測量1/4波片的相位延遲和快軸方向的裝置，包括一光譜儀單色光源，
其點是在該光譜儀的單色光輸出方向依次是濾光片和45°分光鏡，在該45° 分光鏡的反射光束的前進方向同光軸地依次為起偏器、^M菲涅爾雙菱體、待 測1/4波片、檢偏器、第一聚焦透鏡和第一光電探測器，該第一光電探測器的 輸出經(jīng)第一運算放大電路和第一A/D轉(zhuǎn)換器接計算機，在所述的45°分光鏡 的透射光束的前進方向依次為衰減片、第二聚焦透鏡和第二光電探測器，該 第二光電探測器的輸出經(jīng)第二運算放大電路、第二 A/D轉(zhuǎn)換器接計算機，該 計算機的輸出端分別通過第一步進馬達驅(qū)動系統(tǒng)和第二步進馬達驅(qū)動系統(tǒng)控制所述的待測1/4波片和檢偏器的運動。利用上述測量裝置測量待測1/4波片的相位延遲和快軸方向的方法，包括 下列步驟① 調(diào)整起偏器和檢偏器的透偏方向相互垂直在一單色光束的前進方向同光軸地依次設(shè)置起偏器、檢偏器、第一聚焦 透鏡和第一光電探測器，調(diào)整起偏器和檢偏器的透偏方向相互垂直，逆著光 的傳播方向看去，起偏器的偏振面在第1象限內(nèi)且與水平方向X軸的夾角為 45° ，則檢偏器的偏振面應(yīng)在第2象限內(nèi)，且與起偏器的偏振面垂直② 給待測1/4波片標(biāo)記主軸垂直光路在起偏器和檢偏器之間放入待測1/4波片并繞光束轉(zhuǎn)動該待測 1/4波片，直到出現(xiàn)消光，第一光電探測器探測到的光強最小，表示待測1/4 波片的快軸或慢軸與起偏器的偏振面平行，并標(biāo)記下該主軸；然后將待測1/4 波片繞光束順時針轉(zhuǎn)動45° ，使所標(biāo)記的主軸與X軸平行，此時，起偏器的 透偏方向與所標(biāo)記的該待測1/4波片的主軸方向的夾角為45。；③ 置入XM菲涅爾雙菱體置入光路再將KM菲涅爾雙菱體放入起偏器和待測1/4波片之間的光路中，并使光束垂直入射n菲涅爾雙菱體的端棱面，光束經(jīng)過x"菲涅爾雙菱體后產(chǎn)生相位差5^=￡± —E =90。，使經(jīng)過起偏器的線偏振光變?yōu)橛倚龍A偏振光，該右旋圓偏振光再經(jīng)過待測1/4波片后，這時待測1/4波片上所標(biāo)記的X軸方向的 主軸為慢軸或快軸； 測量當(dāng)繞光束順時針轉(zhuǎn)動檢偏器，若光強逐漸變小，直到第一光電探測器探測出最小光強，這時檢偏器所轉(zhuǎn)過的角度即為該待測1/4波片的相位延遲，同時表明待測1/4波片所標(biāo)記的X軸方向的主軸為慢軸；⑤否則，繼第③步，繞光束順時針轉(zhuǎn)動所述的檢偏器，光強逐漸變大，直到第一光電探測器探測出最大光強，檢偏器所轉(zhuǎn)過的角度即為該待測1/4 波片的相位延遲，同時表明待測1/4波片上所標(biāo)記的X軸方向的主軸為快軸。下面對本實用新型的工作原理作說明入/4菲涅爾雙菱體的光學(xué)原理X"菲涅爾雙菱體是消色差相位延遲器，是基于菲涅爾反射的全內(nèi)反射相 變理論制成的，由于其高度消色差性，?？商娲胀úㄆ?，用于在較大的光 譜范圍內(nèi)改變光的偏振態(tài)，以實現(xiàn)寬光譜范圍的準(zhǔn)確測量，是現(xiàn)代激光技術(shù) 中不可替代的一類重要的光學(xué)器件。^/4菲涅爾雙菱體消色差相位延遲器最 初由Oxley提出，后來又由Kizel等人重新發(fā)展，是由兩塊菲涅爾菱體串接 而成的。其優(yōu)點主要有出射光束和入射光束在同一直線上，即光束不發(fā)生偏移；由于四次全內(nèi)反射的補償性，使得雙菱體的相位延遲受入射角的變化 影響很??；相位延遲隨波長的變化很小，因而具有很高的消色差特性。當(dāng)與入射面的方位角為45。的平面偏振光入射遇到菱體的內(nèi)表面，由單次 全內(nèi)反射的垂直分量和平行分量相變之差產(chǎn)生的相位延遲S為<formula>formula see original document page 5</formula>( 1 )式中e為全內(nèi)反射角，n為材料的折射率。對于^M菲涅爾雙菱體，它的單次內(nèi)反射產(chǎn)生的相位延遲s-22，。入射角變化對〃4雙菱體相位延遲的影響如圖1所示，當(dāng)入射光線為非正入射時，入射角為i，由斯涅爾定律和反射定律可知在雙菱體內(nèi)的前兩次內(nèi)反射角分別變<formula>formula see original document page 5</formula>而后兩次內(nèi)反射角分別變?yōu)?<formula>formula see original document page 5</formula>前兩次內(nèi)反射時，由入射角變化引起的單次全內(nèi)反射的相
位延遲誤差^"2為<formula>formula see original document page 6</formula>但經(jīng)過后兩次內(nèi)反射后，由入射角變化引起的單次內(nèi)反射的相位延遲誤差A(yù)^為<formula>formula see original document page 6</formula>比較(2)、 (3)兩式可知光線在雙菱體內(nèi)經(jīng)過前兩次內(nèi)反射后的相位延遲誤 差和經(jīng)過后兩次內(nèi)反射后的相位延遲誤差的大小相等符號相反，具有差動補償效應(yīng)，因此由入射角偏差引起相位延遲誤差的大小為0。出射光線雖然仍與入射光線平行，但不在同一直線上，出射光線相對于入射光線將發(fā)生偏移。波長變化對〃4雙菱體型相位延遲的影響由于材料的色散使得菱體對不同波長的光具有不同的折射率，由折射率變化引起的相位延遲誤差A(yù)、為<formula>formula see original document page 6</formula>當(dāng)入射光線為非正入射并且與入射面夾角為i時，由斯涅爾定律得<formula>formula see original document page 6</formula>為正入射時的反射角，則<formula>formula see original document page 6</formula>單次全內(nèi)反射 ￡^業(yè)<formula>formula see original document page 6</formula>同理可知，嘗.，在經(jīng)過菱體的前兩次和后兩次內(nèi)反射后大小相等符號相反， 具有補償效應(yīng)，其影響忽略不計。由折射率變化引起的相位延遲誤差A(yù)5。只包 括S.An項。在532nm下相位延遲為x/4的K9玻璃材料的雙菱體，在1064nm時產(chǎn)生的相位延遲誤差為-0.65。。由上述分析可知入射角變化對X"菲涅爾雙菱體的相位延遲具有補償性；波長變化的影響非常小，波長從532nm至1064nm產(chǎn)生的相位延遲的變化 僅為-G65°，因而具有高度消色差的性能，如圖2所示。 (2) 1/4波片相位延遲和快軸方向的測量方法測量裝置光源采用光譜儀出射的單色光，該單色光經(jīng)45°分光鏡后分 成兩路，反射光作為測量光路，透射光作為參考光路，其中，反射光，經(jīng)起 偏器、X/4菲涅爾雙菱體、待測l/4波片和檢偏器檢偏器后，再經(jīng)過第一聚焦 透鏡聚焦，由第一光電探測器接收，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過第一 A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號后由計算機采集，作為光強探測中的分子。透射光經(jīng)衰 減片后，由第二光電探測器接收，經(jīng)過第二 A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號后，由 所述的計算機采集，作為光強探測中的分母，進行數(shù)據(jù)處理。這樣，所測的 光強為測量光路中的光強除以探測光路中的光強，用以消除光源的波動。該 裝置本身的消光比可達到,6，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測量。綜上所述，本實用新型與已有的幾種方法相比的優(yōu)點在于① 采用的/i/4菲涅爾雙菱體消色差相位延遲器是基于反射的全內(nèi)反射相變理論制成的，具有高度消色差性，常用于在較大的光譜范圍內(nèi)改變光的偏 振態(tài)，以實現(xiàn)寬光譜范圍的準(zhǔn)確測量，克服了已有方法中只適用于測量單一 波長的1/4波片的限制。② 采用入/4菲涅爾雙菱體進行測量時，只需把該雙菱體的菱面垂直光線放 入光路中即可；而無需像標(biāo)準(zhǔn)片法必須首先要知道或者測量出該標(biāo)準(zhǔn)片的快 軸方向，并且在測量時，還需要旋轉(zhuǎn)波片，使其快軸方向達到所需的位置。 因此，采用^4菲涅爾雙菱體法使測量的誤差源更少、精度更高，操作更加簡 便、易行。③ 此外，將光路分為測量光路和參考光路，采用軟件除法技術(shù)，消除了 光源波動的影響，可實現(xiàn)1/4波片相位延遲和快軸方向的精確測量。④ 該系統(tǒng)不僅測量精度高，可靠性好，而且操作方便，可直接在計算機
上完成所有操作，無需進行人工繁瑣的操作，大大提高了測量效率。

圖1是、"菲涅爾菲涅爾雙菱體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是^"菲涅爾雙菱體相位延遲誤差隨波長的變化曲線。圖3是本實用新型測量波片相位延遲和快軸方向的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實用新型測量時，在放入^"菲涅爾雙菱體前，起偏器、檢偏器透偏方向相互垂直，且波片的某一主軸(快軸或慢軸)與起偏器的透偏方向一致時的示意圖。圖5是本實用新型測量時，在放入入〃菲涅爾雙菱體后，當(dāng)波片標(biāo)記的主 軸為慢軸時，光偏振態(tài)變化的示意圖。圖6是本實用新型測量時，在放入入"菲涅爾雙菱體后，當(dāng)波片標(biāo)記的主 軸為快軸時，光偏振態(tài)變化的示意圖。
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。圖1是本實用新型采用的x"菱體型菲涅爾菲涅爾雙菱體的結(jié)構(gòu)，e為雙 菱體的結(jié)構(gòu)角，其大小與全內(nèi)反射角相等。由圖1可知，出射光線和入射光 線在同一條直線上，由于在菱體內(nèi)發(fā)生4次內(nèi)反射，所以當(dāng)非正入射角發(fā)生 變化時，對雙菱體相位延遲變化的影響得到補償；此外，也補償了一部分折 射率隨波長變化的影響，使得該結(jié)構(gòu)的雙菱體具有良好的消色差性能。可適 用于較寬光譜范圍的波片的測量。圖2是入'4菲涅爾雙菱體的相位延遲誤差隨波長的變化曲線。由圖可知， 該雙菱體在532mn波長時的相位延遲為90 ，而在1064nm波長時的相位延遲
比在532mn時減小了 0.65"，具有較高的消色差性能。請參照圖3，由圖3可知，本實用新型測量1/4波片的相位延遲和快軸方 向的裝置，包括一光譜儀1單色光源，在該光譜儀1的單色光輸出方向依次 是濾光片2和45。分光鏡14，在該45°分光鏡14的反射光束的前進方向同 光軸地依次為起偏器3、入"菲涅爾雙菱體4、待測l/4波片5、檢偏器6、第 一聚焦透鏡7和第一光電探測器8，該第一光電探測器8的輸出經(jīng)第一運算放 大電路11和第一 A/D轉(zhuǎn)換器12接計算機13，在所述的45°分光鏡14的透 射光束的前進方向依次為衰減片15、第二聚焦透鏡16和第二光電探測器17， 該第二光電探測器17的輸出經(jīng)第二運算放大電路18、第二 A/D轉(zhuǎn)換器19接 計算機13，該計算機13的輸出端分別通過第一步進馬達驅(qū)動系統(tǒng)9和第二步 進馬達驅(qū)動系統(tǒng)10控制所述的待測1/4波片5和檢偏器6的運動。裝置中，光譜儀1發(fā)出的單色光束經(jīng)45。分光鏡14后，分為兩束。其 中，反射光作為測量光路，經(jīng)起偏器3、入"菲涅爾雙菱體4、待測l/4波片 5和檢偏器6后，經(jīng)第一聚焦透鏡7聚焦后，由第一光電探測器8接收，將 光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過第一運算放大電路11后，由采集卡進行數(shù)據(jù)采集 和第一A/D轉(zhuǎn)換器12，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后，送入計算機13， 進行處理，以作為光強探測中的分子。反射光作為參考光路，經(jīng)衰減片15 后，由第二光電探測器17接收，然后經(jīng)過第二運算放大電路18、第二AZD 轉(zhuǎn)換器19，將數(shù)字信號送入計算機13,進行處理，以作為光強探測中的分母。 待測1/4波片5放在起偏器3和檢偏器6之間，待測1/4波片5和檢偏器6 分別由第一步進馬達驅(qū)動系統(tǒng)9和第二步進馬達驅(qū)動系統(tǒng)10帶動，以光線方 向為軸轉(zhuǎn)動，以便于將它們轉(zhuǎn)動到所需的位置。圖4所示的是本實用新型在實施1/4波片相位延遲和快軸方向的測量時， 在放入入"菲涅爾雙菱體4前，首先確定出待測l/4波片5的某一主軸(快 軸或慢軸)的方向。具體方法由圖4可見，逆著光的傳播方向看去，起偏器
3的透偏方向與水平方向X軸的夾角為45a ，起偏器3和檢偏器6的透偏方 向相互垂直，待測l/4波片5置于起偏器3和檢偏器6之間，然后由第一步 進馬達驅(qū)動系統(tǒng)9帶動待測1/4波片5繞光線轉(zhuǎn)動，并由第一光電探測器8 實時地探測光強，直到出現(xiàn)最小值，此時待測l/4波片5的某一主軸方向與 起偏器3的透偏方向一致，與水平X軸的夾角也為45。，并以此標(biāo)記下該主 軸。圖5所示的是本實用新型測量時，當(dāng)標(biāo)記的待測1/4波片5的主軸為慢 軸時，光偏振態(tài)的變化情況。具體方法是首先將標(biāo)記某一主軸的待測1/4波片5由第一步進馬達驅(qū) 動系統(tǒng)9帶動，順時針轉(zhuǎn)動45° ，使該主軸與X軸方向一致。然后，放入入" 菲涅爾雙菱體4，使其入射的端棱面與光線方向垂直，此時圖5中所示的即 為光經(jīng)過各光學(xué)元件的偏振態(tài)。具體如下經(jīng)起偏器3后的與水平X軸方向 為45°的線偏振光，在經(jīng)過^"菲涅爾菱體4垂直Y軸方向和水平X軸方向 的相位相差9(T ，變?yōu)橛倚龍A偏振光，再經(jīng)待測l/4波片5后，圓偏振光又 變?yōu)榫€偏振光或橢圓偏振光；然后，由第一步進馬達驅(qū)動系統(tǒng)10帶動檢偏器 6繞順時針轉(zhuǎn)動，光強逐漸減小，直到減小到最小值，此時檢偏器6所轉(zhuǎn)過 的角度即為待測1/4波片5的相位延遲。圖6所示的是本實用新型測量時，當(dāng)標(biāo)記的待測1/4波片5的主軸為快 軸時，光偏振態(tài)的變化情況。具體方法是首先將標(biāo)記某-一主軸的待測1/4波片5由第一步進馬達驅(qū) 動系統(tǒng)9帶動，順時針轉(zhuǎn)動45。，使該主軸與X軸方向-一致。然后，放入^4 菲涅爾雙菱體4，使其入射的端棱面與光線方向垂直，此時圖6中所示的即 為光經(jīng)過各光學(xué)元件的偏振態(tài)。具體如下經(jīng)起偏器3后的與水平X軸方向為45°的線偏振光，在經(jīng)過x"菲涅爾菱體4垂直Y軸方向和水平X軸方向 的相位相差90° ，變?yōu)橛倚龍A偏振光，再經(jīng)待測l/4波片5后，圓偏振光又 變?yōu)榫€偏振光或橢圓偏振光。然后，由第一步進馬達驅(qū)動系統(tǒng)10帶動檢偏器 6繞光束順時針旋轉(zhuǎn)，光強逐漸增大，直到增大到最大值，此時檢偏器6所 轉(zhuǎn)過的角度即為待測1/4波片5的相位延遲。
權(quán)利要求1、一種測量1/4波片的相位延遲和快軸方向的裝置，包括一光譜儀(1)單色光源，其特征是在該光譜儀(1)的單色光輸出方向依次是濾光片(2)和45°分光鏡(14)，在該45°分光鏡(14)的反射光束的前進方向同光軸地依次為起偏器(3)、λ/4菲涅爾雙菱體(4)、待測1/4波片(5)、檢偏器(6)、第一聚焦透鏡(7)和第一光電探測器(8)，該第一光電探測器(8)的輸出經(jīng)第一運算放大電路(11)和第一A/D轉(zhuǎn)換器(12)接計算機(13)，在所述的45°分光鏡(14)的透射光束的前進方向依次為衰減片(15)、第二聚焦透鏡(16)和第二光電探測器(17)，該第二光電探測器(17)的輸出經(jīng)第二運算放大電路(18)、第二A/D轉(zhuǎn)換器(19)接計算機(13)，該計算機(13) 的輸出端分別通過第一步進馬達驅(qū)動系統(tǒng)(9)和第二步進馬達驅(qū)動系統(tǒng)(10)控制所述的待測1/4波片(5)和檢偏器(6)的運動。
專利摘要一種測量1/4波片的相位延遲和快軸方向的裝置，包括一光譜儀，在光譜儀的輸出光方向依次是濾光片和45°分光鏡，在45°分光鏡的反射光束方向同光軸地依次為起偏器、λ/4菲涅爾雙菱體、待測1/4波片、檢偏器、第一聚焦透鏡和第一光電探測器，第一光電探測器的輸出經(jīng)第一運算放大電路和第一A/D轉(zhuǎn)換器接計算機，在45°分光鏡的透射光束方向依次為衰減片、第二聚焦透鏡和第二光電探測器，第二光電探測器的輸出經(jīng)第二運算放大電路、第二A/D轉(zhuǎn)換器接計算機，計算機的輸出端分別通過第一步進馬達驅(qū)動系統(tǒng)和第二步進馬達驅(qū)動系統(tǒng)控制待測1/4波片和檢偏器的運動。本實用新型能在寬光譜范圍內(nèi)測量1/4波片的相位延遲和快軸方向，測量精度高，而且操作方便。
文檔編號G01M11/02GK201032473SQ200720067870
公開日2008年3月5日 申請日期2007年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月15日
發(fā)明者俊 康, 朱健強, 微 范, 鋒 薄 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所