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专利名称：线性双折射测量装置和测量方法
技术领域：
本发明涉及偏振测量技术领域，特别是一种线性双折射的测量装置和测量方法。
背景技术：
线性双折射表现为互相垂直的两束偏振光通过光学材料后产生的相位差。相位延迟量和快轴方位角是表征线性双折射的重要光学参数。在实际使用中，包括波长在内的使用条件变化使得线性双折射材料的相位延迟量相对于标称值产生一定的偏差。同时，通常情况下线性双折射材料的快轴方位角并未标明。因此，在使用过程中需要精密地测量线性双折射材料的相位延迟量和快轴方位角。在先技术[I](参见 Baoliang Wang. Linear birefringence measurementinstrument using two photoelastic modulators.Optical Engineering，Vol. 41，981-987，2002)描述了一种基于双光弹调制器的线性双折射测量装置，该装置由一 个激光器、一个起偏器、两个不同工作频率的光弹调制器、一个检偏器和一个光电探测器组成。待测样品置于两个调制器中间，探测器信号经过傅里叶变换或者锁相放大后，利用基频分量和谐波分量计算得到样品的相位延迟量和快轴方位角。但是该装置需要采用两个精密的光弹调制器，同时信号处理电路相对复杂。在先技术[2](参见汪桂霞，徐昌杰，王青松.一种确定波片快慢轴方位的新方法.激光与红外，Vol. 36, 699-702, 2006)描述了一种可以测量波片快轴方位角的装置，该装置主要由光源、准直透镜、起偏器、检偏器、会聚透镜和光电探测器组成。该装置是将待测波片置于起偏器和检偏器之间，利用连续旋转待测波片过程中记录的光强变化确定待测波片的某一光学主轴，再通过判断出射光的偏振态来确定该光学主轴是快轴还是慢轴。但是该方法无法实现相位延迟量的测量，由于需要连续转动待测波片，光源的光强波动会影响出射光强随时间变化的曲线，从而引入较大的测量误差。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种线性双折射的测量装置和测量方法，该装置结构简单、操作方便，测量结果不受光源光强波动的影响。本发明的技术解决方案—种线性双折射测量装置，其特点在于该装置由光强调制的准直光源、圆起偏器、沃拉斯顿棱镜、双象限探测器和信号处理单元组成，上述各元部件的位置关系是沿所述的光强调制的准直光源输出的光束前进方向上，依次是所述的圆起偏器、沃拉斯顿棱镜和双象限探测器，所述的双象限探测器的输出端与所述的信号处理单元的输入端相连，在所述的圆起偏器和沃拉斯顿棱镜之间设置待测线性双折射样品的插口。所述的光强调制的准直光源由信号控制电路和激光器组成，出射激光的光强被方波调制。所述的沃拉斯顿棱镜的两个偏振轴分别与水平方向成0°和90°夹角。
所述的信号处理单元由具有A/D转换功能的多通道高速度数据采集卡与计算机构成。所述的圆起偏器为利用方解石晶体和石英晶体制作成的消光比优于10_3的圆起偏器。所述的沃拉斯顿棱镜的分束角为5°，其消光比优于10_5。所述的双象限探测器由两个光电二极管和信号放大电路组成。利用上述线性双折射测量装置测量线性双折射的方法，包括下列步骤①将待测线性双折射样品插入所述的圆起偏器和沃拉斯顿棱镜之间的插口并调整光路，使由准直光源输出的光束经所述的圆起偏器后垂直入射在待测线性双折射样品上；
②利用所述的双象限光电探测记录由沃拉斯顿棱镜分束产生的两个子光束的光强Icr和U。并转变为电信号，该电信号输入所述的信号处理单元；③将所述的待测线性双折射样品绕输入光束旋转45° ;④利用所述的双象限光电探测分别记录由沃拉斯顿棱镜分束产生的两个子光束的光强V和U。'并转变为电信号，该电信号输入所述的信号处理单元；⑤所述的信号处理单元进行下列运算求解相位延迟量8和快轴方位角0
^=Sin (5)sin (26)=
人Kr + ,Ir,
II
B=Sin ⑷ cos(26>)=7' —
1臀 + Iq0s=sin1 ^Ja2 +IfjO= — arcs in I -F=d=:=或g= ! arccos I —==JL==
2 {4JT￥) 2 {4J7￥)计算出S在0° 90°范围内的值和0在0 180°范围内的值，即获得了待测线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角。与先技术相比，本发明的技术效果如下I.可以同时测量线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角。2.沃拉斯顿棱镜对光束进行分光和检偏，具有简单的结构。测量过程中只需要将待测样品绕入射光束旋转45°前后进行两次测量，并由所述的信号处理单元自动进行数据处理，即可获得待测线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角，操作非常方便。3.利用沃拉斯顿棱镜输出的两个透振方向严格垂直的子光束的光强进行计算，测量结果不受光源光强波动的影响。


图I为本发明线性双折射测量装置和方法的光路图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图I是本发明线性双折射测量装置的光路图。由图I可见，本发明线性双折射测量装置由光强调制的准直光源I、圆起偏器2、沃拉斯顿棱镜4、双象限探测器5和信号处理单元6组成，其位置关系是沿所述的光强调制的准直光源I的光束前进方向上，依次是所述的圆起偏器2、沃拉斯顿棱镜4和双象限探测器5。所述的双象限光电探测单元5与信号处理单元6通过电气连接，不在光路中。在所述的圆起偏器2和沃拉斯顿棱镜4中设置待测线性双折射样品3的插口。所述的光强调制的准直光源I由信号控制电路和激光器组成，出射激光的光强被方波调制。 所述的沃拉斯顿棱镜4的两个偏振轴分别与水平方向成0°和90°夹角。所述的信号处理单元6由具有A/D转换功能的多通道高速度数据采集卡与计算机构成。本发明的最佳实施例的结构如图I所示，其具体结构和参数如下所述的光强调制的准直光源I为方波调制的半导体激光器，所述的圆起偏器2为利用方解石晶体和石英晶体制作成的消光比优于10_3的圆起偏器，所述的沃拉斯顿棱镜4的分束角为5°，其消光比优于10_5。所述的双象限光电探测单元5由两个光电二极管和信号放大电路组成。所述的信号处理单元6由通道高速度数据采集卡与计算机组成。利用所述的线性双折射测量装置测量线性双折射的方法，包括下列步骤①将待测线性双折射样品3插入所述的圆起偏器2和沃拉斯顿棱镜4之间并调整光路，使由准直光源I输出的光束经所述的圆起偏器2后垂直入射在待测线性双折射样品3上；②利用所述的双象限光电探测5记录由沃拉斯顿棱镜4分束产生的两个子光束的光强1(|。和19(|。并转变为电信号，该电信号输入所述的信号处理单兀6 ；③将所述的待测线性双折射样品3绕输入光束旋转45° ;④利用所述的双象限光电探测5单元分别记录由沃拉斯顿棱镜4分束产生的两个子光束的光强lei。'和1； 。'并转变为电信号，该电信号输入所述的信号处理单兀6 ;⑤所述的信号处理单元6进行下列运算求解相位延迟量8和快轴方位角0
J=sin ⑷ sin (2句=
Z9fr +1
*I
B=sin (S) ms (20)=,=Sin--(^F)
1j ( Barcsm .......,........................................或arocos .......；.......................................
2l^/F7FJ 2
计算出S在0° 90°范围内的值和0在0 180°范围内的值，即获得了待测线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角。本发明的测量原理如下所述的圆起偏器2出射的圆偏振光可以用Stokes矢量S1表达为
权利要求
1.一种线性双折射测量装置，其特征在于该装置由光强调制的准直光源(I)、圆起偏器(2)、沃拉斯顿棱镜(4)、双象限探测器(5)和信号处理单元(6)组成，上述各元部件的位置关系是沿所述的光强调制的准直光源(I)输出的光束前进方向上，依次是所述的圆起偏器(2)、沃拉斯顿棱镜(4)和双象限探测器(5)，所述的双象限探测器(5)的输出端与所述的信号处理单元(6)的输入端相连，在所述的圆起偏器(2)和沃拉斯顿棱镜(4)之间设置待测线性双折射样品(3)的插口。
2.根据权利要求I所述的线性双折射测量装置，其特征在于，所述的光强调制的准直光源(I)由信号控制电路和激光器组成，出射激光的光强被方波调制。
3.根据权利要求I所述的线性双折射测量装置，其特征在于，所述的沃拉斯顿棱镜4的两个偏振轴分别与水平方向成0°和90°夹角。
4.根据权利要求I所述的线性双折射测量装置，其特征在于，所述的信号处理单元(6)由具有A/D转换功能的多通道高速度数据采集卡与计算机构成。
5.根据权利要求I所述的线性双折射测量装置，其特征在于，所述的圆起偏器(2)为利用方解石晶体和石英晶体制作成的消光比优于10_3的圆起偏器。
6.根据权利要求I所述的线性双折射测量装置，其特征在于，所述的沃拉斯顿棱镜(4)的分束角为5°，其消光比优于10_5。
7.根据权利要求I所述的线性双折射测量装置，其特征在于，所述的双象限光电探测单元(5)由两个光电二极管和信号放大电路组成。
8.利用权利要求I所述的线性双折射测量装置测量线性双折射的方法，其特征在于包括下列步骤 ①将待测线性双折射样品(3)插入所述的圆起偏器(2)和沃拉斯顿棱镜(4)之间插口并调整光路，使由准直光源(I)输出的光束经所述的圆起偏器(2)后垂直入射在待测线性双折射样品(3 )上； ②利用所述的双象限光电探测(5)记录由沃拉斯顿棱镜(4)分束产生的两个子光束的光强1(|。和19(|。并转变为电信号，该电信号输入所述的信号处理单兀(6)； ③将所述的待测线性双折射样品(3)绕输入光束旋转45°; ④利用所述的双象限光电探测(5)分别记录由沃拉斯顿棱镜(4)分束产生的两个子光束的光强Io。'和19(|。'并转变为电信号，该电信号输入所述的信号处理单兀(6); ⑤所述的信号处理单元6进行下列运算求解相位延迟量8和快轴方位角0
全文摘要
一种线性双折射测量装置和测量方法，该装置由光强调制的准直光源、圆起偏器、沃拉斯顿棱镜、双象限探测器和信号处理单元组成，上述元部件的位置关系是沿所述的光强调制的准直光源输出的光束前进方向上，依次是所述的圆起偏器、沃拉斯顿棱镜和双象限探测器，所述的双象限探测器的输出端与所述的信号处理单元的输入端相连，在所述的圆起偏器和沃拉斯顿棱镜之间设置待测线性双折射样品的插口。本发明装置结构简单、测量操作方便，能同时测量线性双折射样品的相位延迟量和快轴方位角，测量结果不受光源光强波动的影响。
文档编号G01B11/26GK102706809SQ20121019316
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者刘龙海, 曾爱军, 朱玲琳, 郑乐行, 陈贝石, 黄惠杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所