专利名称：可溯源测量任意波片位相延迟的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光测量技术领域，特别涉及对光学波片位相延迟进行测量的方法和装置。
背景技术：
波片在涉及到偏振光的很多光学系统中都要使用，位相延迟是其最主要的技术指标，在应用中很大程度上影响着系统的性能，因此精确测量其位相延迟非常重要。当前常用的波片位相延迟测量方法测量精度一般在0.5度～1度左右，设备调整较复杂。有的需要高精度测角仪或标准四分之一波片；有的只适用于四分之一波片而不适用于半波片等的检测。此外现有测量方法不能溯源到自然基准，这些因素使其难以满足日益提高的测量要求。
基于激光频率分裂技术测量波片位相延迟的方法提供了一种系统结构简单，调整方便，只需测量频差而无需高精度测角仪和标准四分之一波片的高精度波片位相延迟的测量方法在由可沿轴线移动的独立反射镜和激光增益管组成的半外腔氦氖激光器谐振腔内插入波片，会引起激光频率分裂，每一级纵模变成偏振方向相互正交的两个，两分裂模的频率差正比于波片位相延迟。将分裂的频差与纵模间隔相比即可得到波片位相延迟。为避免多模振荡引起的频差混叠，可以分别测量同级分裂模的频差和相邻级分裂模的频差，然后加和得到激光纵模间隔。但是对于近似标准的半波片和全波片，分裂成的两纵模之一与其他级次的纵模频率很接近，激光器将发生闭锁现象，分裂出的纵模不能同时振荡。因此，用上述测量方法对半/全波片的位相延迟进行测量时需要采取特殊的措施。
一种方法是采用在激光增益管两侧加横向磁场，利用横向塞曼效应消除激光器闭锁。采用类似频率分裂的方法，测量分裂模的频差大小和纵模间隔，二者相比即可得到波片位相延迟。由于测量中必需施加横向磁场，并保证磁场方向跟波片快慢轴之一平行，不能在一套装置上测量任意波片位相延迟。
发明内容
本发明的目的在于克服上述基于频率分裂测量波片位相延迟方法的不足，提出一种能够测量包括半波片和全波片在内的任意波片位相延迟的方法及其实现装置。
本发明提出的可溯源测量任意波片位相延迟的方法，针对不同位相延迟的波片，采用频率分裂法，纵模直读法和用附加波片产生位相偏置法分别测量，其特征在于包括下列步骤步骤a)将待测波片放入氦氖激光器的谐振腔内，使所述待测波片的快慢轴之一平行于激光初始偏振方向，并使所述待测波片的面法线沿慢轴方向相对于激光轴线倾斜，采用非接触法测量所述波片面法线沿同所述激光轴线成的倾斜角大小；步骤b)在未计入所述激光谐振腔内残余应力引起的各向异性对所述待测波片测量结果的影响时，调谐所述激光器的腔长，如果没有出现模式跳变现象，则测量同级分裂模频差和相邻级分裂模频差，将所述同级分裂模频差和所述相邻级分裂模频差相加，并且步骤b-1)如果所述相加结果约为一倍纵模间隔大小，则用频率分裂法测量所述待测波片位相延迟，计算公式为φ=ΔνΔν+Δν′π,]]>其中φ为所述待测波片的位相延迟，Δν为所述激光器同级分裂模频差，Δν′为所述激光器相邻级分裂模频差；步骤b-2)如果所述相加结果约为两倍纵模间隔大小，则采用纵模直读法测量所述待测波片位相延迟，计算公式半波片为φ=π*(1±|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|),]]>全波片为φ=π*(2±|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|),]]>其中φ为所述待测波片的位相延迟，Δ1为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的一个，Δ2为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的另一个；步骤c)如果步骤b)中出现模式跳变现象，则用附加波片代替所述待测波片按步骤a)的方法放入所述激光谐振腔，采用步骤b-1)所述频率分裂法测量所述附加波片的位相延迟；再将所述待测波片也按步骤a)的方法放入激光谐振腔，并使所述待测波片的快轴方向平行于所述附加波片的快轴，采用步骤b-1)所述频率分裂法测量所述待测波片与所述附加波片共同作用下的位相延迟；并所述共同作用下的位相延迟减去所述附加波片的位相延迟，从而得到所述待测波片的位相延迟；步骤d)取回并所述待测波片并测量厚度，根据步骤a)中测得的所述待测波片面法线沿慢轴方向同所述激光轴线成的倾斜角大小，计算所述待测波片倾斜后引起的测量结果修正值，计算公式Δφa=πdλ[1cos(θn)-1](ne-no),]]>其中Δφa为所述修正值，θ为所述待测波片面法线沿慢轴方向同所述激光轴线成的倾斜角的大小，n为所述待测波片平均折射率，ne，no为所述待测波片两个主折射率，d为所述待测波片厚度，λ为激光波长；然后从步骤b)或c)中得到的所述待测波片的测量结果中减去所述修正值以补偿所述倾斜角引起的系统误差。
为减小频差调谐量异常的影响，所述波片的面法线沿慢轴方向相对于激光轴线的倾斜角至少为15分。同时考虑所述激光谐振腔内残余应力引起的各向异性对所述待测波片测量结果的影响时，需要对其引起的系统误差进行修正，方法是在未将所述待测波片放入所述激光谐振腔时，采用所述纵模直读法测量所述腔内残余应力引起的测量结果修正值，计算公式为Δφr=π×|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|,]]>其中Δφr为所述测量结果修正值，Δ1为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的一个，Δ2为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的另一个，从得到所述待测波片的测量结果中减去所述修正值，以补偿腔内残余应力引起的系统误差。
而且，同本方法对应的装置发明，其特征在于主要包含如下部分氦氖激光器，由一支增益管和一片独立反射镜组成，所述增益管的两端分别固定着一片反射镜和一片增透窗片，所述独立反射镜与所述增透窗片相对并与压电陶瓷相连；波片支架，位于所述增透窗片和所述独立反射镜之间，包括一个平行移动导轨和两个固定在所述导轨上的二维角度调节支架，所述待测波片和/或附加波片分别放置在所述各个调节支架上，并使所述待测波片和/或附加波片放在所述所述调节支架上时面法线相对于激光轴线倾斜；光强探测单元，与所述增益管上的反射镜相对，用于对所述激光器输出的两个正交偏振态光强进行测量，所述光强探测单元包括一个渥拉斯顿棱镜和两个光电探测器，所述渥拉斯顿棱镜将所述激光器的输出光按正交偏振态分成两束光，所述光电探测器可以采用例如光电池等，探测所述两束光光强；频差探测单元，与所述独立反射镜相对，用于测量所述激光器两个正交偏振态的频率差，所述频差探测单元包括一个偏振片，一个光电探测器和一个频率计，所述光电探测器可以采用例如雪崩光电二极管(APD)等，探测所述激光器两个正交偏振态通过通光方向与所述待测波片快慢轴方向成45度角放置的所述偏振片后形成的光拍频，所述频率计与所述光电探测器输出端相连；控制装置，同所述光强探测单元、频差探测单元以及压电陶瓷相连，用于控制测量过程并输出测量结果。
其中，所述激光增益管上的增透窗片面法线相对于激光轴线倾斜的角度至少为15分，以避免引起频差调谐量异常；在所述波片附近可以采用温度传感器测量温度，所述温度传感器可以采用例如Pt100等。
采用这种方法和装置，能够在一套系统实现对任意波片位相延迟的测量，操作简单，自动判别波片测量结果，并补偿系统误差，其短期测量重复性优于0.02度，长期测量重复性优于0.04度。并且由于采用激光频率测量波片位相延迟，能够溯源到激光波长，可以为其他波片测量方法提供参考基准，作为一种可溯源测量任意波片位相延迟的方法。
图1基于频率分裂的测量方法用的半内腔氦氖激光器的原理图。
图2两级纵模各分裂成偏振方向相互正交的两个纵模的示意图。
图3调谐腔长不同级次分裂模依次进入激光出光带振荡示意图，其中3a相邻级分裂模同时振荡示意图；3b同级两分裂模同时振荡示意图。
图4半/全波片放入激光谐振腔内输出两正交偏振光强调谐曲线示意图，其中4a发生模式跳变时的光强调谐曲线示意图；4b未发生模式跳变时的光强调谐曲线示意图。
图5半/全波片引起正交方向上纵模间隔平移示意图，其中5a间隔增大两纵模移入出光带振荡示意图；5b间隔变小两纵模移入出光带振荡示意图。
图6根据本发明实施例的可溯源任意波片位相延迟测量装置的结构示意图。
具体实施例方式
一、基本原理图1为基于频率分裂的测量方法用的半内腔氦氖激光器的原理图。其中，半内腔激光器由反射镜2，增益管1和反射镜3组成，其中增益管1两端分别固定反射镜2和增透窗片4，谐振腔由反射镜2和3形成。激光器相邻两级纵模νq、νq+1间的频率差即纵模间隔为Δ=c2L---(1)]]>其中c为光速，L为谐振物理腔长。
当在谐振腔内放入双折射元件时，激光器输出的纵模将发生分裂，原先的每一级纵模变成偏振方向相互正交的两个，如图2所示，其中实线和虚线表示不同偏振方向，G为激光器增益曲线。两个分裂模的频率差为Δν=νLδ---(2)]]>其中ν为激光频率，δ为双折射元件引起的o光和e光的光程差。对于波片，有δ=λ2πφ---(3)]]>其中λ为光波长，φ为波片位相延迟，对于位相延迟大于2π的多级波片，则是指位相延迟扣除2π的整数倍后得到的大小在2π以内的“小数”部分。实际上对于位相延迟大于2π的多级波片，应用中起作用的常常是位相延迟的小数部分，测量得到的结果也往往是小数部分，而且对于石英材料做成的波片，其整数部分的级次可以采用一般测微器如游标卡尺测得。因此测量任意波片位相延迟的关键是测量波片在2π以内小数部分的位相延迟，为叙述方便，下面提到波片的位相延迟在不做特别说明时均指这种情况。由(1)(2)(3)式及波长频率关系c＝λν得φ=ΔνΔπ---(4)]]>值得注意的是，式(4)与腔长无显式关系，只要测得分裂出的频差Δν及纵模间隔Δ，即可得到波片的位相延迟量φ。为了测量频差，可以使激光器输出光经过一偏振片，并使偏振片的通光方向沿激光器正交偏振方向夹角的平分线。这样任意两个模式将在偏振片通光方向上形成频率等于二者之差的光拍频并可由探测器接收转换为电信号。需要说明的是，在激光器中同时有三个或三个以上的模式在工作时，电信号中包含多个拍频的成分，如果电信号被输入频谱仪，各成分可以在频谱仪中直接读取；但是如果电信号被输入频率计，频率计的读数将是不确定的。为提高测量精度，测量中使用频率计读出频差，因此可采用如下方法令激光器工作在如图3(a)所示的双模状态，测量由纵模νq和νq′形成的拍频Δν，然后驱动压电陶瓷改变腔长，使纵模νq移出而νq+1进入出光带宽，如图3(b)所示，测量νq′和νq+1形成的拍频Δν′。并且根据图2得到Δ＝Δν+Δν′，由此可以求出纵模间隔Δ。最终波片位相延迟可以表示为φ=ΔνΔν+Δν′π---(5)]]>在本申请中，这种测量方法称为频率分裂法。
对于近似标准的半波片和全波片，分别有φ≈π和φ≈2π，由式(4)知对应的Δν值约分别为Δ和2Δ，这意味着分裂成的两纵模之一与其他级次的纵模频率很接近(即两频差Δν与Δν′一个很小而另一个接近Δ，为方便叙述，以下假设Δν′为二者中较大的一个)，激光器将发生闭锁现象，分裂出的纵模不能同时振荡。因此，用上述测量方法无法对半/全波片的位相延迟进行测量。一种解决方案如技术背景中所述，采用在激光增益管两侧加横向磁场方法消除频差闭锁，但是同样不能在一套系统上实现对任意波片位相延迟的测量。因此当待测波片为半/全波片时，需要采用特殊方法。
对于HeNe激光器，其频差闭锁区约为40MHz。当两分裂模频差小于40MHz，由于模竞争效应，一个模式振荡，另一个模式将被抑制而处于熄灭状态，两分裂模不能同时振荡。举例说明，若激光器纵模间隔约为750MHz，将波片插入谐振腔产生频率分裂使相邻模式的频差值等于40MHz，则对应波片偏离理想半/全波片的相延迟量约为10度。同时在频差闭锁范围内，调谐谐振腔长，使激光模式在出光带上平移时，会出现两种可能情况(1)当频差处于20MHz～40MHz时，当一个模式起振后，临近分裂模将被抑制处于熄灭状态，调谐腔长使振荡模平移到出光带某位置会发生“模式跳变”现象，振荡模转为熄灭，原来熄灭的模式开始振荡，而且新起振模式的偏振态沿原来模式的正交方向，即偏振态发生跳变，此时在出光带上前后两模基本没有共振区，如图4(a)所示，其中实线和虚线分别表示两正交偏振光强；(2)当频率分裂小于约20MHz时，分裂模与其他级次的模非常接近，由于强烈模竞争效应，当其中一个模式起振后，另一个模在腔调谐过程中将一直处于熄灭状态，此时振荡的纵模在出光带上平移不会发生模式跳变，如图4(b)所示。对应于纵模间隔为750MHz的激光器，插入半/全波片并调谐谐振腔长时，上述两种情况分别对应于不同位相延迟的波片如果发生模式跳变，则波片偏离理想半/全波片的位相延迟处于5度～10度之间；如果始终一个模式振荡另一个熄灭，没有模式跳变，则波片偏离理想半/全波片的位相延迟将不超过5度。根据这两种情况，需要分别采用不同方法测量半/全波片的位相延迟。
首先对于如图4(a)所示的第一种情况，将半/全波片插入激光谐振腔后，由波片位相差引起的分裂模在激光出光带上满足的两个条件是(1)分裂模同临近纵模形成的频差处于激光频率闭锁区不能同时振荡；(2)腔长调谐过程中会发生模式跳变，振荡模式转为熄灭，原来不能起振的模式开始振荡，跳变过程中两模几乎没有共存区。由于处于模式竞争状态的两分裂模没有共存区，测量两模间的频差已不可能，可以采用新方法使激光分裂模绕开这一区域。参照上面提到的频率分裂法测量波片位相延迟，可以采用附加波片产生位相偏置的方法首先在谐振腔内放入一片已知光轴方向的波片(非半波片和全波片，如可以是30度、45度、60度、75度或者四分之一波片等)，其产生的频率分裂在激光频差闭锁区以外，则可根据前述如图3的方法测量其位相延迟φ1；再将待测半/全波片放入腔内并使其快轴方向与已知波片快轴方向平行，用同样方法测量二者共同作用下的位相延迟φ2，则共同作用下的位相延迟减去附加波片的位相延迟得到待测波片的位相延迟为φ2-φ1(可以根据实际情况是否增加相位差π)。这种偏置方法实际等效为测量两个非半/全波片的位相延迟，因而能够在原来频率分裂法测量波片的装置上不增加新机构(如稳恒磁场)而达到测量目的。只是由此带来波片的测量误差会较本专利所使用的其他方法大。这就是附加波片产生位相偏置法。
对于如图4(b)所示的第二种情况，当待测半/全波片非常接近标准半/全波片，插入谐振腔后，分裂模在激光出光带上满足如下两个条件(1)分裂模同临近纵模形成的频差处于激光频率闭锁区不能同时振荡；(2)起振模式将一直抑制处于熄灭状态的模式，腔长调谐时不发生模式跳变，两分裂模完全没有共存区。此时根据式(4)在振荡模和熄灭模之间由于波片位相延迟造成的小频差Δν(如背景所述，两频差Δν与Δν′一个很小而另一个接近Δ，为叙述方便，以下假设为Δν二者中较小的一个)将不能读出，称为隐频率分裂量，如图5中所示。其大小由波片位相差决定，并造成两正交方向上纵模间隔发生Δν的平移错位。调谐激光器腔长，不同级次的纵模依次进入出光带。在激光谐振腔内由于模抑制效应，相邻两振荡模为正交偏振的。在图5(a)中，假设初始振荡模式νq为水平偏振态，由于模竞争，垂直偏振态的分裂模νq′将被抑制。同时下一级进入出光带的偏振方向为水平的模式νq+1同νq模属于同偏振态，由于模抑制效应的存在而不能振荡。当垂直偏振态的νq+1′模进入才能振荡。于是在νq和νq+1′模间形成频差大小为Δ1的模间隔，它同纵模间隔Δ的差值为Δν。同样道理，可以分析νq-1和νq-1′进入出光带的情况，如图5(b)所示，最终在νq-1′和νq间形成频差大小为Δ2的模间隔，它同纵模间隔Δ的差值为Δν。这里只是在假设νq模处于振荡状态情况下所得的结果，即图5中实线代表模式可以在谐振腔内振荡，而虚线代表模式处于闭锁状态。反过来当初始振荡模式为νq′时，对应正交偏振方向上模式的振荡状态同上面相反，但得到的频差结果一样，即分别产生正向和负向两个偏离纵模间隔Δν的模间隔。类似的情况不再叙述。由此可以得到Δ1＝Δ+Δν，Δ2＝Δ-Δν (6)将式(6)代入式(5)可以得到半波片位相延迟量表示为φ=π*(1±|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|)---(7)]]>对于全波片，其位相延迟表示为φ=π*(2±|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|)---(8)]]>此时，调谐激光腔长，实际的纵模间隔Δ将不能得到，由频率计测量激光器相邻两纵模的频差为Δ1和Δ2，它们是等效纵模间隔。当待测半/全波片非常接近标准半/全波片，插入谐振腔后，调谐腔长，测量相邻两个不同等效纵模间隔的大小，代入式(7)或(8)可以得到对应半/全波片的位相延迟，此即纵模直读法测量。
总结一下可以知道，将待测波片放入激光谐振腔内，如果波片可以产生频率分裂，则采用频率分裂法测量；如果波片产生的分裂模处于激光器频差闭锁区，并且当调谐腔长时产生模式跳变，则采用附加波片产生位相偏置法测量，反之，则采用纵模直读法测量。由此，可以在一套装置上实现对任意波片位相延迟的测量。
二、测量方案根据上面所述的测量方法，本发明提出的技术方案，针对不同位相延迟的波片，分别采用频率分裂法，纵模直读法和附加波片产生位相偏置法测量。为区分不同位相延迟范围的波片，正确给出测量结果，需要对使用所述三种方法的情况分别予以判别。
首先判断使用附加波片产生位相偏置法的情况，这可以通过观察光强调谐曲线来判断。如图4所示，在测量过程中，采用光电探测器分别探测激光器输出两正交偏振光的光强大小，并输出计算机记录显示。调谐激光腔长时，如果出现如图4(a)所示的“模式跳变”现象，则可以认为待测波片为半/全波片，其偏离标准半/全波片的位相延迟较大，直接测量不能得到波片位相延迟，可以采用附加波片产生位相偏置法测量。
对于区分使用频率分裂法和纵模直读法测量的情况，可以通过两种情况下频率计得到的频差大小不一样来判别。根据式(5)可以知道，频率分裂时前后两次分裂模的频差之和为纵模间隔；而由式(6)可以得到Δ1+Δ2＝2×Δ，即纵模直读法时前后两次纵模的频差之和为纵模间隔的两倍。由此判别频率分裂法和纵模直读法的方法是待测波片放入激光谐振腔后，调谐腔长并测量先后进入出光带两模式的频差值，将得到的两个频差相加如果之和为一倍纵模间隔，则待测波片为可以产生频率分裂的非半/全波片，采用频率分裂法测量其位相延迟；如果之和为两倍纵模间隔，则待测波片为跟标准半/全波片非常接近的半/全波片，采用纵模直读法测量其位相延迟。实际上只要对所说的一倍纵模间隔和两倍纵模间隔进行范围限定就可以，不用严格的一倍或两倍纵模间隔。因为待测波片级次不同，对应激光纵模间隔也有细微差异。以空腔纵模间隔为750MHz的HeNe激光器为例，其一倍纵模间隔可以设置为650MHz～850MHz之间，二倍纵模间隔设置为1400MHz～1600MHz，二者相差还是很大，完全可以区分开。即当腔长调谐时测量相邻两频差值之和处于650MHz～850MHz，则认为是约为一倍纵模间隔，采用频率分裂法测量；当相邻两频差值之和处于1400MHz～1600MHz，则认为是约为二倍纵模间隔，采用纵模直读法测量。
由此可以得到测量任意波片位相延迟的主要步骤为步骤a)将待测波片放入氦氖激光器的谐振腔内，使所述待测波片的快慢轴之一平行于激光初始偏振方向，并使所述待测波片的面法线相对于激光轴线倾斜；步骤b)调谐所述激光器的腔长，如果没有出现模式跳变现象，则测量同级分裂模频差和相邻级分裂模频差，将所述同级分裂模频差和所述相邻级分裂模频差相加，并且步骤b-1)如果所述相加结果约为一倍纵模间隔大小，则用频率分裂法测量所述待测波片位相延迟，计算公式为φ=ΔνΔν+Δν′π,]]>其中φ为所述待测波片的位相延迟，Δν为所述激光器同级分裂模频差，Δν′为所述激光器相邻级分裂模频差；步骤b-2)如果所述相加结果约为两倍纵模间隔大小，则采用纵模直读法测量所述待测波片位相延迟，计算公式半波片为φ=π*(1±|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|),]]>全波片为φ=π*(2±|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|),]]>其中φ为所述待测波片的位相延迟，Δ1为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的一个，Δ2为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的另一个；步骤c)如果步骤b)中出现模式跳变现象，则用附加波片代替所述待测波片按步骤a)的方法放入所述激光谐振腔，用步骤b-1)所述频率分裂法测量所述附加波片的位相延迟；再将所述待测波片也按步骤a)的方法放入激光谐振腔，并使所述待测波片的快轴方向平行于所述附加波片的快轴，采用步骤b-1)所述频率分裂法测量所述待测波片与所述附加波片共同作用下的位相延迟；并所述共同作用下的位相延迟减去所述附加波片的位相延迟，从而得到所述待测波片的位相延迟。
实际在测量中还可以采用一些校正方法来提高波片测量精度。其中主要针对波片位置非对正，激光器残余应力引起双折射和温度变化引起的波片测量系统误差，对测量结果进行修正和补偿，它们组成波片测量的附加技术方案。
当放入谐振腔的待测波片法线同激光轴线完全重合后，频率分裂产生的频差在腔长调谐过程中会比仅由腔内非线性效应造成的调谐量高一个数量级以上，如四分之一波片产生两分裂模在激光带上平移时产生的频差调谐量可以到10MHz甚至更高。由于各种随机因素影响，这种效应会使在等光强点附近读取的频差值离散值增大，最终得到待测波片的位相延迟会变动很大，降低了测量重复性和精度。因此应该避免波片插入激光器后造成的频差调谐异常。本发明提出使波片在安装时，使其面法线相对激光轴线倾斜的方法消除这种影响。实际上，只要波片相对于激光轴线的倾斜角至少为15分，频差调谐异常的现象将可以消除。同样对于所使用的半外腔激光器，其增透窗片在加工时也可以倾斜一定角度以免产生频差调谐异常。但是当波片倾斜放置后，其o光和e光的光程差，o光和e光的分别对应的折射率，以及波片的有效厚度都将发生改变，如此将带来波片非对正位置误差。为将此系统误差补偿，在系统调试时，调整波片安装支架面法线相对于激光轴线倾斜，二者所成的倾斜角至少为15分，用非接触式测角仪测得此倾斜角的大小，将倾斜角度值记录，计算波片按此倾斜角倾斜后带来的额外位相差，并作为系统误差补偿值(需要说明的是此补偿值为波片厚度的函数)。采用前面所述的测量步骤测量波片位相延迟后，根据记录的倾斜角和待测波片厚度估计值计算实际误差补偿值，对波片测量结果进行修正得到待测波片位相延迟。实际上可以使波片面法线沿任意方向相对于激光轴线倾斜，只是要计算出由此引入的波片非对正位置误差，在最后测量结果中予以修正即可。一种比较简单的方法是使待测波片快慢轴之一平行于激光初始偏振方向，同时其面法线沿慢轴相对于激光轴线倾斜，这样引起的波片非对正位置误差将只有波片有效厚度的改变和o光，e光两路光程差的改变。在将所述待测波片放入激光谐振腔时，采用非接触法测量所述波片面法线同激光轴线成的倾斜角大小，并根据波片厚度计算所述待测波片倾斜引入的修正值，计算公式为Δφa=πdλ[1cos(θn)-1](ne-no)---(9)]]>其中Δφa为所述修正值，θ为所述波片面法线同激光轴线成的倾斜角的大小，n为所述波片平均折射率，ne，no为所述波片两个主折射率，d所述待测波片厚度，然后从上面所述的步骤b或步骤c中得到的所述待测波片的测量结果中减去所述修正值以补偿所述倾斜角引起的系统误差。
对于氦氖激光器，谐振腔内除波片外其它的位相各向异性因素，包括残余应力引起的双折射(如激光器的腔镜、增透窗片和增益介质中都可能存在由加工或热效应引起的残余应力并导致应力双折射)，会导致频率分裂频差发生变化，给测量结果带来系统误差。其中残余应力引起的双折射是主要的额外双折射来源，能够采取措施来补偿和消除其影响。将残余应力引起的频率分裂效应可以看作一个位相差很小的全波片引起的，因此检测残余应力就变为测量一个全波片的位相延迟。因为残余应力很小，产生的隐频率分裂也很小，激光器处在闭锁区内，可以在插入待测波片前采用纵模直读法测量，具体步骤同上面所述一致。考虑其等效全波片后可能大于或小于0度，其绝对值表示为Δφr=π×|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|---(10)]]>其中Δφr为所述等效全波片的位相延迟，Δ1为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的一个，Δ2为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的另一个。在将待测波片插入激光谐振腔后，使其快慢轴方向同激光初始偏振方向一致，即同残余应力引起的等效全波片的快轴重合，则最终测量结果相当于两个波片复合的效果。采用上面提到的测量半/全波片时附加波片进行位相偏置的原理，在测量结果减去残余应力等效波片的位相差，补偿系统误差。具体方法是在未将所述待测波片放入所述激光谐振腔时，采用纵模直读法测量腔内残余应力引起的等效全波片的位相延迟大小，其大小由式(10)计算，每次测量待测波片后从上面所述的步骤b或步骤c中得到的测量结果中减去等效全波片的位相延迟，以补偿腔内残余应力引起的系统误差。残余应力引起的双折射分散性较大，因此还可以选用残余应力双折射最小的激光管以尽量减小要补偿的系统误差。如果位相差小于0.1分，则其对测量结果影响基本可以忽略。实际上每支激光器做好后其残余应力基本不变，因此只需在系统调试时一次测量等效波片位相差，并将测量值存放到测量程序中，每次测量结束后进行误差补偿即可，不用每次都测量。
实际上波片的位相延迟是随温度而改变的，温度对波片位相延迟的影响体现在两个方面，一是材料折射率的改变，二是厚度变化。对石英晶体，温度变化引起的波片位相差改变量为ΔφT=2πλd[(dnedT-dn0dT)+(ne-no)α]ΔT---(11)]]>其中α为垂直光轴方向的线膨胀系数。对于厚度约为d＝0.017mm的零级石英波片，温度变化1℃时，位相差的改变量约为0.009度；而对于厚度约1.5mm的多级波片，温度变化1℃时，位相差变化量超过0.8度。计算结果均为负值，表明波片的位相差与温度的变化趋势相反，即随着温度上升，位相差减小。由此可以看出温度对多级的波片位相差的影响很大。实际如果不对温度引起的系统误差补偿，将带来测量结果的较大偏差。减小系统温度影响的方法有两种(1)测量待测波片的温度，并记录此温度值并存储，在给出波片位相差测量结果时，同时给出对应的温度。如果要得到标称温度下的波片位相差，可以将温度值代入式(11)得到波片位相延迟的补偿值，从测量值中减去此补偿值可以折算到标称温度下的波片位相延迟。(2)严格控制在某一恒温环境下进行测量，其最终结果即为此温度下波片位相延迟。实际上减小波片温度改变引起的误差的措施为可以在待测波片和激光增益管之间配置孔径光阑减小测量过程中激光器热辐射的影响，同时可以采用温度传感器测量待测波片的温度值并输入计算机进行补偿。受温度传感器测量分辨率和精度的限制，其引入的误差约为0.02度。由于测量过程很快，而温度变化为缓慢过程，在同一次测量中变化不会很大，因此可以认为不变。需要指出的是波片测量过程中温度对结果的影响在其他测量波片方法中都存在。
综上所述，本发明根据测量任意波片位相延迟的原理和附加技术方案，提出可溯源测量任意波片位相延迟具体的测量步骤为步骤a)将待测波片放入氦氖激光器的谐振腔内，使所述待测波片的快慢轴之一平行于激光初始偏振方向，并使所述待测波片的面法线沿慢轴方向相对于激光轴线倾斜，采用非接触法测量所述波片面法线沿同所述激光轴线成的倾斜角大小；步骤b)在未计入所述激光谐振腔内残余应力引起的各向异性对所述待测波片测量结果的影响时，调谐所述激光器的腔长，如果没有出现模式跳变现象，则测量同级分裂模频差和相邻级分裂模频差，将所述同级分裂模频差和所述相邻级分裂模频差相加，并且步骤b-1)如果所述相加结果约为一倍纵模间隔大小，则用频率分裂法测量所述待测波片位相延迟，计算公式为φ=ΔνΔν+Δν′π,]]>其中φ为所述待测波片的位相延迟，Δν为所述激光器同级分裂模频差，Δν′为所述激光器相邻级分裂模频差；步骤b-2)如果所述相加结果约为两倍纵模间隔大小，则采用纵模直读法测量所述待测波片位相延迟，计算公式半波片为φ=π*(1±|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|),]]>全波片为φ=π*(2±|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|),]]>其中φ为所述待测波片的位相延迟，Δ1为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的一个，Δ2为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的另一个；步骤c)如果步骤b)中出现模式跳变现象，则用附加波片代替所述待测波片按步骤a)的方法放入所述激光谐振腔，采用步骤b-1)所述频率分裂法测量所述附加波片的位相延迟；再将所述待测波片也按步骤a)的方法放入激光谐振腔，并使所述待测波片的快轴方向平行于所述附加波片的快轴，采用步骤b-1)所述频率分裂法测量所述待测波片与所述附加波片共同作用下的位相延迟；并所述共同作用下的位相延迟减去所述附加波片的位相延迟，从而得到所述待测波片的位相延迟；步骤d)取回并所述待测波片并测量厚度，根据步骤a)中测得的所述待测波片面法线沿慢轴方向同所述激光轴线成的倾斜角大小，计算所述待测波片倾斜后引起的测量结果修正值，计算公式Δφa=πdλ[1cos(θn)-1](ne-no),]]>其中Δφa为所述修正值，θ为所述待测波片面法线沿慢轴方向同所述激光轴线成的倾斜角的大小，n为所述待测波片平均折射率，ne，no为所述待测波片两个主折射率，d为所述待测波片厚度，λ为激光波长；然后从步骤b)或c)中得到的所述待测波片的测量结果中减去所述修正值以补偿所述倾斜角引起的系统误差。
为减小频差调谐量异常的影响，所述波片的面法线沿慢轴方向相对于激光轴线的倾斜角至少为15分。同时考虑所述激光谐振腔内残余应力引起的各向异性对所述待测波片测量结果的影响时，需要对其引起的系统误差进行修正，方法是在未将所述待测波片放入所述激光谐振腔时，采用所述纵模直读法测量所述腔内残余应力引起的测量结果修正值，计算公式为Δφr=π×|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|,]]>其中Δφr为所述测量结果修正值，Δ1为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的一个，Δ2为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的另一个，从得到所述待测波片的测量结果中减去所述修正值，以补偿腔内残余应力引起的系统误差。
据此提出的可溯源测量任意波片位相延迟的装置结构为系统为立式装置，采用由一支激光增益管及一片由压电陶瓷驱动的独立反射镜组成的半外腔氦氖激光器进行测量；装有两个波片架的波片放置支架放置在激光增益管和独立反射镜之间，其面法线相对于激光轴线倾斜；在待测波片和激光之间可以配置孔径光阑减小激光辐射热对波片温度的影响，并在波片附近采用温度传感器测量温度；激光器从增益管上反射镜端的输出光经一个渥拉斯顿棱镜后按正交偏振态分成两束，由两个光电探测器分别接收光强信号，经处理电路后输入到计算机记录不同偏振态光强变化趋势；激光从独立反射镜端的输出光经过一个通光方向与波片快慢轴方向成45度角放置的偏振片后产生光拍，由光电探测器接收，并输入频率计读出频差值；最后可以根据两次测量的频差值计算波片位相延迟；测量中计算机输出控制信号经处理电路放大后驱动固定激光谐振腔独立反射镜的压电陶瓷，改变电压大小可以调谐谐振腔长。
三、装置说明根据本发明所提出的测量装置，其构成如图6所示，其中激光反射镜23组成谐振腔，增益管1一端封接反射镜2，另一端封接镀双面增透膜的窗片4；反射镜3安装在压电陶瓷5上，可由压电陶瓷5驱动沿激光轴线方向运动；待测波片9与附加波片10放置在波片放置支架6上，波片放置支架6包含一个一维平移导轨和两个二维调节架，待测波片附加波片分别安装在两个二维调节架的波片架上，平移导轨可以带动波片沿垂直向外平移；孔径光阑8位于待测波片9和激光增益管1之间，阻挡增益管1热辐射对9温度影响；温度传感器7位于待测波片9附近测量温度，其数值经控制电箱16处理后由数据通信端口输入到计算机17记录。激光从反射镜2端输出光经渥拉斯顿棱镜14按正交偏振态分成两束由光电探测器15接收，光强信号经控制电箱16处理后通过数据端口输入到计算机17记录；激光器从反射镜3端输出光经偏振片11后被光电探测器12接收，再送入频率计13，频率计13将测得的频差值通过数据端口输入计算机17计算波片位相延迟；在波片测量时计算机17输出的控制信号经控制电箱16放大后驱动压电陶瓷5伸长以调谐激光腔长；整个谐振腔部分罩在外罩18内减小环境扰动的影响。
测量时，将一未知位相延迟的待测波片9放入激光腔内的波片放置支架6上，使其快慢轴之一平行于激光初始偏振方向。计算机17启动测量程序并输出控制信号经控制电箱16后驱动压电陶瓷5伸长调谐激光腔长。同时由光电探测器15接收两路正交偏振光强并传输到计算机程序显示。如果在腔长调谐过程中未出现模式跳变现象，则继续驱动压电陶瓷5伸长。当判别两路光达到等光强点时，程序停止驱动压电陶瓷5伸长，读取由频率计13测得此时两分裂模的频差大小并记录，同时通过温度传感器7读取当前波片附近温度并经16处理后输入到计算机17中显示当前温度值。多次重复测量取平均值后，继续由程序驱动压电陶瓷5伸长，并接收光电探测器15传来的光强信号。当判别达到第二个等光强点时，程序停止驱动压电陶瓷5，读取由频率计13测得的处于激光出光带上两分裂模频差的大小并记录，多次重复测量取平均值。计算机程序根据两次读取的频差的大小判别如果两次频差之和约为一倍纵模间隔，则待测波片为非半/全波片，采用频率分裂法测量波片位相延迟，并根据两次在等光强点o光和e光光强变化趋势判别测量结果，最后补偿残余应力和波片倾斜引起的系统误差后给出波片实际位相延迟，同时显示波片测量时温度；如果两次频差之和约为两倍纵模间隔，则待测波片为偏离理想半/全波片很小的半/全波片，采用纵模直读法测量待测波片位相延迟，并根据两次在等光强点o光和e光的变化趋势判别测量结果，最后补偿残余应力和波片倾斜引起的系统误差后给出波片实际位相延迟，同时显示波片测量时温度。如果腔长调谐过程中出现模式跳变现象，则待测波片为位相延迟偏离理想半/全波片较大的半/全波片，先将待测波片取出，将附加波片10放置到波片放置支架6下面的波片架上，使其快慢轴之一平行于激光初始偏振方向。启动测量程序采用所述频率法测量，并进行结果判别和误差补偿得到附加波片位相差φ1。然后将待测波片放入波片放置支架6上面的波片架上，使其快轴方向同附加波片快轴方向平行，重新启动程序采用如上所述频率分裂法测量待测波片与附加波片共同作用下的位相延迟，并进行结果判别和误差补偿得到位相延迟φ2，从而得到所述待测波片的位相延迟为φ2-φ1。
权利要求
1.一种可溯源测量任意波片位相延迟的方法，其特征在于包括下列步骤步骤a)将待测波片放入氦氖激光器的谐振腔内，使所述待测波片的快慢轴之一平行于激光初始偏振方向，并使所述待测波片的面法线沿慢轴方向相对于激光轴线倾斜，采用非接触法测量所述波片面法线沿同所述激光轴线成的倾斜角大小；步骤b)在未计入所述激光谐振腔内残余应力引起的各向异性对所述待测波片测量结果的影响时，调谐所述激光器的腔长，如果没有出现模式跳变现象，则测量同级分裂模频差和相邻级分裂模频差，将所述同级分裂模频差和所述相邻级分裂模频差相加，并且步骤b-1)如果所述相加结果约为一倍纵模间隔大小，则用频率分裂法测量所述待测波片位相延迟，计算公式为φ=ΔvΔv+Δv′π,]]>其中φ为所述待测波片的位相延迟，Δv为所述激光器同级分裂模频差，Δv′为所述激光器相邻级分裂模频差；步骤b-2)如果所述相加结果约为两倍纵模间隔大小，则采用纵模直读法测量所述待测波片位相延迟，计算公式半波片为φ=π*(1±|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|),]]>全波片为φ=π*(2±|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|),]]>其中为所述待测波片的位相延迟，Δ1为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的一个，Δ2为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的另一个；步骤c)如果步骤b)中出现模式跳变现象，则用附加波片代替所述待测波片按步骤a)的方法放入所述激光谐振腔，采用步骤b-1)所述频率分裂法测量所述附加波片的位相延迟；再将所述待测波片也按步骤a)的方法放入激光谐振腔，并使所述待测波片的快轴方向平行于所述附加波片的快轴，采用步骤b-1)所述频率分裂法测量所述待测波片与所述附加波片共同作用下的位相延迟；并所述共同作用下的位相延迟减去所述附加波片的位相延迟，从而得到所述待测波片的位相延迟；步骤d)取回并所述待测波片并测量厚度，根据步骤a)中测得的所述待测波片面法线沿慢轴方向同所述激光轴线成的倾斜角大小，计算所述待测波片倾斜后引起的测量结果修正值，计算公式Δφa=πdλ[1/cos(θ/n)-1](ne-no),]]>其中Δφa为所述修正值，θ为所述待测波片面法线沿慢轴方向同所述激光轴线成的倾斜角的大小，n为所述待测波片平均折射率，ne，no为所述待测波片两个主折射率，d为所述待测波片厚度，λ为激光波长；然后从步骤b)或c)中得到的所述待测波片的测量结果中减去所述修正值以补偿所述倾斜角引起的系统误差。
2.根据权利要求1所述的可溯源测量任意波片位相延迟的方法，其特征在于，所述波片的面法线沿慢轴方向相对于激光轴线的倾斜角至少为15分。
3.根据权利要求1所述的可溯源测量任意波片位相延迟的方法，其特征在于，如果考虑所述激光谐振腔内残余应力引起的各向异性对所述待测波片测量结果的影响，在未将所述待测波片放入所述激光谐振腔时，采用所述纵模直读法测量所述腔内残余应力引起的测量结果修正值，计算公式为Δφr=π×|Δ1-Δ2Δ1+Δ2|,]]>其中Δφr为所述测量结果修正值，Δ1为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的一个，Δ2为所述激光器连续三个纵模形成的两相邻级纵模间隔中的另一个，并且从得到所述待测波片的测量结果中减去所述修正值，以补偿腔内残余应力引起的系统误差。
4.一种可溯源测量任意波片位相延迟的装置，其特征在于包括氦氖激光器，由一支增益管和一片独立反射镜组成，所述增益管的两端分别固定着一片反射镜和一片增透窗片，所述独立反射镜与所述增透窗片相对并与压电陶瓷相连；波片支架，位于所述增透窗片和所述独立反射镜之间，包括一个平行移动导轨和两个固定在所述导轨上的二维角度调节支架，所述待测波片和/或附加波片分别放置在所述各个调节支架上，并使所述待测波片和/或附加波片放在所述所述调节支架上时面法线相对于激光轴线倾斜；光强探测单元，与所述增益管上的反射镜相对，用于对所述激光器输出的两个正交偏振态光强进行测量，所述光强探测单元包括一个渥拉斯顿棱镜和两个光电探测器，所述渥拉斯顿棱镜将所述激光器的输出光按正交偏振态分成两束光，所述两束光分别由所述两个光电探测器接收；频差探测单元，与所述独立反射镜相对，用于测量所述激光器两个正交偏振态的频率差，所述频差探测单元包括一个偏振片，一个光电探测器和一个频率计，所述光电探测器探测所述激光器两个正交偏振态通过通光方向与所述待测波片快慢轴方向成45度角放置的所述偏振片后形成的光拍频，所述频率计与所述光电探测器输出端相连；控制装置，同所述光强探测单元、频差探测单元以及压电陶瓷相连，用于控制测量过程并输出测量结果。
5.根据权利要求4所述的可溯源测量任意波片位相延迟的装置，其特征在于，所述激光增益管上的增透窗片面法线相对于所述激光轴线倾斜的角度至少为15分。
全文摘要
本发明公开了一种可以测量包括半波片和全波片在内的任意波片位相延迟的方法及装置。其特征在于针对不同位相延迟范围的波片分别采用纵模直读法，附加波片产生位相偏置法和频率分裂法进行测量，从而克服了基于频率分裂测量波片位相延迟的方法不能对半/全波片进行测量的缺陷。同时为提高测量精度，本发明针对测量时波片安装倾斜，激光器腔内残余应力引起的各向异性等所产生的系统误差分别进行了补偿处理。本发明在一套系统实现对任意波片位相延迟的测量，具有测量精度高、简单易行、成本低的优点，并通过激光频率测量波片位相延迟，能够溯源到激光波长，可以为其他波片测量方法提供参考基准。
文档编号G01J9/00GK101055207SQ200710099960
公开日2007年10月17日 申请日期2007年6月1日 优先权日2007年6月1日
发明者张书练, 刘维新 申请人:清华大学