专利名称：四分之一波片快轴方位实时测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及偏振测量，特别是一种四分之一波片快轴方位实时测量装置。
背景技术：
四分之一波片是一种常用的偏振光学元件，在现代光学测量技术和偏振光应用 技术等领域有着广泛的应用。快轴方位是四分之一波片的重要光学参数之一，通常 情况下四分之一波片的快轴方位并未标明，在其使用过程中需要精确地测量四分之 一波片的快轴方位并在此基础上进行调整。
在先技术[l](参见王伟，李国华，吴福全等.测量波片延迟量和快轴方位的新方 法.中国激光，Vol.30, 1121-1123, 2003)描述了一种可以测量四分之一波片快轴方 位的装置，该装置主要由光源、起偏器、检偏器和光电探测器组成。在测量过程中， 匀速转动被测四分之一波片并对出射光强进行连续测量，获得出射光强随时间变化 的曲线，利用变化曲线中第一个最大值出现的时间与被测四分之一波片的转动速度 来计算出被测四分之一波片的快轴方位。由于需要连续转动被测四分之一波片，该 装置无法实现快轴方位的实时测量，且需要能够连续稳定地旋转四分之一波片的精 密旋转机构，同时光源的光强波动会改变出射光强随时间变化的曲线，而引入较大 的测量误差。
在先技术[2](参见Zhengping Wang, Qingbo Li, Qiao Tan， et al.. Method of measuring practical retardance and judging the fast or slow axis of a quarter-wave plate. Measurement, Vol.39， 729-735, 2006)描述了一种测量四分之一波片快轴方位的装置， 该装置主要由光源、起偏器、反射棱镜、检偏器和光功率计组成。在快轴方位测量 过程中，首先采用其它测量方法如消光法找到被测四分之一波片的某一主轴，将该 主轴作为选定轴并使其与起偏器的透光轴成45°角。接着转动检偏器使其透光轴与 起偏器的透光轴平行、垂直，在两种状态下光功率计获得两个光强信号。然后将被 测四分之一波片转动90°，在检偏器的透光轴与起偏器的透光轴平行、垂直的两种 状态下再得到两个光强信号。最后利用这四个光强信号计算出相位延迟量，通过判 断相位延迟量的正负来确定选定轴是快轴还是慢轴。由于需要多次转动被测四分之 一波片和检偏器，该装置无法实现快轴方位的实时测量，其测量精度受光强波动的
影响而对光源稳定性要求很高，需要精密的旋转机构而使装置的结构复杂。 发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种四分之一波片快轴 方位实时测量装置，该装置应能实时测量四分之一波片的快轴方位，测量结果不受 光源光强波动的影响，该测量装置具有结构简单、性能稳定和操作方便的特点。
本实用新型的技术解决方案
一种四分之一波片快轴方位实时测量装置，其特点在于该装置由准直光源，起 偏器、标准四分之一波片、衍射分束元件、聚焦透镜、检偏器阵列、光电探测器阵 列、放大电路和信号处理系统组成，其位置关系是沿所述的准直光源的光束前进 方向上，依次是所述的起偏器、标准四分之一波片、衍射分束元件、聚焦透镜、检 偏器阵列、光电探测器阵列，在所述的标准四分之一波片和所述的衍射分束元件之 间设置待测四分之一波片的插口 ，所述的光电探测器阵列探测的信号经所述的放大 电路放大后输入所述的信号处理系统进行数据处理。
所述的起偏器为偏振片、偏振棱镜或者偏振相位掩模。
所述的标准四分之一波片为晶体材料型四分之一波片、多元复合型四分之一波 片、反射棱体型四分之一波片或双折射薄膜型四分之一波片，其相位延迟量等于或
者非常接近于90°，其快轴与所述的起偏器的透光轴所成的角度为45°或者135°。
所述的衍射分束元件为正交振幅光栅、正交相位光栅或者达曼光栅，利用衍射 效应将一束入射光形成多个出射子光束，且至少有三个以上子光束的强度相等。
所述的检偏器阵列为多个检偏器在一个平面内形成的组合体,所述的检偏器为 偏振片或者偏振相位掩模。
所述的检偏器阵列由四个结构相同的第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、 第四检偏器在同一个平面内按四象限排列组合形成，所述的第一检偏器、第二检偏 器、第三检偏器、第四检偏器的透光轴与所述的起偏器的透光轴所成的角度分别为
0。、 45°、 90。和135。。
所述光电探测器阵列为多个光电探测器形成的组合体，或者多元光电探测器， 所述的光电探测器为光电二极管、光电三极管、光电倍增管或光电池。
所述的光电探测器阵列与所述的检偏器阵列的结构相对应，是由结构相同的在 同一个平面内按四象限排列的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器 和第四光电探测器组成。
所述的信号处理系统为具有A/D转换功能的多通道高速数据采集卡与具有相应 数据处理、分析软件的计算机所构成，或是由具有相应处理功能的信号处理电路与 微处理器所构成。
利用上述的四分之一波片快轴方位实时测量装置测量四分之一波片快轴方位 的方法，其特征在于包括下列步骤
① 建立所述的四分之一波片快轴方位实时测量装置；
② 将待测的四分之一波片插入所述的标准四分之一波片和所述的衍射分束元件 之间并调整光路；
③ 利用所述的光电探测器阵列的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电 探测器和第四光电探测器分别记录所述的检偏器阵列的第一检偏器、第二检偏器、 第三检偏器、第四检偏器的干涉光强h、 12、 13、 14并转变为电信号，该电信号经过 所述的放大电路同时等倍放大后输入所述的信号处理系统；
④ 所述的信号处理系统进行下列运算
V(/3—A)2+(/广/4)2
cos2^= , /2_/4 ，
计算出e在o i8o。范围内的值，即获得了待测四分之一波片的快轴方位。 与在先技术相比，本实用新型的技术效果如下
1、 可以实时测量四分之一波片快轴方位。利用衍射分束元件进行分光可以获 得多个强度相等的子光束，这些子光束同时被聚焦在检偏器阵列上产生偏振干涉， 光电探测器阵列同时接收依次具有一定移相量的干涉光强并转换为电信号，电信号 被放大电路同时进行放大后由信号处理系统进行高速处理，因此可以实时测量四分 之一波片的快轴方位。
2、 光源的光强波动不影响测量结果。利用多个依次具有一定移相量的干涉光
强计算快轴方位角度时，计算公式中的分子与分母中具有相同初始光强因子，使测 量结果与初始光强无关，因此被测四分之一波片快轴方位的测量结果不受光源的光 强波动所影响。
3、 结构简单、稳定。本实用新型所述的四分之一波片快轴方位实时测量装置
中没有转动光学元件而无须旋转机构，故该测量装置具有简单的结构和高的稳定
性。
图1为本实用新型所述四分之一波片快轴方位实时测量装置实施例的结构框图
图2为本实用新型实施例中检偏器阵列的结构图
图3为本实用新型实施例中光电探测器阵列的结构图
图4为本实用新型实施例中依次移相90。的干涉光强形成、接收光路图
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新 型的保护范围。
先请参阅图1，图1是本实用新型所述四分之一波片快轴方位实时测量装置实 施例的结构框图。由图可见，本实用新型四分之一波片快轴方位实时测量装置，该 装置由准直光源l、起偏器2、标准四分之一波片3、衍射分束元件5、聚焦透镜6、 检偏器阵列7、光电探测器阵列8、放大电路9和信号处理系统10组成，其位置关 系是沿所述的准直光源1的光束前进方向上，依次是所述的起偏器2、标准四分 之一波片3、衍射分束元件5、聚焦透镜6、检偏器阵列7、光电探测器阵列8，所 述的衍射分束元件5为正交相位光栅，其光栅刻线方向与所述的起偏器2的透光轴 的方向成45°角，所述的光电探测器阵列8探测的信号经所述的放大电路9放大后 输入所述的信号处理系统IO进行数据处理。
本实施例中
所述的衍射分束元件5为正交相位光栅，其光栅刻线方向与起偏器2的透光轴 方向成45。角。入射光经过衍射分束元件5后产生衍射，其中零级、偶数级衍射光消 失而只有奇数级衍射光，其中四个土l级衍射光的强度相等且是强度最高的衍射光。
所述的检偏器阵列7的结构如图2所示，由四个结构相同的第一检偏器701、 第二检偏器702、第三检偏器703、第四检偏器704在同一个平面内按四象限排列 组合形成，所述的第一检偏器701、第二检偏器702、第三检偏器703、第四检偏器 704的透光轴与所述的起偏器2的透光轴所成的角度分别为0。、 45°、卯°和135°。
所述的光电探测器阵列8的结构如图3所示，与所述的检偏器阵列7的结构相 对应，是由结构相同的在同一个平面内按四象限排列的第一光电探测器801、第二 光电探测器802、第三光电探测器803和第四光电探测器804组成。
所述的信号处理系统10为具有A/D转换功能的多通道高速数据采集卡与具有
相应数据处理、分析软件的计算机所构成，
本实用新型的最佳实施例的结构如图1、图2、图3所示，其具体结构和参数 如下
准直光源1为He-Ne激光器，起偏器2为方解石晶体材料的格兰-泰勒棱镜， 标准四分之一波片3为相位延迟量误差小于0.3。的石英波片，衍射分束元件5的光 栅刻线宽度为10pm，聚焦透镜6为焦距等于100mm的双胶合透镜，所述的检偏器 阵列7中的第一检偏器701、第二检偏器702、第三检偏器703、第四检偏器704 为消光比优于10—2的偏振片，所述的光电探测器阵列8为四象限光电二极管，放大 电路9为四通道信号放大电路，所述的信号处理系统10由100M四路同步数据采 集卡与计算机组成。
利用所述的四分之一波片快轴方位实时测量装置测量四分之一波片快轴方位 的方法，其特征在于包括下列步骤
① 建立所述的四分之一波片快轴方位实时测量装置；
② 将待测的四分之一波片4插入所述的标准四分之一波片3和所述的衍射分束 元件5之间并调整光路；
③ 利用所述的光电探测器阵列8的第一光电探测器801、第二光电探测器802、 第三光电探测器803和第四光电探测器804分别记录所述的检偏器阵列7的第一检 偏701、第二检偏器702、第三检偏器703、第四检偏器704的干涉光强I!、 12、 13、 Lt并转变为电信号，电信号经过所述的放大电路9同时放大后输入所述的信号处理
系统10;
④ 所述的信号处理系统10进行下列运算
V(/3-A)2+(/广/4)2 cos= , "^2 A ，
V(/3—A)2+(/广/4)2
计算出e在0 180。范围内的值，即获得了待测四分之一波片4的快轴方位。
准直光源1出射的平行光束依次经过起偏器2、标准四分之一波片3形成圆偏 振光，该圆偏振光经过被测四分之一波片4后由衍射分束元件5进行衍射分光，其 中只有四个强度相等的土l级衍射光束是被有效利用的子光束。四个子光束形成依次 移相90。的干涉光强并被接收的具体光路请参阅图4，四个子光束互成一定夹角并由
聚焦透镜6进行聚焦，四个子光束分别经过所述的检偏器阵列7中的第一检偏器701 、 第二检偏器702、第三检偏器703与第四检偏器704后进行偏振千涉，干涉光强对 应地由光电探测器阵列8中的第一光电探测器801、第二光电探测器802、第三光电 探测器803与第四光电探测器804接收。
从标准四分之一波片3出射的圆偏振光的光矢量E可以用琼斯矢量表达为
五=
1 一/
(1)
其中Eo是起偏器2的出射光束的振幅。待测四分之一波片4的琼斯矩阵G可以表
达为
<formula>formula see original document page 9</formula>
(2)
其中5和e分别为待测四分之一波片4的相位延迟量和快轴方位角度，s接近90。， e
的变化范围为0 180。。所述的检偏器阵列7中的第一检偏器701、第二检偏器702、 第三检偏器703、第四检偏器704可以用琼斯矩阵A共同表达为
<formula>formula see original document page 9</formula>(3)
其中a为第一检偏器701、第二检偏器702、第三检偏器703、第四检偏器704的 透光轴与起偏器2的透光轴所夹的角度，即分别为0。、 45°、 90°和135°。从第一检 偏器701、第二检偏器702、第三检偏器703、第四检偏器704出射的偏振干涉光束 可以用琼斯矢量S共同表达为
S = 。 (4) 所述的光电探测器阵列8中第一光电探测器801、第二光电探测器802、第三光电探 测器803与第四光电探测器804所接收的干涉光强可以共同表达为
五
<formula>formula see original document page 9</formula>
(5)
其中*表示厄米运算。在公式(5)中a分别取0°、 45°、 90°和135°，即光电探测器801、 802、 803、 804所接收的干涉光强h、 12、 13与14分别为
<formula>formula see original document page 9</formula>
(6)
<formula>formula see original document page 10</formula> (7)
<formula>formula see original document page 10</formula> (8)
<formula>formula see original document page 10</formula> (9)
可见干涉光强Ii、 12、 13与14之间的移相量依次为90°。
待测四分之一波片4的相位延迟量接近90°，公式(6) (9)中sinS的值总是为正值， 由公式(6) (9)可以得到<formula>formula see original document page 10</formula> (10)
<formula>formula see original document page 10</formula> (11)
利用公式(io)、 (ii)可以计算出e在0 180。范围内的值，即获得了被测四分之一波片
4的快轴方位。
光电探测器801、 802、 803、 804在相同时间分别将干涉光强Ij、 12、 13、 14转变 为电信号，电信号经过放大电路9同时进行放大后由信号处理系统10进行高速处理， 因此被测四分之一波片的快轴方位被实时测量。计算被测四分之一波片的快轴方位 角时，EQ2因子项同时存在于公式(10)、 (ll)的分子与分母中而被抵消，即被测四分 之一波片快轴方位的测量结果与初始光强无关，因此快轴方位的测量结果不受准直 光源1的光强波动所影响。同时，图1所示的四分之一波片快轴方位实时测量装置 没有转动光学元件而无须旋转机构，故本实用新型具有简单的结构和高的稳定性。
利用最佳实施例对相位延迟量为88。的被测四分之一波片3进行测量，实验结 果表明被测四分之一波片快轴方位的测量精度高于0.1°，测量时间小于lps。
权利要求1、一种四分之一波片快轴方位实时测量装置，其特征在于该装置由准直光源(1)，起偏器(2)、标准四分之一波片(3)、衍射分束元件(5)、聚焦透镜(6)、检偏器阵列(7)、光电探测器阵列(8)、放大电路(9)和信号处理系统(10)组成，其位置关系是沿所述的准直光源(1)的光束前进方向上，依次是所述的起偏器(2)、标准四分之一波片(3)、衍射分束元件(5)、聚焦透镜(6)、检偏器阵列(7)、光电探测器阵列(8)，在所述的标准四分之一波片(3)和所述的衍射分束元件(5)之间设置待测四分之一波片(4)，所述的光电探测器阵列(8)探测的信号经所述的放大电路(9)放大后输入所述的信号处理系统(10)进行数据处理。
2、 根据权利要求l所述的四分之一波片快轴方位实时测量装置，其特征在于所 述的起偏器(2)为偏振片、偏振棱镜、或偏振相位掩模。
3、 根据权利要求l所述的四分之一波片快轴方位实时测量装置，其特征在于所 述的标准四分之一波片(3)为晶体材料型四分之一波片、多元复合型四分之一波片、 反射棱体型四分之一波片、或双折射薄膜型四分之一波片，其相位延迟量等于或者 非常接近于90。，其快轴与所述的起偏器(2)的透光轴所成的角度为45。或者135。。
4、 根据权利要求l所述的四分之一波片快轴方位实时测量装置，其特征在于所 述的衍射分束元件(5)为正交振幅光栅、正交相位光栅、或达曼光栅，利用衍射效 应将一束入射光形成多个出射子光束，且至少有三个以上子光束的强度相等。
5、 根据权利要求1所述的四分之一波片快轴方位实时测量装置，其特征在于 所述的检偏器阵列(7)为多个检偏器在一个平面内形成的组合体，检偏器为偏振片 或者偏振相位掩模。
6、 根据权利要求5所述的四分之一波片快轴方位实时测量装置，其特征在于 所述的检偏器阵列(7)由四个结构相同的第一检偏器(701)、第二检偏器(702)、 第三检偏器(703)、第四检偏器(704)在同一个平面内按四象限排列组合形成， 所述的第一检偏器(701 )、第二检偏器(702)、第三检偏器(703)、第四检偏器(704) 的透光轴与所述的起偏器(2)的透光轴所成的角度分别为0°、 45°、卯°和135°。
7、 根据权利要求l所述的四分之一波片快轴方位实时测量装置，其特征在于所 述光电探测器阵列(8)为多个光电探测器形成的组合体，或者多元光电探测器，所 述的光电探测器为光电二极管、光电三极管、光电倍增管或光电池。
8、 根据权利要求6所述的四分之一波片快轴方位实时测量装置，其特征在于 所述的光电探测器阵列(8)与所述的检偏器阵列(7)的结构相对应，是由结构相 同的在.同一个平面内按四象限排列的第一光电探测器(801)、第二光电探测器(802)、第三光电探测器(803)和第四光电探测器(804)组成。
9、 根据权利要求l所述的四分之一波片快轴方位实时测量装置，其特征在于所 述的信号处理系统(10)为具有A/D转换功能的多通道高速数据采集卡与具有相应 数据处理、分析软件的计算机所构成，或是由具有相应处理功能的信号处理电路与 微处理器所构成。
专利摘要一种四分之一波片快轴方位实时测量装置，该装置由准直光源、起偏器、标准四分之一波片、衍射分束元件、聚焦透镜、检偏器阵列、光电探测器阵列、放大电路和信号处理系统组成。测量方法是准直光源出射的平行光束经过起偏器、标准四分之一波片后形成圆偏振光，该圆偏振光经过待测四分之一波片后由衍射分束元件进行分光，多个强度相等的子光束由聚焦透镜聚焦在检偏器阵列上各自产生偏振干涉，形成依次具有一定移相量的干涉光强并由光电探测器阵列所接收，光电探测器阵列输出的电信号经过放大电路后由信号处理系统进行处理即可以实时获得待测四分之一波片的快轴方位角度。
文档编号G01J4/00GK201212852SQ20082015087
公开日2009年3月25日 申请日期2008年7月16日 优先权日2008年7月16日
发明者曾爱军, 坤 杨, 王向朝, 谢承科, 郭小娴, 黄惠杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所