专利名称：基于激光回馈的光学元件微小位相延迟测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于激光回馈的光学元件微小位相延迟测量装置，属于激光测量技术领域。
背景技术：
有很多因素可以使光学元件产生位相各向异性，如残余应力、双折射、激光增益和薄膜 的非均匀性等。目前，国内外高精度的光学元件位相延迟测量方法有许多，但大都是以测量 四分之一波片为主，没有专门用于测量光学元件微小位相延迟方法和装置。目前，比较典型 的波片测量方法有以下几种。 1、旋转消光法
一个标准1/4波片的快轴与起偏器的偏振方向成45°角，被测1/4波片的快轴与起偏器的 偏振光方向相同。HeNe激光器出射的激光经起偏器后成为一束线偏振光，再分别通过待测波 片和标准波片后，又成为一线偏振光。旋转检偏器，可以找到一个消光位置。这时检偏器的 偏振方向与起偏器的偏振方向夹角的两倍就是波片位的相差。这就是旋转消光法测量四分之 一波片位相差的基本原理，其中消光位置的判别决定了波片位相差的测量精度。目测消光位 置的方法可以使波片测量精度达到3°-5°，若使用半影检偏器检测可以使波片的测量精度提高 到1°左右。若想进一步提高精度，需要高精度的测角仪来进行角度的测量，但这使测量设备 的体积和成本都很大，增加了系统的复杂性。
2、 电光调制法
电光调制法的基本原理与旋转消光法相同，但是采用了KX^P电光晶体，以电光调制检测 法来判断消光位置，提高了判断消光位置的精度，最终光学元件位相差的测量精度可以达到 0.5°左右。
3、 磁光调制法
磁光调制法本质上也是旋转消光法，只是判断消光位置时釆用了磁光调制的方法。由于磁 光调制法可以精确判断消光位置，判断精度可以达到l'，所以光学元件位相差的测量精度理 论上可以达到10"。实际上由于稳定性和调节精度等原因，测量重复性可以达到约0.1。。这种 方法结构较复杂，需要专门的温度稳定机构，调整的工序多、要求高，调整的精度对测量结 果影响很大，所以实际应用时会受到很多限制。4、 旋转检偏器法
让单色光源通过起偏器成为线偏振光，再通过待测光学元件(快轴与起偏器轴成45°)和 一个以光路为轴旋转的检偏器进入高灵敏度的光电探测器。如果待测光学元件具有准确的入/4 延迟，则透射光应为圆偏振光，透过旋转检偏器的光强信号始终不变。如果延迟偏离了入/4, 则透射光将成为椭圆偏振光，光强信号也成为一个振荡信号，其振幅和平均光强由椭圆偏振 光的椭圆率决定。测量出透射的平均光强和光强振荡变化幅度，就可以计算出光学元件位相 差。这种方法的精度一般可以达到r左右。
5、 光学外差千涉法
纵向塞曼激光器输出一束包含左旋、右旋具有微小频差的两种圆偏振光，通过待测四分之 一波片和偏振片(波片快轴与偏振片偏振方向成45。角)后，在偏振片的偏振方向上形成干涉， 然后由光电探测器接收。探测器的输出与入射光的光强成正比，因此外差干涉信号带有被测 波片的位相差信息。通过测量外差信号交流量的幅度，就可以确定波片的相位延迟量。这种 方法的测量精度受限于被测波片和偏振片方向的调整误差和电压测量精度， 一般为0.2°-0.3°。
6、 激光频率分裂测量法
基于激光频率分裂技术的光学元件位相延迟测量是将光学元件放入激光腔内，由于双折射 效应，激光的一个模式将被分裂为两个正交的偏振分量。这两个偏振分量之间的频差与光学 元件的位相差成正比，所以，通过测量频差就可以得到光学元件的位相延迟。这种方法的测 量精度很高，可以达到0.05。，理论上可以测量任意位相延迟的光学元件，并且可以溯源到光 波长。但不足的是，但当腔内位相各向异性的值较小时，由于强模竞争，激光模式将不能分 裂成两个同时振荡的频率，即同一时刻只有一种偏振态保持振荡而另一个偏振态被抑制，此 时将无法测量频差。因此，激光频率分裂技术无法实现光学元件微小位相各向异性的测量。
从上面的分析我们可以看出，虽然目前国内外关于光学元件位相延迟的测量方法较多，但 这些方法的测量设备较为复杂，对方向角调整的要求较高。绝大多数需要精确的角度测量， 而高精度的测角仪体积很大，成本也很高，另外还有的设备需要高精度的标准四分之一波片。 这就增加了测量系统的复杂性，由于测量环节引入了较多的仪器误差和方位调整误差，使测 量精度的进一步提高受到了限制，并且，大都不具备光学元件微小位相延迟的测量。
发明内容
本发明利用双折射外腔回馈可以导致激光偏振跳变的基本原理，提出了一种新的光学元件 微小位相延迟的测量方法，并构建了测量系统。在双折射外腔回馈条件下，激光模式在两个 本证态之间跳变，伴随着偏振跳变，激光模式两个本征态的频率是不同的，并且它们之间的 频差与激光内腔的位相延迟的大小有关。虽然两个本征态不能同时振荡，但如果能使它们的
4持续时间大于人眼的视觉暂留时间，它们将类似于同时出现在示波器上，这样就可以直接测 量它们之间的频差。当回馈外腔双折射元件的位相差等于兀/2时，两个偏振态具有相同的持续 时间。为此，我们采用四分之一波片回馈使激光产生偏振跳变，并调节外腔的扫描频率，使 两个偏振态同时出现在示波器上，这样就可以通过测量频差来实现激光腔内微小位相延迟的 测量。该发明解决了激光腔内位相延迟较小时，由于强烈的模竞争使激光模式无法分裂和测 量的难题。
本发明的特征在于，所述的基于激光回馈的波片测量装置含有-A:半内腔式的632.8nm的He-Ne激光器，所述的He-Ne激光器含有 增益管8，内有He、 Ne混合气体，气压比例为7:1; 增透窗片9，所述的增透窗片9固定在所述增益管8的一端； 谐振腔，所述的谐振腔包括 第一内腔反射镜6，所述的第一内腔反射镜6固定在所述增益管8的另一端； 第二内腔反射镜ll，位于上述增透窗片9的另一端；
第一个压电陶瓷31，固定在上述第二内腔反射镜ll上，在输入电压作用下，所述的压 电陶瓷12推动上述第二内腔反射镜11沿激光轴线方向左、右移动，改变激光的频率；
被测光学元件10，安放在上述增透窗片9与所述第二内腔反射镜11之间；
B:激光回馈外腔，所述的激光回馈外腔包括
激光回馈外腔反射镜4，固定在所述第一内腔反射镜6的另一侧，与所述第一内腔反射
镜6有一个间隔；
四分之一波片5，安放在上述激光回馈外腔反射镜4与所述第一内腔反射镜6之间；
第二个压电陶瓷32，固定在上述激光回馈外腔反射镜4上，在输入电压作用下，它推动 上述激光回馈外腔反射镜4沿激光轴线方向左、右移动；
所述的激光回馈外腔反射镜4、波片6、第二个压电陶瓷32以及所述的He-Ne激光器中 第一内腔反射镜6共同构成所述的激光回馈外腔； C:测量系统，所述的测量系统包括
扫描干涉仪，位于上述第二内腔反射镜ll的外侧，靠近上述第二内腔反射镜ll;
示波器，与上述扫描干涉仪相连，观测激光模式，并测量激光偏振跳变时两个正交偏振
态的频差；
所述He-Ne激光器的石英外壳7、被测光学元件10、四分之一波片5固定在各自的支架上，第二个压电陶瓷32固定在二维调节架2上，所述各个支架、二维调节架2各自固定在装在罩 子l内的平台12上；
图l:激光回馈系统示意图2:激光回馈波片测量装置示意图3:夹角为0，无光回馈时的激光模式；
图4:夹角为0，四分之一波片回馈时的激光模式；
图5夹角为1.6°，四分之一波片回馈条件下激光模式的变化；
图6夹角为3°，四分之一波片回馈条件下激光模式的变化；
图7频率差随夹角变化的实验与拟合曲线；
图8频率差随夹角变化的理论曲线。
具体实施例方式
实验装置如附图l所示，6和11分别是激光器的第一内腔反射镜和第二内腔反射镜，它 们的反射率R!和R2分别为99.8%与98.8%,它们之间的距离，即激光谐振腔长记为8为 激光增益管，内有He、 Ne混合气体，比例为7:1; 9是增透窗片，固定在上述增益管的一端； 6、 8、 9和11共同构成了半外腔632.8nm的He-Ne激光器。31为第一个压电陶瓷，它固定 在上述第二内腔反射镜ll上，在输入电压作用下，它推动上述第二内腔反射镜沿激光轴线方 向左、右移动，使激光工作在单模状态；4为激光回馈外腔反射镜，反射率113=10%; 32为第 二个压电陶瓷，它固定在上述激光回馈外腔反射镜4上，在输入电压作用下，它推动上述激 光回馈外腔反射镜4沿激光轴线方向左、右移动；IO为被测光学元件，双面增透，厚度为/z， 当它的晶轴与光线的夹角0改变时，被测光学元件的位相延迟也发生相应的变化，因此可以 通过调节夹角来模拟不同的位相延迟的值；4、 5和6共同构成了激光回馈外腔，外腔长记为 /。测量系统包含扫描干涉仪和示波器，用于探测偏振跳变时激光模式两个正交偏振态的频差。
激光回馈光学元件微小位相延迟测量的装置如附图2所示。l为系统外罩；2是二维调节 架，与第二个压电陶瓷32固定在一起，用于调节回馈镜4的准直；5为四分之一波片；7是 激光器的石英外壳，可以减少外界环境对激光器的影响；12为系统底板，用于将系统的各个 部分连接成一体，增加系统的稳定性，提高抗外界干扰的能力；上述He-Ne激光器的石英外 壳7和其它器件各自经固定支架固定在装在罩子内的安装平台13上。
实例如图1或图2的实验系统，在四分之一波片回馈情况下，当外腔长变化时，激光模式的两个本征偏振态将会在两个正交方向上交替振荡，外腔长每改变X/4，偏振态跳变一次， 并且两个偏振态在一个激光强度调制周期内具有相同的持续时间。当回馈镜4在压电陶瓷3 的推动下，沿激光轴线左右移动时，可以调节加在压电陶瓷3上的扫描电压的变化频率，使 每10ms左右激光的偏振态跳变一次，这样就可以通过扫描干涉仪使两个交替振荡的偏振模 式同时显示在示波器上，实现频差的测量。
首先，观察在没有激光回馈情况下的激光模式。使激光内腔的被测光学元件的晶轴与光线 的夹角为0度，实验得到的激光模式如图3所示。图3显示，没有光回馈时，由于强烈的模 竞争，单模激光只有一个偏振态振荡，因此无法观察到两个偏振态之间的频差。如果引入四 分之一波片回馈，并扫描外腔时，将观察到图4的实验结果。图4显示，加入四分之一波片 回馈后，当在压电陶瓷3上加线性变化的电压时，通过扫描干涉仪与示波器可以观察到两个 模式。如果在扫描干涉仪前面插入一个偏振片，可以发现两个模式的偏振态是正交的。当回 馈镜的扫描周期小于10ms时，两个偏振态同时出现在示波器上，并且两个本征态的频率是 不同的。
如果改变石英晶体的晶轴与光线的夹角，分别等于1.6。和3。，在四分之一波片回馈情况下， 激光模式如图5和图6所示。可以发现，随着夹角的增大，两个偏振态之间的频差也增大。 图7中画出了偏振跳变过程中，两个正交偏振态之间的频率差Av随e变化的实验曲线。图7 表明，在偏振跳变过程中，两个正交偏振态之间的频率差随石英晶体的晶轴与光线之间的夹 角具有单调变化的趋势，随着石英晶体晶轴与光线之间夹角的增大，两个正交偏振态之间的
频率差也增加。
激光器输出频差由下式给出
丄
进行数值时算时，对石英参数no、 ne的取值为no=1.54263， ^=1.55169。晶片的厚度取 3mm。理论计算的频率差随夹角变化的理论曲线如图8所示。
比较理论计算与实验结果可以看出，二者吻合，因此，利用激光回馈产生的偏振跳变的原 理可以测量光学元件微小的位相延迟。
sin2 S cos'S —^ +——^~"。
一"0
(1)
权利要求
1.基于激光回馈的光学元件微小位相延迟测量装置，其特征在于，所述的基于激光回馈的光学元件微小位相延迟测量装置含有A半内腔式的632.8nm的He-Ne激光器，所述的He-Ne激光器含有增益管(8)，内有He、Ne混合气体，气压比例为7∶1；增透窗片(9)，所述的增透窗片(9)固定在所述增益管(8)的一端；谐振腔，所述的谐振腔包括第一内腔反射镜(6)，所述的第一内腔反射镜(6)固定在所述增益管(8)的另一端；第二内腔反射镜(11)，位于上述增透窗片(9)的另一端；压电陶瓷(31)，固定在上述第二内腔反射镜(11)上，在输入电压作用下，所述的压电陶瓷(31)推动上述第二内腔反射镜(11)沿激光轴线方向左、右移动，改变激光的频率；被测光学元件(10)，安放在上述增透窗片(9)与所述第二内腔反射镜(11)之间；B激光回馈外腔，所述的激光回馈外腔包括激光回馈外腔反射镜(4)，固定在所述第一内腔反射镜(6)的另一侧，与所述第一内腔反射镜(6)有一个间隔；四分之一波片(5)，安放在上述激光回馈外腔反射镜(4)与所述第一内腔反射镜(6)之间；第二个压电陶瓷(32)，固定在所述激光回馈外腔反射镜(4)上，在输入电压作用下，推动所述激光回馈外腔反射镜(4)沿激光轴线方向左、右移动；所述的激光回馈外腔反射镜(4)、波片(6)、压电陶瓷(32)以及所述的He-Ne激光器中第一内腔反射镜(6)共同构成所述的激光回馈外腔；C测量系统，所述的测量系统包括扫描干涉仪，位于上述第二内腔反射镜(11)的外侧，靠近上述第二内腔反射镜(11)；示波器，与上述扫描干涉仪相连，观测激光模式，并测量激光偏振跳变时两个正交偏振态的频差；所述He-Ne激光器的石英外壳(7)、被测光学元件(10)、四分之一波片(5)固定在各自的支架上，第二个压电陶瓷(32)固定在二维调节架(2)上，所述各个支架、二维调节架(2)各自固定在装在罩子(1)内的平台(12)上。
全文摘要
本发明涉及一种基于激光回馈的光学元件微小位相延迟测量装置，属于激光测量技术领域，其特征是利用632.8nm的He-Ne激光器与外部反射镜和四分之一波片构成的双折射激光回馈系统来测量光学元件微小的位相延迟。被测光学元件安放在激光腔中，当外部反射镜沿激光轴线左右移动时，激光的偏振态将在两个正交的方向跳变。伴随着偏振跳变，激光模式两个本征态的频率是不同的，并且它们之间的频差与激光内腔的位相延迟的大小有关，根据这一原理可以实现光学元件微小位相延迟的测量。激光回馈光学元件微小位相延迟测量方法及其实现装置具有结构简单、装配调整容易、测量精度高、成本低的特点。
文档编号G01J9/00GK101650226SQ20091009277
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月24日 优先权日2009年9月24日
发明者张书练, 费立刚 申请人:清华大学