双折射光楔光轴方向的多入射角偏振干涉测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种双折射光楔光轴方向的多入射角偏振干涉测量装置及方法，该装置包括激光光源（1）、光衰减器（2）、扩束镜（3）、起偏器（4）、双折射光楔（5）、样品测试台（6）、检偏器（7）、面阵探测器（8）以及信号处理系统（9）。与现有技术相比，通过采集三幅不同入射角度下的偏振干涉图，可以快速地实现双折射光楔光轴的三维方向测量，克服了以往没有双折射光楔光轴测量系统和方法的难题；可以通过增加入射角度调整的个数来进一步提高测量精度；同样适合传统的入射平面和出射平面平行的双折射试件，并且误差范围小，保证测量精度，因此适应面广。
【专利说明】双折射光模光轴方向的多入射角偏振干涉测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及双折射晶体参数检测领域，特别是涉及一种双折射光楔光轴方向的多入射角偏振干涉测量装置。
【背景技术】
[0002]晶体光轴是晶体的重要光学参数，其相对于晶体器件入射表面的三维方向的不同会影响晶体器件性能，因此对晶体光轴三维方向的检测技术显得非常重要。 [0003]目前在确定晶体光轴方向上已经存在一些测量方法。M.Laue(Friedrichff, Knipping P,LaueM.1nterference appearances in χ-rays [J].Ann.Phys.(Berlin), 1913,41:971-988.)提出的晶体光轴方向X射线衍射法，测量精度高，但方法复杂，且需要预先知道该晶体的结构参数以及晶面与衍射峰的对应关系；张艺等(张艺，沈为民.单轴晶体锥光干涉的理论与实验研究[J].浙江大学学报(理学报)，2005，32(4):403-406.)利用晶体的偏光干涉图确定晶体光轴方向，晶体偏光干涉图通过偏光显微镜来采集，根据光轴出露点(即晶体中平行于光轴方向的折射光线在干涉图中对应的点，也就是黑十字交点)相对于视域中心的位置来测量出光轴方向；D.Su(Su DC, HsuCC.Method for determining the optical axis and(no, ne)of a birefringentcrystal [J].Applied optics, 2002, 41 (19): 3936-3940.)等采用一种共光路干涉型外差法来测定光轴方向；段存丽等(段存丽，韩军，路绍军，等.基于惠更斯原理确定单轴晶体光轴方向的新方法研究[J].光学仪器，2008, 30(4):55-59.)米用惠更斯原理分析光波传播方向，依据光轴与晶体表面法线的关系式，实现晶体光轴方向的测量；沈为民等(沈为民，李卫涛，李群，等.C⑶图像法测量晶体光轴方向[J],半导体光电，2006，27(4):485-488.)判定晶体表面法线进行光轴方向的测量；邢进华等(邢进华.用布儒斯特角法同时测定单轴晶体的折射率和光轴方向[J].大学物理，2004，23 (6):49-50.)通过测定晶体样品三个表面的布儒斯特角来确定单轴晶体的光轴方向。
[0004]上述方法通常是对加工成标准试件的光轴方向测量，要求试件的入射面和出射面相互平行以保证ο光与e光两出射光出射方向相互平行，且要求试件ο光与e光有大的折射率差。而双折射光楔的入射面和出射面存在夹角，这导致两出射光(O光与e光)不平行，并且两束光折射率差较小，不易区分开，这都对双折射光楔光轴三维方向的测量带来困难。本发明旨在克服上述困难，实现对双折射光楔光轴的三维方向精确测量。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术存在的问题，本发明针对以上不足，提出了双折射光楔光轴方向的多入射角偏振干涉测量装置及方法，用于双折射光楔光轴的三维方向的测量，同时也能用于其他双折射器件的光轴方位测量。
[0006]本发明提出了一种双折射光楔光轴方向的多入射角偏振干涉测量装置，该装置包括激光光源(I)、光衰减器(2)、扩束镜(3)、起偏器(4)、双折射光楔(5)、样品测试台(6)、检偏器(7)、面阵探测器(8)以及信号处理系统(9)其中:
[0007]激光光源(1)，用于提供该装置的输入光源，采用空间相干性好的可见光波段激光器，包括He-Ne激光器和半导体激光器；
[0008]光衰减器(2)，用于降低激光能量，控制激光光源功率稳定，避免面阵探测器饱和；
[0009]扩束镜(3)，用于激光扩束，保证激光光源平行出射，获得覆盖双折射光楔横向尺寸的空间相干激光光斑；
[0010]起偏器(4)，用于激光光束起偏，透光轴方向与水平基准成45° ;
[0011]样品测试台(6)，用于放置待测的双折射光楔(5)和控制双折射光楔入射角，测试台可围绕与放置其平面垂直的轴旋转，实现至少三种不同角度入射至双折射光楔表面产生偏振干涉；
[0012]检偏器(7)，用于实现偏振干涉，透光轴方向与水平基准成45°，同时与起偏器相垂直或平行；
[0013]面阵探测器(8)，包括CXD和CMOS探测器，用于接收偏振干涉图信号；以及
[0014]信号处理系统(9)，包括图像采集卡和计算机，用于采集偏振干涉图信号，计算机根据测量算法进行处理，计算出双折射光楔光轴三维方向；
[0015]激光光源(I)输出激光平行入射，经光衰减器(2)降低激光能量时，控制激光功率稳定避免探测器饱和；扩束镜(3)对激光进行扩束，获得覆盖双折射光楔横向尺寸的空间相干激光光斑，经偏振器(4)起偏,透光轴方向与水平基准成45° ,在样品测试台(6)上放置被测双折射光楔5，通过调节样品测试台(6)，旋转双折射光楔(5)，从而实现不同角度入射光楔表面产生偏振干涉，通过双折射光楔(5)后的光束在检偏器(7)后实现偏振光干涉，采用面阵探测器(8)接收偏振干涉图并传入到信号处理系统9中。
[0016]本发明还提出了一种双折射光楔光轴方向的多入射角偏振干涉测量方法，该方法包括以下步骤:
[0017]激光光源(I)输出激光平行入射，经光衰减器(2)降低激光能量时，控制激光功率稳定避免探测器饱和；扩束镜(3)对激光进行扩束，获得覆盖双折射光楔横向尺寸的空间相干激光光斑，经偏振器(4)起偏,透光轴方向与水平基准成45° ,在样品测试台(6)上放置被测双折射光楔(5)，通过调节样品测试台(6)，旋转双折射光楔(5)，从而实现不同角度入射光楔表面产生偏振干涉，通过双折射光楔(5)后的光束在检偏器(7)后实现偏振光干涉，采用面阵探测器(8)接收偏振干涉图并传入到信号处理系统(9)中；在每一个入射角下，记录一幅偏振干涉图，当采集得到三个不同入射角的偏振干涉图，在信号处理系统(9)中对偏振干涉信号进行灰度变换和hough变换处理，提取偏振干涉图的亮条纹，计算出干涉条纹间距，通过三个角度入射构成的联立光程差方程组，求解出双折射光楔光轴的三维方向；
[0018]所述双折射光楔通过三个角度入射构成联立光程差方程组的过程如下:
[0019]建立相邻亮条纹间距h与晶体楔面厚度t对应关系式:
[0020]
St = h.cos φ ;
[0021]偏振干涉中相邻亮条纹光程差δ Δ = λ，从而得到偏振干涉光相邻条纹光程差δ Δ公式:
[0022]
【权利要求】
1.一种双折射光楔光轴方向的多入射角偏振干涉测量装置，其特征在于，该装置包括激光光源(I)、光衰减器(2)、扩束镜(3)、起偏器(4)、双折射光楔(5)、样品测试台(6)、检偏器(7)、面阵探测器(8)以及信号处理系统(9);其中: 激光光源(I )，用于提供该装置的输入光源，采用空间相干性好的可见光波段激光器，包括He-Ne激光器和半导体激光器； 光衰减器(2)，用于降低激光能量，控制激光光源功率稳定，避免面阵探测器饱和；扩束镜(3)，用于激光扩束，保证激光光源平行出射，获得覆盖双折射光楔横向尺寸的空间相干激光光斑； 起偏器(4 )，用于激光光束起偏，透光轴方向与水平基准成45 ° ; 样品测试台(6)，用于放置待测的双折射光楔(5)和控制双折射光楔入射角，测试台可围绕与放置其平面垂直的轴旋转，实现至少三种不同角度入射至双折射光楔表面产生偏振干涉； 检偏器(7)，用于实现偏振干涉，透光轴方向与水平基准成45°，同时与起偏器相垂直或平行； 面阵探测器(8)，包括CCD和CMOS探测器，用于接收偏振干涉图信号； 信号处理系统(9)，包括图像采集卡和计算机，用于采集偏振干涉图信号，计算机根据测量算法进行处理，计算出双折射光楔光轴三维方向； 激光光源(I)输出激光平行入射，经光衰减器(2)降低激光能量时，控制激光功率稳定避免探测器饱和；扩束镜·(3)对激光进行扩束，获得覆盖双折射光楔横向尺寸的空间相干激光光斑，经偏振器(4)起偏，透光轴方向与水平基准成45°，在样品测试台(6)上放置被测双折射光楔5，通过调节样品测试台(6)，旋转双折射光楔(5)，从而实现不同角度入射光楔表面产生偏振干涉，通过双折射光楔(5 )后的光束在检偏器(7 )后实现偏振光干涉，采用面阵探测器(8)接收偏振干涉图并传入到信号处理系统(9)中。
2.—种双折射光楔光轴方向的多入射角偏振干涉测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 激光光源(I)输出激光平行入射，经光衰减器(2)降低激光能量时，控制激光功率稳定避免探测器饱和；扩束镜(3)对激光进行扩束，获得覆盖双折射光楔横向尺寸的空间相干激光光斑，经偏振器(4)起偏，透光轴方向与水平基准成45°，在样品测试台(6)上放置被测双折射光楔(5)，通过调节样品测试台(6)，旋转双折射光楔(5)，从而实现不同角度入射光楔表面产生偏振干涉，通过双折射光楔(5)后的光束在检偏器(7)后实现偏振光干涉,米用面阵探测器(8)接收偏振干涉图并传入到信号处理系统(9)中；在每一个入射角下，记录一幅偏振干涉图，当采集得到三个不同入射角的偏振干涉图，在信号处理系统(9)中对偏振干涉信号进行灰度变换和hough变换处理，提取偏振干涉图的亮条纹，计算出干涉条纹间距，通过三个角度入射构成的联立光程差方程组，求解出双折射光楔光轴的三维方向；所述双折射光楔通过三个角度入射构成联立光程差方程组的过程如下: 建立相邻売条纹间距h与晶体模面厚度t对应关系式:δ? = Η.οο^φ \ 偏振干涉中相邻亮条纹光程差S Δ = λ，从而得到偏振干涉光相邻条纹光程差δ Δ公式:
【文档编号】G01M11/02GK103712781SQ201310746711
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年12月25日
【发明者】刘铁根, 江俊峰, 刘琨, 尹金德, 邹盛亮, 王双, 秦尊琪, 吴振海 申请人:天津大学