一种波片检测装置及方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于光学元件检测领域，更具体地，设及一种波片检测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 波片是光学仪器设计与光学测量领域中常用的光学元件，它能够使得偏振光的两 个垂直分量产生附加光程差(或相位差），该光程差称为波片的相位延迟量。波片的相位延 迟特性可用于改变光波的偏振态(例如从线偏振光变成圆偏振光，从楠圆偏振光变成线偏 振光等），或者检查光波的偏振态。波片通常由双折射晶体制作而成，常用的双折射晶体包 括云母、石膏、氣化儀、蓝宝石、结晶石英等。
[0003] 波片的光学特性包括相位延迟量、快轴方位角、旋光角、二向色性、退偏指数等，运 些光学特性都会影响光学系统的性能，在实际使用过程中，需要对波片的光学特性进行精 确的检测和标定。
[0004] 目前，波片的检测和标定技术有很多种，包括干设法、激光频率分裂法、相位比较 法、相位补偿法、光谱法和时域法等。运些现有技术能够对波片的某些光学特性参数进行精 确的检测和标定，但存在着W下几个方面的不足：（1)现有技术通常只能表征波片的一个或 两个特征参数，如相位延迟量或快轴方位角，而难W对波片进行全面的检测和表征；（2)有 些技术通常只能给出波片某个波长点的参数，然后利用材料的色散方程，计算得到其他波 长的参数值，或通过扫描波长给出波片的光谱数据，也难W在一次测量中直接检测出波片 的光谱参数；（3)-些技术检测精度很高，如激光频率分裂法(现在波片相位延迟量检测的 国标即是基于运种方法），但检测过程和数据处理都较为复杂，对操作人员技术要求较高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种波片检测装置及方法，该方法利用穆勒矩阵表征波片 光学特性，通过建立波片的等效模型，将任意波片等效为一个具有二向色衰减特性的相位 延迟器、一个旋光器和一个退偏器组成的级联系统，用相位延迟量δ、快轴方位角Θ、快慢轴 透过率幅值比角Φ、旋光角pW及退偏指数D五个参数表征。该发明装置利用穆勒矩阵楠偏仪 能够给出波片的穆勒矩阵光谱，因而该方法及其装置可W在一次测量中可W获得任意波片 所有五个特征参数光谱，且该方法及其装置操作容易、数据处理简单。
[0006] 实现本发明目的采用的技术方案是一种波片检测装置，该装置包括光源、起偏臂、 用于放置待检测波片的样品台、检偏臂和探测器;所述起偏臂、待检测波片和检偏臂的中屯、 在同一条直线上，光源发出的光经过起偏臂起偏和调制后得到调制偏振光，调制偏振光经 过待检测波片禪合波片的信息后经检偏臂后调制和检偏，最后被探测器接收。
[0007] 通过上述波片检测装置实现波片检测的方法，包括W下步骤：
[000引S100、打开光源，调整起偏臂和检偏臂，使其中屯、在同一条直线上；
[0009] S200、将待检测波片放置在样品台上，调整样品台的高度及方位，保证放于样品台 上待检测波片的中屯、与检偏臂和检偏臂的中屯、在同一条直线上，光源的光束垂直入射到待 检测波片，并且光束光斑能够全部通过待检测波片；
[0010] S300、利用探测器测量待检测波片的穆勒矩阵光谱M。，待检测波片在波长为λ时的 测量穆勒矩阵Με(λ)为；
[001。
（7)
[0012]其中，Γ为所要检测波片特征参数的光谱范围，Γ是所提供波片检测装置穆勒矩 阵楠偏仪的可用波段范围中的一个子集，λ为波段范围Γ中的任意一个波长点，为πιυ(λ)α =1，2，3，4; j = 1，2，3，4)为在波长为λ时波片测量穆勒矩阵ΜΕ(λ)的归一化元素；
[OOK] S400、根据现慢得到的待检现峨片的测量穆勒矩阵Me获得待检现峨片的特征参数 光谱θ、δ，、φ、ρ和〇，θ为待检测波片的快轴方位角、δ为相位延迟量、Φ为快慢轴透过率幅值比 角φ(λ)、ρ为旋光角、D为退偏指数。
[0014] 相比现有技术，本发明具有如下技术优势：
[0015] (1)本发明所提供的波片检测装置及方法能够检测任意波片的特征参数，包括任 意材料任意中屯、相位延迟量的单波片、复合波片；
[0016] (2)本发明所提供的波片检测装置及方法能够在一次测量中给出待检测波片的所 有特征参数，包括相位延迟量、快轴方位角、旋光角、快慢轴透过率复制比角、退偏指数；
[0017] (3)本发明所提供的波片检测装置及方法能够在一次测量中，给出待检测波片特 征参数相位延迟量、快轴方位角、旋光角、快慢轴透过率复制比角、退偏指数光谱，包括所选 择波段范围内所有波长点的特征参数值。
【附图说明】
[0018] 图1为单波片结构示意图。
[0019] 图2为由η个单波片按照光轴成一定夹角的复合波片结构示意图。
[0020] 图3为本发明所提出的波片检测装置结构示意图。
[0021] 图4为本发明实施例所设及存在光轴对准误差的53化m四分之一波长石英复合零 级波片结构示意图。
[0022] 图5为利用本发明所提波片检测装置得到的存在光轴对准误差的53化m四分之一 波长石英复合零级波片的穆勒矩阵光谱图。
[0023] 图6为利用本发明所提波片检测装置得到的存在光轴对准误差的53化m四分之一 波长石英复合零级波片的特征参数光谱图。
【具体实施方式】
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图，对本发明进 行进一步详细说明。此处说明若设及到具体实例时仅仅用W解释本发明，并不限定本发明。
[0025] 本发明中，任意波片是指由任意个数的单个晶片按照其光轴成任意夹角组合而成 的波片，其中由单个单晶片组成的波片称为单波片，由多个单晶片组成的波片称为复合波 片。
[0026] 单个波片的结构示意图如图1所示，光线沿z轴负方向传播，波片与x-o-y平面平行 放置，波片的快轴(F)与X之间的夹角Θ称为波片的快轴方位角。多个单波片按照光轴成一定 的夹角组合而成，称为复合波片，如图2所示，光线沿Z轴负方向传播，按照光线传播方向，任 意复合波片的各单波片分别称为波片1、波片2、···、波片n，各单波片的快轴分别表示为Fi、 F2、…、F3，θl、θ2、…、θ3分别为各单波片的快轴与X轴之间的夹角，称为各单波片的快轴方位 角。
[0027] 本发明中波片穆勒矩阵表示为：
[002引
化)
[0029] 其中Μ为波片的穆勒矩阵，Mij (i = 1，2，3，4; j = 1，2，3，4)为波片穆勒矩阵的16个非 归一化元素，111。。= 1，2,3,4^ = 1，2,3,4)为波片穆勒矩阵相对于化1归一化的穆勒矩阵元 素。
[0030] 作为本发明的进一步优选，具有二向色衰减特性的相位延迟器、旋光器和退偏器 的穆勒矩阵可W分别表示为
[0031]
[0034] 其中，1(0，5，11〇、1?(口)和1(〇)分别为具有二向色衰减特性的相位延迟器、旋光器、 退偏器的穆勒矩阵，Θ为相位延迟器的快轴方位角，δ为相位延迟器的相位延迟量，Φ为相位 延迟器的快慢轴透过率幅值比角，Ρ为旋光器的旋光角，D为退偏器的退偏指数，其中D可W 由分退偏指数da、山和山计算得到，
[003引
狱
[0036] 任意波片的等效模型用穆勒矩阵形式描述
[0037] M = R(P)R(-目)Μ(δ，φ)Κ(θ)Μ(0) (6)
[0038] 其中，Μ为任意波片的穆勒矩阵，Μ(θ，δ，φ)、Κ(ρ)和M(D)分别为具有二向色衰减特 性的相位延迟器、旋光器、退偏器的穆勒矩阵。
[0039] 任意波片的光学特性可W用一个如式（1)所示的穆勒矩阵表示。理想情况下，由多 个单波片按照光轴成一定的光轴夹角组成的复合波片在光学上可W等效为一个光学相位 延迟器和一个旋光器，用相位延迟量、快轴方位角和旋光角Ξ个特征参数表示。实际情况 下，波片由于材料缺陷、加工缺陷等因素会产生一定的二向色衰减特性和退偏特性，此时， 一个实际的复合波片可W等效为一个具有二向色衰减特性的相位延迟器、一个旋光器和一 个退偏器，用相位延迟量δ、快轴方位角Θ、快慢轴透过率幅值比角Φ、旋光角pW及退偏指数D 五个参数表征，如式(6)所示。本发明所提供的波片检测方法基于上述波片等效原理。
[0040] 本发明波片检测装置为穆勒矩阵楠偏仪，如图3所示，该穆勒矩阵楠偏仪包括一个 光源1、一个起偏臂PSG2、一个样品台3、一个检偏臂PSA4、一个探测器5，其中待检测波片6放 置在样品台上，其中样品台3可W上下移动和水平转动W便调整待测波片6的高度和方位， 起偏臂PSG2和检偏臂PSA4可W调整角度W便光束可不同的入射角入射到样品台3上待 检测波片6。起偏臂PSG2、待检测波片6、检偏臂PSA4^者的中屯、在同一条直线上，光源1发出 的光经过起偏臂PSG2起偏和调制后称为调制偏振光，调制偏振光经过待检测波片，偏振光 的偏振态发生一定的变化，从而禪合了波片的信息，然后经过检偏臂PSA4后，偏振光被进一 步调制和检偏，最后被探测器5接收，对探测器5接收到的信号进行处理可得到待检测波片6 的穆勒矩阵，进一步利用本发明所提供波片检测方法获得波片的所有特征参数。
[0041] 实现任意波片的检测过程并获得波片的所有特征参数按照如下步骤实施：
[0042] S100、打开本发明所提供波片检测装置穆勒矩阵楠偏仪的光源，调整穆勒矩阵楠 偏仪的起偏臂PSG和检偏臂PSA，使其中屯、在同一条直线上，保证从光源发出的光束能够依 次经过起偏臂PSG和检偏臂PSA，探测器接收到的光强信号达到最强。
[0043] S200、将待检测波片放置在穆勒矩阵楠偏仪的样品台上，调整样品高度及方位，保 证波片的中屯、与穆勒矩阵楠偏仪检偏臂PSG和检偏臂PSA的中屯、在同一条直线上，光束垂直 入射到待检测波片，并且光束光斑能够全部通过待检测波片。
[0044] S300、利用本发明所提供波片检测装置的穆勒矩阵楠偏仪测量待检测波片的穆勒 矩阵光谱M。，待检测波片在波长为λ时的测量穆勒矩阵Μ6(λ)为：
[0045]
(7)
[0046] 其中，Γ为所要检测波片特征参数的光谱范围，Γ是所提供波片检测装置穆勒矩 阵楠偏仪的可用波段范围中的一个子集，λ为波段范围Γ中的任意一个波长点，为πιυ(λ)α