专利名称：一种光学相位延迟精密测量方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学相位延迟精密测量方法及其系统，特别是涉及一种适用于测量波片 等光学延迟器件的光学相位延迟精密测量方法及其系统，属于光学测量技术领域。
背景技术：
由于工业生成技术的不断提高，人们对器件的精度提出了越来越高的要求，光学仪器以 其高精度的特点得到了广泛应用，光学器件的精密测量得到了越来越多的关注，在光学器件 相位延迟测量方面，目前现有的精密测量系统采用的技术有波片相位延迟的分束差动自动测 量(郝殿中，宋连科，波片相位延迟的分束差动自动测量，光电子.激光，16(5)， 2005:601-604)， 其技术原理如图l所示，其原理为入射光经过起偏器3起偏后，依次经过待测波片Rx4和渥 拉斯顿(Wollaston)棱镜5，两出射光束分别由两个探测器6收集，经差动放大器7放大处 理，进入计算机处理系统9。起偏器3和待测波片Rx分别放在由步进电机8驱动的可旋转载 物台上。步进电机的驱动脉冲由控制单元9给出，通过两个编码器IO对角度进行闭环反馈控 制。当入射线偏振光电矢量振动方向与渥拉斯顿(Wollaston)棱镜的两出射光束的矢量振动 方向(x、 y轴)分别成45度角时，棱镜分成的两束光的能量相等，输出信号为零或最小。 放入待测样品Rx，调整使其快轴(或慢轴)与x轴成45度角，此时是一个平衡位置，计算 机的读数仍为零或最小。Rx旋转一周，重新回到平衡位置。若有8次读数为零或最小，该样 品为l/4波片，否则为非标准样品。在平衡位置的基础上，起偏器3旋转角度oc,会改变平衡 输出的位置，随后通过旋转Rx—个P角度，重新得到平衡位置。读取(3，并利用如下理论公式， 可以求出样品的延迟相位S。
cos"-柳
现有技术中也有采用计算波片相位延迟量来进行精密测量的技术(徐文东，李锡善，波 片相位延迟量精密测量新方法，光学学报，1994， 14 (10)， 1096—1101)，其技术原理图如 图2所示，其原理为准单色光经准直后入射到可旋转的起偏器3上。以竖直方向为x方向， 水平方向为y方向，起偏器的起偏方向为e。经过机械一光学旋光调制器4后，光束的偏振面 以e为中心左右摆动。这样的偏振光通过光轴方位与x轴成45度的1/4波片5后成为两个相 位被调制、偏振关系分别与x和y轴平行的线偏振光。若待测样品6的光轴与x和y轴平行，那么两束光将以o光和e光的方式经过样品，使样品的相位直接叠加在原有相位差上。两束 光通过透光方向为45度的检偏器7后发生干涉。调整起偏器方位角使探测器8得到的方波信 号为零(可用锁相放大器进行检测)，此时若不加调制，干涉将发生在极值点(亮点或暗点)， 代入下式，从起偏器旋转的角度可得到样品的相位值S。
5 = -20-^(亮点)，或^ = -20+-(暗点) 2 2
上述两个现有技术存在的问题和不足是
1、 都是间接测量方式，先测量出现极值点时补偿器件的转角，再转换为相关的相位信息， 测量误差大，机构复杂，仪器成本高；
2、 测量结果受到仪器准直、共轴等装调误差的影响很大；
3、 在测量极值点光强时，波片相位延迟的分束差动自动测量系统未加调制，直接测量直 流暗点的光强，测量精度低；波片相位延迟量精密测量系统加一可旋转的机械一光学旋光调 制器，结构复杂，装调要求高，误差较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学相位延迟精密测量方法及其系统，本发明为一种光电混 和系统，可用于对波片等光学延迟器件的相位延迟进行精密测量，也可用于产生任意的光学 相位延迟量。该发明的独特性在于能够对光学相位延迟量进行直接量的测量，和其他通过间 接量转换的测量方法相比有其明显的优势。采用光调制方式测量消光位置，提高了信噪比， 使测量精度大为改善。对实验条件和环境的要求不高，操作简单，易于产品化。
本发明的目的是通过光调制和光学补偿等技术方案实现的，下面结合附图来描述本发明 的设计方案及其技术特征。
图3是本发明的原理图。系统是由激光器L、起偏棱镜P、光调制器E、调制信号源M、 待测相位延迟器S、索累(Soleil)补偿器C、检偏棱镜A、光探测器D、信号处理电路和结 果输出单元O等组成。
系统的方位坐标规定为光束传播方向为z轴，起偏器P、检偏器A的透振方向沿x轴，
光调制器E加电后的感生轴《，/7方向和待测相位延迟器S及补偿器C的快慢轴方向一致，和 x轴成45度角(见图4)。
激光器L辐射的激光束通过起偏棱镜P变成线偏振光，射入光调制器E。光调制器可采 用电光、磁光或声光等调制方式，由调制信号源M加正弦电压，其出射光两个正交偏振态的 相位延迟将受到外加电压信号的调制，形成交流变化。调制器的出射偏振光经过待测相位延 迟器S，其偏振态中加上了待测器件的相位延迟，再射入索累(Soldi)补偿器C。索累(SoleiD 补偿器的作用类似于一个相位延迟量连续可调的零级波片。通过调节索累(Soldi)补偿器， 可获得任意的相位延迟。从补偿器出射的光束再通过检偏棱镜A，从而使偏振光相位的变化 转换为检偏器出射光束的能量变化。出射光束的光强可表达为
<formula>formula see original document page 5</formula> ,
其中^，&,^分别为光调制器E、待测相位延迟器S和索累(Soleil)补偿器C的相位 延迟，/。为入射光强。
检偏器的出射光由光探测器D接收，并经过信号处理电路的滤波放大等处理后，结果显 示在示波器O上。若不加调制信号，即^=0时，当待测器件的相位延迟和补偿器的相位延
迟之和等于7T时，即^+^="，从检偏器中出射的光能量为零，这称为完全补偿，也叫消光 位置。通过调节索累(Soleil)补偿器，寻找消光位置。在该位置由补偿器的相位延迟5c即可
得到待测器件的相位延迟量S^7T-5c。
本发明利用对偏振光进行光调制加光学补偿的方式进行待测器件光学相位延迟的精密测量。
在待测器件光学相位延迟的测量中，需要进行消光位置的判断，即寻找输出光强为零的 位置，该位置可称为输出光强的直流零点。由于外加杂散光的影响及功率计本身响应范围的 限制，直流零点难以准确测定。本发明采用光调制的方式，在调制器上加上一定频率的正弦 调制信号，则光调制器产生的相位延迟为
A=《sin^，其中，K为常数，w为调制信号频率
而输出光强相应地变为<formula>formula see original document page 5</formula>
当完全补偿时，上式大括号中第三项为0，即信号中的奇次谐波分量消失,
只剩下偶次谐波成分，这就是输出光强的交流零点。由于高阶分量值很小，处理时通常可忽
略掉高阶偶次谐波，只留下二次谐波，使完全补偿条件变为信号中的所有奇次谐波分量消 失，只剩下二次谐波分量。信号处理电路检测出射信号的频谱，当基频分量消失的位置即为 消光位置。利用这一特性，把直流零点的测量转换为交流零点的测量，根据检测出的二倍频 成分，从而准确判断消光位置，实现高精度测量。由于信号源的频率非常稳定，测量系统加 上窄带选频放大器，得到非常高的信噪比，使消光位置的判断精度大大提高。
本发明中，通过调节索累(Soleil)补偿器实现相位的光学补偿。 索累(Soleil)补偿器的作用类似于一个相位延迟量可调的零级波片。由成对的晶体楔A 和A'与一块平行晶片B组成。A和A'两光轴都平行于折射棱边，晶体楔A可用微动螺旋使 之做平行移动，平行晶片B的光轴与晶体楔A垂直(见图5)。当晶体楔A平移时，在它们 全接触的全部区域内，两晶体楔的总厚度在增减，A和A'形成一个厚度可变的石英片，可以 使这个厚度和下面薄片的厚度之间产生任意的差值，从而使o光和e光之间产生0 2;r范围 内任意的相位延迟。光通过补偿器后产生的相位延迟量正比于厚度改变量A/ ，也正比于晶体 楔的平移量AI。相位延迟和平移量之间的比例系数和光源波长有关，在测量前应先对补偿器 线性定标。测量时只需读出消光点索累(Soleil)补偿器的平移量即可根据定标系数得到对应 的相位延迟量，操作简单方便，结果稳定。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为 一种光学相位延迟精密测量方法，其步骤为
1) 将激光发出的光依次经过起偏器、光调制器、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏 器、光探测器后由结果输出单元显示输出结果；
2) 给光调制器加上调制信号，使出射光两个正交偏振态的相位延迟产生交流变化；
3) 对接收的信号进行滤波处理，将直流零点的测量转换为交流零点的测量；
4) 调节相位补偿器，记录结果输出单元出现消光位置时相位补偿器的补偿量Sc;
5) 计算待测器件的相位延迟量S^7I-Sc。
所述光调制器为KD*P晶体电光调制器，调制方式为纵向调制，所述调制信号源为正弦调 制信号。
所述调制信号源频率为2kHz，所述信号处理电路滤波频率为4kHz。 所述相位补偿器为索累补偿器，所述索累补偿器的入射面晶体楔装有微动螺旋，通过调节
所述微动螺旋使之相对入射面做平行移动，光通过所述索累补偿器后产生的相位延迟量正比于
补偿器晶体楔的平移量。
所述索累补偿器在测量前进行线性定标。
一种光学相位延迟精密测量系统，包括激光器、起偏器、光调制器、调制信号源、待测相 位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器、结果输出单元，其特征在于所述激光器发出的光 依次经过所述起偏器、光调制器、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器、信号处 理电路后由结果输出单元显示输出结果，所述调制信号源与所述光调制器通过信号线连接。
所述光调制器为KD*P晶体电光调制器，调制方式为纵向调制，所述调制信号源为正弦调 制信号。
所述调制信号源频率为2kHz，所述信号处理电路滤波频率为4kHz。 所述相位补偿器为索累补偿器。
所述索累补偿器的入射面晶体楔装有微动螺旋，通过调节所述微动螺旋使之相对入射面做 平行移动。
本发明的有益效果是
1. 本发明的光调制加光学补偿方案实际上进行的是相位延迟的直接测量，和其他通过间 接量转换的测量方法相比，测量精度有明显的优势。且方案中通过使用调制偏振光进行消光 点判断，使用索累(Soleil)补偿器进行相位补偿，将调制和补偿两种作用方式分开处理，消 除了相互干扰带来的测量结果不稳定的问题。系统的综合测量精度达到入/300 (对632.8nm波 长)，重复精度在0.3%以内。
2. 测量系统充分发挥了调制偏振光的优越性，把直流零点(正交暗场)的测量，转换为 交流零点的测量。加上窄带选频放大器，得到非常高的信噪比。
3. 本发明采用索累(Soleil)补偿器，即使存在补偿器快慢轴和《,;/轴不重合，和测量光
束不垂直等情况，通过测量之前的定标，这些误差对测量结果均不产生影响，提高了测量的 准确性，也降低了安装定位的难度。补偿器能够提供0 2;r范围内任意的相位延迟，因此适 用于1/2波片、1/4波片等标准波片及各种非标准波片等多种波片相位延迟量的测量。
根据上述方案制成的光学相位延迟精密测量系统，可用于对光学延迟器的相位延迟进行 精密测量，也可用于产生任意的光学相位延迟量，扩展后还可进行厚度、方位角、折射率等 几何量和物理量的测量，以及对索累(Soleil)补偿器进行标定。该发明测量精度高，对实验 条件和环境的要求不高，操作简单，易于产品化。
图1波片相位延迟的分束差动自动测量原理图；1.激光器2.光阑3.起偏器4.待测波片Rx 5.渥拉斯顿(Wollaston)棱镜6. 探测器7.差动放大器8.步进电机9.计算机处理系统 10.编码器； 图2波片相位延迟量精密测量原理1.准单色光源 2.准直器3.起偏器4.机械一光学旋光调制器5. 1/4 波片6.待测样品7.检偏器8.探测器； 图3是本发明原理L一激光器、P—起偏棱镜、E—光调制器、M—调制信号源、S—待测相位延迟器、 C一索累(Soleil)补偿器、A—检偏棱镜、D—光探测器、O—信号处理电路和结果输出单元 图4是本发明中系统的方位坐标规定图示； 图5是索累(Soleil)补偿器结构图。
具体实施例方式
现结合附图描述本发明的具体实施例。其中图3釆用的器件为激光器L可采用波长为
632.8nm，功率为2mw的He—Ne激光器。起偏器P和检偏器A可采用消光比为105，孔径 >10mm的格兰一泰勒偏振棱镜。光调制器E可采用KD'P晶体纵调制方式作为调制器。调制 信号为正弦电压，电压调节范围为600 2000V，调制频率为2kHz。索累(Soleil)补偿 器C可采用石英材料，工作波长范围为200 2000nm，光楔水平移动范围为0 30mm，移动 精度为lpm，通光口径在10mm以上。光探测器D可采用光电二极管进行光电转换和探测。 根据调制频率设计匹配的信号处理电路，对光探测器接收的调制频率倍频信号进行滤波放大 处理后送入结果输出单元，信号处理电路的滤波频率为4kHz。如图4所示，系统的方位坐标 规定为光束传播方向为z轴，起偏器P、检偏器A的透振方向沿x轴，光调制器E加电后
的感生轴《,/7方向和待测相位延迟器S及补偿器C的快慢轴方向一致，和x轴成45度角。
激光器L辐射的激光束通过起偏棱镜P变成线偏振光，射入电光调制器E。电光调制器 由KD*P晶体釆用纵调制方式，由调制信号源M加正弦电压，其出射光两个正交偏振态的相 位延迟将受到外加电压信号的调制，形成交流变化。调制器的出射偏振光经过待测相位延迟 器S，其偏振态中加上了待测器件的相位延迟，再射入索累(Soleil)补偿器C。如图5所示 的索累(Soleil)补偿器的作用类似于一个相位延迟量连续可调的零级波片。通过调节索累 (Soleil)补偿器，可获得任意的相位延迟。从补偿器出射的光束再通过检偏棱镜A，从而使 偏振光相位的变化转换为检偏器出射光束的能量变化。检偏器的出射光由光探测器D接收， 并经过信号处理电路的滤波放大等处理后，结果显示在示波器O上。当待测器件的相位延迟
和补偿器的相位延迟之和等于兀时，从检偏器中出射的光能量为零，这称为完全补偿，也叫消 光位置。通过调节索累(Soleil)补偿器，寻找消光位置。当输出信号中基频分量消失的位置
即为消光位置。在该位置由补偿器的相位延迟Se即可得到待测器件的相位延迟量S^7l-Sc。
为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化和修改，对 本领域技术人员是显而易见的，在本发明所公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变 化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。
权利要求
1.一种光学相位延迟精密测量方法，其步骤为1)将激光发出的光依次经过起偏器、光调制器、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器后由结果显示单元显示输出结果；2)给光调制器加上调制信号，使出射光两个正交偏振态的相位延迟产生交流变化；3)结果显示单元对接收的信号进行滤波处理，将直流零点的测量转换为交流零点的测量；4)调节相位补偿器，记录结果显示单元出现消光位置时相位补偿器的补偿量δc；5)计算待测器件的相位延迟量δs＝π-δc。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述光调制器为KD*P晶体电光调制器，调制方 式为纵向调制，所述调制信号源为正弦调制信号。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述调制信号源频率为2kHz，所述信号处 理电路滤波频率为4kHz。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述相位补偿器为索累补偿器，所述索累补偿器 的入射面晶体楔装有微动螺旋，通过调节所述微动螺旋使之相对入射面做平行移动，光通过所 述索累补偿器后产生的相位延迟量正比于补偿器晶体楔的平移量。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于所述索累补偿器测量前进行线性定标。
6. —种光学相位延迟精密测量系统，包括激光器、起偏器、光调制器、调制信号源、待 测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器、结果输出单元，其特征在于所述激光器发出 的光依次经过所述起偏器、光调制器、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器、信 号处理电路后由结果显示单元显示输出结果，所述调制信号源与所述光调制器通过信号线连 接。
7. 如权利要求6所述的系统，其特征在于所述光调制器为KD*P晶体电光调制器，调制 方式为纵向调制，所述调制信号源为正弦调制信号。
8. 如权利要求6或7所述的系统，其特征在于所述调制信号源频率为2kHz，所述信号处 理电路滤波频率为4kHz。
9. 如权利要求6所述的系统，其特征在于所述相位补偿器为索累补偿器。
10. 如权利要求9所述的系统，其特征在于所述索累补偿器的入射面晶体楔装有微动螺旋， 通过调节所述微动螺旋使之相对入射面做平行移动。
全文摘要
本发明公开了一种光学相位延迟精密测量方法及其系统，本发明的系统包括激光器、起偏器、光调制器、调制信号源、待测相位延迟器、相位补偿器、检偏器、光探测器、结果输出单元，本发明的方法通过在光路中加入光调制器对检测偏振光进行光调制，产生调制偏振光，结果显示单元对接收信号滤波处理后实现将直流零点的测量转换交流零点的测量，从而准确判断极值点位置，提高了测量精度。本发明测量简单方便，结果准确可靠，精度可达到λ/300，适用于波片等光学延迟器件的生产和销售部门对产品的检验。
文档编号G01M11/02GK101183043SQ200710178950
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月7日 优先权日2007年12月7日
发明者蕾 俞, 姚思一, 宋建力, 宋菲君, 林海晏, 玲 范, 韩永刚 申请人:大恒新纪元科技股份有限公司北京光电技术研究所