一种波片快慢轴检测方法与流程

本发明涉及波片检测技术领域，特别涉及一种波片快慢轴的检测方法。

背景技术：

波片作为一种常用的光学元器件，被广泛应用于偏光测量领域。快、慢轴方向是波片的两个重要参量，波片在使用中必须先确定快、慢轴的方向。在波片材质已知的情况下，可以通过确定波片光轴方位来确定波片快慢轴的方向。目前波片光轴方位的判断方法有多种，例如：相位比较法、相位调制法、迈克尔逊干涉法、旋转波片法、菲涅尔菱体法、调制光谱法等，通常需要预先知晓波片使用波长及对应相位延迟量。其中相位比较法和相位调制法只能大概确定光轴方位，并不能判定光轴的准确方位。迈克尔逊干涉法、旋转波片法、菲涅尔菱体法和调制光谱法能够准确判断光轴方位，但是过程比较麻烦。

技术实现要素：

为实现对材质未知、使用波长及对应相位延迟量未知的情况下波片快慢轴的快速检测，本发明采用检偏器与椭圆偏振光谱仪，设计了一种快速检测波片快慢轴的方法。

本发明是通过以下方式实现的：

一种波片快慢轴检测方法，包括以下步骤：

（1）将椭圆偏振光谱仪的起偏臂和检偏臂调至水平透射模式；

（2）旋转起偏臂中的起偏器，将氙灯出射光调为p方向（竖直方向）振动的线偏光，在起偏臂和检偏臂之间放入检偏器，旋转检偏器至消光；

（3）将待检测波片放入起偏臂和检偏器之间，使入射光线垂直波片表面，旋转波片，至光路再次出现消光；

（4）旋转起偏臂中的起偏器，将出射线偏光振动方向调至与p方向成45度角方向；

（5）撤出检偏器，扫描波片p、s（水平方向）两方向上相位差的色散曲线；

（6）根据上述步骤（5）得到的p、s两方向上位相差色散曲线斜率的正负情况判断波片快慢轴方向。

所述的检测方法，对波片快慢轴方向的判断，具体方式为：

（1）在步骤（5）得到的p、s两方向上位相差色散曲线图上，曲线斜率为正时，待测波片快轴位于水平方向，待测波片慢轴位于竖直方向。

（2）在步骤（5）得到的p、s两方向上位相差色散曲线图上，曲线斜率为负时，待测波片快轴位于竖直方向，待测波片慢轴位于水平方向。

本发明中所述的检偏器是光学仪器中的一种常用器件，可用于光路的检偏或起偏。下面对本发明的原理进行详细阐述：

首先定义坐标系为：光线传播方向为z轴正方向，水平方向为x轴，y轴正方向竖直向上，x、y、z轴正方向构成右手螺旋关系，x、y平面内角度的定义为：沿x轴正向的水平方向为0°，逆时针旋转方向为角度正方向。先将起偏臂中起偏器起偏方向调为90°，即透振方向为竖直方向（p方向），把检偏器放入光路中，调节其透振方向使光路消光，此时检偏器的透振方向为水平方向（s方向），然后将待测波片放入起偏臂和检偏臂中间，使光线垂直于待测波片表面入射，旋转波片使光路再次消光，此时波片快轴或慢轴方向处于p方向，我们定义此时处于s方向的轴为a轴。

为进一步区分a轴为波片快轴或慢轴，需取出检偏器，调节起偏臂中起偏器起偏方向为45°，扫描线偏振光经过波片后在p、s两方向上的相位差，通过观察波片在p、s两方向上相位差随扫描波长的变化情况，根据相位差变化情况的不同，判断a轴为波片快轴或慢轴。

图1为椭偏仪探测晶体快慢轴的光路原理图，光路的琼斯矩阵如下:

（1）

其中ex、ey分别表示通过石英波片后的x和y方向偏振的电场强度，k为包含各器件矩阵因子的比例系数，φx、φy分别为波片在p方向与s方向上的相位延迟量，且：

（2）

在椭偏仪中，椭偏参量ψ、定义为：tanψe^iδ=rp/rs，在本实验光路设置的情况下，tanψe^iδ=ey/ex=e^iφ。因而椭偏仪测量得到的椭偏参量δ即为波片在p、s两方向上的相位延迟量差值在0~2π范围内的等效值。

若nx>ny，即a轴为慢轴时，则（2）式中δn>0，为波片晶体双折射率，则k为波片级数，为正整数，φ0为波片在0~2π范围内的等效相位差，即δ=φ0。因双折射率δn色散通常为正常色散，即δn随波长变长而减小，所以在波长向长波长扫描过程中，由公式（2）可知，相位差φ应该是逐渐减小的，相应的其在0~2π范围内的等效相位差φ0的变化趋势是：随着扫描波长的增加，φ0减小到零以后，跳变为2π（对应波片级数k减1），之后继续减小，每循环对应波片级数k减1。

若a轴为波片快轴，则（2）式中δn<0，k为负正整数，此时相位差φ为负值，φ0仍为波片在0~2π范围内的等效相位差，即δ=φ0。在波长向长波长扫描过程中，|φ|是逐渐减小的，φ是逐渐增大的，相应的其在0~2π范围内的等效相位差φ0的变化趋势是：随着扫描波长的增加，φ0增大到2π以后，跳变为0（对应k加1），之后继续增大，每循环对应k加1。

在之前光路设置中，检偏器透振方向设定为x（s）方向，在确定了a轴为波片快轴或慢轴之后，相应的波片快慢轴方向与检偏棱镜透振方向之间的关系也就确定了，因而该方法可以对光路中波片和棱镜进行定位组合。

本发明的有益效果：本发明的波片快慢轴检测方法，利用的是波片快慢轴间相位延迟量随波长的色散原理，以及椭圆偏振光谱仪对相位差的精确测量，该快慢轴检测方法理论简洁、清晰，操作简单，检测速度快，与常规快慢轴检测方式相比，本发明所设计的检测方法具有无需预先知晓波片材质，无需知晓波片使用波长及相位延迟量的特点。

附图说明

图1是本发明的检测装置光路示意图，其中：1-氙灯光源，2-起偏臂，3-标准石英波片，4-检偏器，5-检偏臂，6-单色仪与探测器，7计算机；

图2是实施例1中，椭圆偏振光谱仪测量得到的石英波片在p、s两方向上的相位差色散曲线，其中：横坐标为波长，纵坐标为p、s两方向上的位相差。

图3是实施例2中，椭圆偏振光谱仪测量得到的石英波片在p、s两方向上的相位差色散曲线，其中：横坐标为波长，纵坐标为p、s两方向上的位相差。

具体实施例：

实施例1：

按照图1中的光路，起偏臂透振方向调为竖直方向，放入检偏器，调节检偏器透振方向至消光，此时检偏器透振方向必为水平方向；然后放入波片，使入射光线垂直波片表面，旋转波片使光路再次消光，此时检偏器透振方向必与波片快、慢轴中的一轴重合；之后撤出检偏器，将起偏臂中起偏方向调至45°，此时入射波片的为45°方向的线偏振光，在x、y方向上相位相同、振幅相同，对波片出射的椭圆偏振光在y、x两方向上相位差随波长的变化进行扫描测量。

图2为椭圆偏振光谱仪给出的一石英波片在y（p）、x（s）两方向上相位差δ随波长变化的测量曲线，可以看到规则的斜率为负的跳变曲线，根据之前分析，此时对应的波片快轴在y（p）方向，即竖直方向，相应的慢轴在x（s）方向。

实施例2：

按照图1中的光路，起偏臂透振方向调为竖直方向，放入检偏器，调节检偏器透振方向至消光，此时检偏器透振方向必为水平方向；然后放入波片，使入射光线垂直波片表面，旋转波片使光路再次消光，此时检偏器透振方向必与波片快、慢轴中的一轴重合；之后撤出检偏器，将起偏臂中起偏方向调至45°，此时入射波片的为45°方向的线偏振光，在x、y方向上相位相同、振幅相同，对波片出射的椭圆偏振光在y、x两方向上相位差随波长的变化进行扫描测量。

图3为椭圆偏振光谱仪给出的一石英波片在y（p）、x（s）两方向上相位差δ随波长变化的测量曲线，可以看到规则的斜率为正的跳变曲线，根据之前分析，此时对应的波片慢轴在y（p）方向，即竖直方向，相应的快轴在x（s）方向。