一种检测BGO晶体的残余双折射的装置和方法与流程

本发明属于晶体光学领域，特别涉及一种用于检测各向同性晶体锗酸铋(bgo)的残余双折射的装置和方法。
背景技术：
：锗酸铋(bgo)是一种重要的各向同性光学晶体，理论上它只有一个折射率no，但是由于晶体制造和加工过程中的热效应以及光学冷加工过程中的机械应力，都会产生残余应力，从而导致晶体内存在残余双折射，最终使bgo成为一种各向异性晶体。由于残余双折射是在热过程和冷加工过程中随机产生的，所以残余双折射也是大小不均的，这对于bgo晶体的使用，带来很多不利影响。尤其是当bgo作为电光晶体使用时，相当于存在了一个随机的初始电压，从而严重影响测量精度。所以，对于bgo晶体的残余双折射的检测，以便保证晶体质量，是一件十分重要的工作。但是，如何使用一种简单装置，就可以实现bgo晶体残余双折射的检测，目前还没有一个方法和相应的装置，本发明就是为了解决这一个技术难点而提出的。关于双折射的测量，已经提出了若干专利和方法，概括如下：(1)光纤双折射的测量。相关专利有cn85100420b：单模光纤双折射测量方法(上海交通大学)，cn201510504703：一种基于偏振控制的单模光纤线性双折射测量装置及方法(中国矿业大学)，cn201510428064：一种单模光纤线性双折射测量装置及方法(中国矿业大学)。且不说这些方法有一个天然的缺陷，因为光纤的双折射是一个与光纤的放置状态有关的量，而且这些方法和装置都不适用于晶体双折射的检测。此外，专利cn201210251508：动态纤维双折射测量仪，虽然被测对象不是光纤而是纺织纤维，但也是限于纤维状的样品。(2)海因兹仪器公司的相关专利：cn1739007a：平面外双折射的测量；cn02825033：双折射测量系统的精度校准；cn200380101656.2:大型样品的双折射测量方法；cn200580036436。这些专利与本发明相比，首先是应用对象不同，它们的应用对象是大型平面样品；其次是测量方法不同，它们都采用了两束光作为光源，并同时检测两束光的输出。众所周知，所谓双折射现象，就是一束光通过双折射材料后分为两束光的现象。所以，测量双折射的大小，就可以直接测量输出的两束光分开的程度(或者空间的距离)直接得到。这种方法，对于常规的较大的双折射材料是有效的。但是，对于bgo这样原本是各向同性的材料、只有很微小的残余双折射的情况，输出的两束光很难分开，所以利用上述专利所提出的方法，是完全不可行的。需要寻找新的方法。此外，专利cn96201855.4：立式双折射测量仪(浙江大学)，基本思路也是测量输出光的明暗条纹，这就要求入射光的旋转角度较大，否则分不清明暗条纹。本发明与它们的区别是采用一束光注入，检测的也是一束光的偏振态，不比区分两束光，或者在没有明暗条纹的情况下检测的方法。所以，本发明并不是受到这些专利的启发而想到的。(3)专利cn201210088188：一种偏振和双折射测量系统(中科院光电技术研究所)。它虽然采用了一束光照射，但是检测技术采用了三个波片，并采用图像采集卡，将出射光成像在采集卡上，通过图像处理和分析获得偏振与双折射信息。图像采集卡的作用还是要采集输出光的光强分布，与前述专利更为细致一些而已，并不涉及偏振态的测量。(4)中科院上海光机所提出的相关专利，包括cn201210193165：线性双折射测量装置和测量方法；和cn201310250980：线性双折射测量装置和测量方法。发明专利cn201210193165与本发明有若干相似之处，都是单光束注入，注入偏振态都是圆偏振光。本发明与它的差别是：(1)测量原理不同。该专利是使晶体绕着光束轴旋转45度，由于该专利注入晶体的光是圆偏振光，绕轴旋转的效果不明显，所以无法测定bgo微小的残余双折射；本发明采用水平旋转晶体，改变的是入射角，通过检测不同入射角注入时输出的偏振态的变化来获得双折射信息；(2)检测方法不同：该专利使用了一个沃拉斯顿透镜，将输出光束分成两束子光束，然后将两个子光束分别由双象限探测器接收，而本发明是直接由偏振分析仪获得斯托克斯参数，从而解出晶体的双折射。因此，不能认为可以“自然想到”本发明。发明专利cn201310250980，则和本发明有明显的不同。该发明采用反射式检测结构，即光源和光探测器都处于样品的同一侧。其它各个专利，样品都置于光源与探测器之间，检测的是透射光；而该发明检测的是反射光，它需要两组检测单元。因此，本发明的思想不是来自于该发明。(5)发明专利cn201310019042：基于正交偏振固体激光的应力和双折射测量仪及测量方法(清华大学)。该专利是将被测的样品置于激光器的振荡回路(谐振腔)中，通过测量由于双折射引起的激光器输出光(两个频率光)的拍频，来测量样片的双折射。因此，本发明不是来自于它的启发。(6)发明专利cn201510549341.9：一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置(中北大学)。该发明与本发明有若干相似之处，二者都是采用一束光、检测透过光。但差别也很大，具体说：(1)该发明注入样品的光为线偏振光，而且经过弹光调制器(相位调制)；(2)在接收侧，先要经过一个电光调制器然后到达光探测器；(3)样品不动。本发明与它不同的是，注入光为圆偏振光，无需相位调制；测量过程中，样品做小角度的旋转(改变入射角)；检测端无需电光调制器，直接由偏振分析仪测量。以上综述了现有的有关于双折射测量若干发明专利。本发明与它们皆不相同。考虑到实际应用，晶体偏离正入射的角度很小，而且bgo的残余双折射也很小，又是一个随机量，因此，从晶体输出的光不可能或者很难因为角度的变化分成两束，所以用两束光方案或者明暗光的方案，都不能测出这个微小双折射的影响。其次，所有的方案无论是转动入射光源还是转动样品，以便改变入射光的入射角，都需要转动的角度较大。实际在使用时，由于晶体光路中偏离正入射的角度是很小的，所有上述方案均不能测出这种情况下残余双折射的影响。而且，所有的方案结构都过于复杂，不适于生产过程中使用。总之，寻找一种利用现代的科学仪器、简单的结构和操作方法的新型测量装置和方法，这是本发明要解决的技术问题。技术实现要素：本发明的目的，在于提供一种检测bgo晶体的残余双折射的装置和方法，其可通过对输出光偏振态的检测，直接计算bgo晶体残余的微小双折射。为了达成上述目的，本发明的解决方案是：一种检测bgo晶体的残余双折射的装置，包括光源、起偏器、1/4波片、具有水平旋转和侧滚旋转功能的光学微调架、偏振分析仪和计算机，起偏器设于光源的输出端，将光源产生的光转换为线偏振光，然后送入1/4波片变为圆偏振光后，直接投射到偏振分析仪上，得到对应的偏振态送入计算机，并使圆偏振光经过置于光学微调架上的待测bgo晶体后再投射到偏振分析仪上，通过旋转光学微调架从而得到一个变化的偏振态轨迹，并送入计算机，由计算机根据接收的偏振态计算出待测bgo晶体的残余双折射。上述光学微调架采用电动的精密微调架，还包括电动的精密微调架的驱动电路，计算机通过驱动电路调节电动的精密微调架的旋转角度。基于如前所述的一种检测bgo晶体的残余双折射的装置的方法，包括如下步骤：步骤1，首先获取起偏器产生的圆偏振光直接注入偏振分析仪得到的偏振态；步骤2，将待测bgo晶体置于微调架上，起偏器产生的圆偏振光经待测bgo晶体后注入偏振分析仪得到对应的偏振态，调节微调架，使得到的偏振态与步骤1的偏振态一致；步骤3，调节微调架水平旋转和侧滚旋转，得到旋转角度与对应的偏振态，获取偏振态随着转动角度变化的轨迹；步骤4，将获得的轨迹数据送入计算机，并根据下式计算残余双折射：其中，s1out和s3out分别为每次记录的偏振态的两个斯托克斯参数；k0为光在真空中的波数；l为待测bgo晶体的长度；δ为偏离起始角度的旋转角度；εe为残余双折射对应的介电常数，ne为残余双折射的大小；no为当bgo晶体不存在残余双折射时的折射率。上述步骤4中，k0采用k0＝2π/λ计算，其中λ为光在真空中的波长。上述步骤4中，为了减小误差，在计算残余双折射的公式中引入δ＝δ0+θ，其中，δ为每次旋转光学微调架所对应的角度，δ0为初始对准时由于没有严格对准而存在的起始角度，θ为偏离起始角的角度，从而得到：其中，找到s1out＝0的特征点，它满足δ0+θ＝0，由于偏离角θ是已知的，从而能够找到起始角δ0，然后再进一步求出残余双折射ne。采用上述方案后，本发明通过对于输出光偏振态的检测，可以直接计算出bgo晶体残余的微小双折射。由于残余双折射十分微小，利用一束输入光分为两路双折射光的原理，无法测量这个为微小的双折射。本发明不仅可以测量bgo晶体的残余双折射，而且可以测量其它各向同性介质中的残余双折射，同时本发明的结构相比于现有其它测量双折射的方法，结构更简单，成本更低廉。附图说明图1是本发明第一实施结构示意图；图2是本发明第二实施结构示意图；图3是改变bgo晶体的入射角时，坐标系的变化示意图；图4是第一实施结构所测得的bgo晶体输出光的偏振态；该图是邦加球在赤道平面上的投影，(a)、(b)、(c)、(d)分别是4块不同的bgo晶体的输出偏振态；图5为实施例1所测得的bgo晶体输出光s1out随入射角δ变化的曲线；其中，(a)、(b)、(c)、(d)分别对应4块不同的bgo晶体。具体实施方式本发明提供一种检测bgo晶体的残余双折射的装置，包括光源、起偏器、1/4波片、具有水平旋转和侧滚旋转功能的光学微调架(简称微调架)、偏振分析仪和计算机，其中，光源产生的光经起偏器产生一个圆偏振光，将该圆偏振光直接注入到偏振分析仪中，得到一个偏振态；再将待测bgo晶体置于微调架上，此时偏振分析仪会再次得到一个偏振态，调节微调架使得加入bgo晶体后得到的偏振态与加入前得到的偏振态一致，然后按照微调架的刻度一步步水平旋转和侧滚旋转微调架，记录每次旋转的旋转角度和对应的偏振态，将所得的偏振态与旋转角度的关系数据输入到计算机，利用如下两个公式计算：①②计算出残余双折射；其中，s1out和s3out为每次记录的偏振态对应的两个斯托克斯参数(斯托克斯参数根据定义为4个，其中独立的只有两个)；k0为光在真空中的波数，可用公式k0＝2π/λ计算，其中λ为光在真空中的波长；l为bgo晶体的长度；δ为偏离起始角度的旋转角度；εe为残余双折射对应的介电常数，ne为残余双折射的大小；no为当bgo不存在残余双折射时的折射率。因为圆偏振光很难对准，为了减少误差，可在前述计算公式中引入δ＝δ0+θ，其中(δ为每次旋转微调架所对应的偏离角度，δ0为初始对准时由于没有严格对准而存在的起始角度，θ为偏离起始角的角度；根据公式①和②，可以得到：找到s1out＝0的特征点，这时应满足δ0+θ＝0，由于偏离角θ是已知的，从而可以找到起始角δ0，然后再进一步求出残余双折射ne。作为优选方案，本发明通过将偏振分析仪与数据采集卡直接相连，数据采集卡与计算机直接相连，数据采集卡采集实时数据，计算机实时计算出残余双折射，整个数据采集与计算过程自动完成；相比图1离线处理数据的方式，图2的结构工作效率更高。另外，本发明中的微调架可采用电动的精密微调架，将偏振分析仪与数据采集卡直接相连，数据采集卡与计算机直接相连，数据采集卡采集实时数据、计算机实时计算出残余双折射；计算机通过反馈系统实时控制电动微调架，实现自校准与自动测量，并提高测量精度。以下将结合具体实施例，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。实施例1如图1所示，装置包括光源1、起偏器2、1/4波片3、精密微调架4、待测bgo晶体5、偏振分析仪6和计算机7。本发明实现bgo晶体残余双折射检测的原理如下：对于bgo晶体，在不存在残余双折射的理想情况下ε1＝ε2＝ε3＝εo＝no2，ε4、ε5、ε6均为0，是各向同性介质。当考虑残余双折射时，bgo成为对称的各向异性的材料，其介电常数张量为：由于主折射率的初始值很大，而残余双折射很小，所以主折射率的相对变化不大，可以忽略；而副对角线上的元素，由于ε4、ε5、ε6的理论值均为0，所以任何微小的变化都不可以忽略。而正是这些微小的变化，导致bgo变成各向异性介质。对于各向异性介质，当入射光沿着晶体光轴方向入射时，输出偏振态不变化，然而当入射光不沿光轴方向入射时(入射角改变)，输出光的偏振态将发生变化。下面研究残余双折射矢量问题。假定在以各向异性材料的天然晶轴的坐标系中，互感器中通光方向的波矢为为了便于分析，我们将建立一个以波矢作为新的z轴(光轴)的坐标系，所以需要对具有残余双折射的bgo晶体的介电张量εr进行坐标变换。然后求出它的双折射矢量。三维坐标系的变换如图3所示，考虑到实际bgo晶体的切向，由坐标系x,y,z到坐标系x'y'z'的变换可以视作坐标系x,y,z先绕晶体的001方向(z轴)逆时针旋转了θ角，然后绕y’轴再旋转γ角得到的，其中θ＝-π/4+δ，这里δ为光入射bgo晶体时由于对准误差而引入的相对于光轴方向的偏离角(正入射时δ＝0，以下简称入射角δ)。同理γ＝π/2+δ，也就是绕y'旋转也存在一定的误差。经过繁杂的推导可得，此时bgo晶体的介电张量为：为了证实残余双折射的存在形式以及数学关系，我们首先认为绕z轴的旋转没有误差，也就是θ＝-π/4,γ＝π/2+δ，经过繁杂的推导可得，此时bgo晶体的介电张量为：将式(3)改写为四元数，即：由式(4)可以看出介电常数四元数没有方向分量，表明bgo晶体不存在旋光性。大量实验表明，出射光的偏振态只绕着在邦加球的s2轴(轴)旋转，可知绕s1轴(轴)的双折射可忽略，于是：考虑到式(5)与入射角δ无关，经化简可得以下关系式：此时式(4)可化为：对于bgo晶体而言，如前所述不变，将该条件代入式(6)可得：ε6≈0(8)由此对残余双折射进行了标定，而一般情况下，在具体实验中绕y'轴的旋转并没有误差，而只有绕z轴的误差，即θ＝-π/4+δ,γ＝π/2，于是cosγ＝0,sinγ＝1代入到式(3)得到：如前论证，ε4＝ε5＝εe，ε6＝0，这一点与晶体的放置状态无关，则：考虑θ＝-π/4+δ代入化简得到：式(12)中的代表了bgo晶体的残余双折射的影响，当入射角δ变化时，输出偏振态在邦加球上绕s2轴旋转。进一步，由于折射率与介电常数之间有简单的对应关系，即：er＝n2(13)不妨设er＝εo+er，式中n＝no+nr，于是：由此可知，由于于是残余双折射矢量为：式(16)表明，残余双折射矢量的方向为s2方向，大小不仅与晶体残余的εe有关，而且与晶体的通光方向有关。于是，在已知s1＝f(δ)的前提下，可以分别求出εe以及残余双折射测量的基本思路是，故意使bgo晶体绕(0,0,1)方向旋转一个小角度，同时观察输出光的偏振态的变化，最后根据式(19)求解出bgo晶体的残余双折射的大小。实验系统如图1所示，实验过程中对4块同一批次的bgo晶体(从左至右编号分别为1,2,3,4)进行测试，使入射角从0到2.5°变化，得到输出光偏振态的变化如图4所示。从图4可以看出，不同晶体的残余双折射是存在差异的，对于该批次的bgo晶体，测得的s1的值与入射角δ的关系如图5所示，由图5可知不同的晶体的初始偏振态存在差异，因此4个晶体的s1的初始值也有所不同，最后根据公式(17)得到表1中不同晶体的残余双折射ne的值。表1不同晶体的残余双折射晶体编号残余双折射ne12.1×10-323.2×10-332.3×10-343.8×10-3由表1可知，这一批bgo晶体的残余双折射的值在(2.1～3.8)×10-3之间。实施例2如图2所示，装置包括光源1、起偏器2、1/4波片3、电动的精密微调架、待测bgo晶体5、偏振分析仪6、计算机7、数据采集卡8和电动微调架的驱动电路9。在实施例2中，光源1、起偏器2和1/4波片3组成一个圆偏振光发生器，这个圆偏振光进入到待测bgo晶体5，bgo晶体放置在可旋转的电动微调架上随微调架一起旋转，bgo输出的光被偏振分析仪6接收到从bgo输出的光的偏振态，然后通过数据采集卡8将测得的数据直接送入计算机7，经过计算机数据处理后，将结果反馈到电动微调架的驱动电路9，使电动微调架进一步转动，直至到达测量要求为止。这种全自动化的反馈系统，将进一步提高测量精度，而且节省时间。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。当前第1页12