法拉第旋光片旋转角测试设备的制作方法

本发明涉及旋光片测试领域，尤其涉及一种法拉第旋光片旋转角测试设备。

背景技术：

1、以钇铁石榴石单晶膜材料加工而成的法拉第旋光片（简称“旋光片”）是通用光通信器件诸如光隔离器、磁光开关、磁光调制器件的核心材料，其特点是利用外场介入实现光信号非互易传输，以保护光源、稳定信号、保证通信质量。

2、旋光片具有高可靠性和高稳定性的特点，被广泛应用于军事激光通信系统和光纤通讯中，包括激光陀螺、大气激光通信、数据中心、数据链系统以及军用5g通讯等。国内旋光片的需求量超过30万片/年（11×11mm），市场价值约10亿元/年。随着100g光纤入户、5g通信等工程的逐渐开展，旋光片的应用范围将由主通信线路逐渐拓展至5g室外基站、5g入户基站、100g光纤基站、100g光纤用户终端等终端设备，需求量也将随着应用范围向数量密集型终端的拓展而成倍增加。据估算5g建设阶段预计投资2.3万亿左右，投资规模是4g的4倍，旋光片的市场容量需求也将成倍增加。

3、全球旋光片长期被日本granopt和美国ii-vi两大公司垄断，我国该类单晶膜产品均自以上两家公司进口，但是上述两家公司均未提供相关产品测试技术，亦未制定相关测试标准。

4、本发明的申请人目前已实现1英寸旋光片的制备，并已进入样品试用阶段，即将实现工程化应用，后续主要工作是不断迭代样品性能，推进旋光片的工程化。因此，对其磁光性能的有效测量是目前除工艺实验外的重点研究方向，尤其是旋转角及旋转角相关的波长系数是研究重点。

5、长期的产品空白，造成了相关测试、测量技术的严重缺失，加之相关材料生产技术被美、日两家企业垄断，两家公司为进行技术保护而未公布核心技术专利与技术标准。

6、法拉第旋转角是指线偏振光通过垂直于光传播方向的磁偏置旋光片，光的偏振面会发生旋转，且这种偏转与方向无关，其旋转角度称为法拉第旋转角。当旋转角为45°时，反射光通过亦发生45°偏转，从而利用偏振片构成光的非互易传输。因此特定厚度旋光片的旋转角是衡量磁光隔离器性能的重要指标，关系到光路传播中的信号源能否稳定且高效输出。

7、因此，亟需一种能够有效测量法拉第旋转角的设备。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于提供一种法拉第旋光片旋转角测试设备，以解决上述问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：

3、一种法拉第旋光片旋转角测试设备，包括沿光路依次设置的准直器、电磁铁a、样品测试腔体、电磁铁b和偏振器，所述电磁铁a、电磁铁b的磁头中心位置分别设置有通孔，所述准直器的光通路中轴线、所述通孔中轴线、样品测试腔体中轴线及偏振器通光中轴线重合；所述样品测试腔体内设置有控温系统。

4、其中，准直器主要用于入射光准直，形成入射光基准光路，安装于样品测试腔体前端，可外接光源；偏振器通光中轴与准直器光通路中轴重合，形成光通路，偏振器安装于样品测试腔体后端，用于旋转角计数；

5、本发明工程化的法拉第旋转角测试设备的技术原理为：利用高均匀性外加电磁铁为样品提供均匀外加磁场，使被测样品均匀磁化，利用准直器将线偏振激光准直入射样品，保持光传输方向与磁化方向平行同向，由于旋光片正、负圆偏振磁导率不同，导致线偏振光的偏振面发生旋转，该旋转角度与旋光片的法拉第旋光率及厚度有关，出射光经过偏振器，若出射光偏振面与偏振器角度相同则检测到最大功率，因此可直接将偏振器旋转角计作样品旋转角；另外旋光片旋转角受入射光波长、样品温度影响，通过改变入射波长或者样品温度测得旋转角与对应变化条件关系。

6、基于以上原理搭建的测试系统存在一定不足，其中测试设备存在以下问题：(1)外磁场磁化均匀性有限，样品存在磁化不均的问题；(2) 测试是被偏向实验室设备，不利于工程化应用；(3)无法测量不同温度下样品的法拉第旋转角；(4)无法实现一定面积产品多点测试，不能对整个产品进行品质把控；

7、为了解决上述问题，本发明通过下述手段：

8、（1）采用磁头中心部分通孔，孔径优选φ4.0 mm左右，通孔中轴与光路中轴线重合，磁场均匀区覆盖样品测试腔体；（2）采用储样自动进样机械装置，可批量化测试样品；（3）在样品测试腔内增设了控温系统，可数显控温；（4）样品夹具连接伺服结构，计算机自动控制样品移动，测量多个通光口径的旋转角度。

9、本发明的采用上述测试设备，改善了外加磁场均匀性有限、样品薄膜磁化不均的问题，自动进样技术大幅提高了测试效率，测试效率提高至原来的5倍，使得测试装置有望实现工程化应用，可移动夹具可实现多个通光口的数据测量，可有效减小测量误差，误差范围在±0.3°，提高测量精度。

10、作为优选的技术方案：所述准直器采用保偏光纤，适用fc/pc、fc/apc接口，波长范围600～1050nm、1050～1620 nm。

11、作为优选的技术方案：所述通孔的孔径φ3.5～4.5mm，所述，电磁铁a、电磁铁b的磁场范围50～2000 oe。

12、作为优选的技术方案：所述样品测试腔体包括前盖板、后盖板，以及位于所述前盖板和后盖板之间的样品装夹部，所述样品装夹部还固定连接有伺服单元，所述伺服单元与计算机连接。

13、其中，前盖板和后盖板组成外壳，外壳采用全封闭式结构，仅侧面进样口和前后通光口开孔；样品夹装部优选尺寸20mm×20mm×8mm，内部尺寸优选φ16.5mm，优选采用柔性夹具夹装样品，并设计插入式进样结构，如图2所示样品夹装部与伺服安装固定，置于前后盖板中间，腔体轴线与光路中轴线重合；前盖板和后盖板加装于样品部分两侧用于避光，为保证通光光路，前后开孔通光，开孔尺寸优选φ4.0 mm，前盖板和后盖板固定于底座与样品夹装部精密贴合但可分离移动；

14、进一步的，所述伺服单元与样品测试腔体样品夹装部分机械固定，采用双轴步进伺服及机械结构在垂直光通路平面内平行移动样品测试腔体，移动范围±12mm，移动精度1mm，伺服单元与计算机连接，以样品中心点作为基准（0,0）点，通过松下伺服调试软件（panater-ver6.0.1.16）移动样品并对不同坐标进行法拉第旋转角测试并计数，形成产品法拉第旋转角分布数据。所述“双轴步进伺服”市面上可购得，常规结构即可满足本发明使用，比如可以采用如图2所示的结构。

15、作为优选的技术方案：所述控温系统包括依次电连接的主调节器、副调节器和执行器，还设置有传感器a和传感器b,所述控温系统与计算机连接。

16、控温系统优选采用串级控制消除温度振荡，控温范围25～80℃，控温精度±0.2℃，控温系统控制与显示端连接计算机，以调节样品测试腔体温度；所述所述“串级控制”类似于电路中用电设备串联。

17、作为优选的技术方案：所述偏振器通光口径φ2.5 mm、φ4.0mm，应用波长500～720 nm 、720～1610 nm，消光比≥5000/1，360°连续旋转调节。

18、与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明可通过固定光路保证测试不受光源影响，实现不同波段样品测试，通过控温系统对样品进行变温测试，实现不同温度下法拉第旋转角的测试；通过伺服单元控制样品测试腔体位置，实现样品法拉第旋转率分布状态测试，提高产品检测工程化能力。