Z扫描光学偏振度测量装置和测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种Z扫描光学偏振度测量装置和测量方法，属于光学传感器研宄领 域，本技术可用于设计光学电流传感器的结构。
【背景技术】
[0002] 光学电流传感器具有绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、造价低、动态测量范围大、 暂态响应范围大、测量精度高、频率响应范围宽、不存在磁饱和、无铁磁谐振、体积小、重量 轻等优良性能，是智能电网中理想的电流检测设备。而光学电流传感器可以通过检测入射 偏振光法拉第旋转角度变化来间接实现电流的检测。优化设计光学电流传感器结构有利于 提高传感器的性能、并降低研制成本。激光Z扫描技术最先是由SheikBahae等人提出来的， Z扫描技术因其灵敏度高，实验设备构造简单，数据处理简单方便而被广泛应用于光学传 感器结构设计。
[0003] 目前，优化光学电流传感器结构只局限于改变光源参数或传感材料的类型，未完 全涉及到利用偏振度来设计光路结构。通过Z扫描技术来测量激光偏振度与样片Z轴位置 之间关系，有利于优化设计光学电流传感器结构。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了优化设计传感器结构而进行的，目的在于提供一种Z扫描光学偏振 度测量装置和测量方法，该装置可以测一种波段的激光或者两种波段合成光透过敏感材料 偏振度，同时该装置可以同时检测两个或更多的样片。
[0005] 本发明的技术解决方案如下：
[0006] 一方面，本发明提供了一种用于Z扫描的光学偏振度测量装置，其特征在于，其构 成包括：光源单元，该光源单元包括第一激光器、第二激光器和信号发生器，其能够产生不 同波段的激光；二向色分束器，其能够为从光源单元入射的不同波段的入射光提供不同的 分束比；薄膜样片测试单元，该薄膜样片测试单元包括第一非偏振分束器和第二非偏振分 束器以及第一样片控制台和第二样片控制台，其中第一非偏振分束器和第二非偏振分束器 分别与第一样片控制台和第二样片控制台连接，第一样片控制台和第二样片控制台分别连 接到第二聚焦透镜和第一探测头以及第三聚焦透镜和第探二测头，所述第一样片控制台包 括第一夹具、第一样片和第一控制平台，第二样片控制台包括第二夹具、第二样片和第二控 制平台，来自二向色分束器的光进入第一非偏振分束器而分为两束光，透射的光进入第一 样片，反射的光进入第二非偏振分束器；以及偏振仪，其中，第一非偏振分束器和第二非偏 振分束器将光束一分为二，其中分出来的两束光偏振度相同，其中，由光源单元产生的激光 经由主光路到达薄膜样片测试单元，通过所述薄膜样片测试单元的光利用偏振仪并借助计 算机而在软件界面上显示以计算出样片对光的偏振度。
[0007] 进一步地，第一激光器输出激光的主光路、第二激光器和第一激光器同时输出激 光的主光路，沿所述的第一激光器输出激光的主光轴方向上依次具有第一光纤、第一准直 器、二向色分束器、第一聚焦透镜、薄膜样片测试单元、第四聚焦透镜、第三探测头、偏振仪 和计算机；所述的第二激光器和第一激光器同时输出激光的光路上具有第二激光器、第二 光纤和第一准直器，来自第一准直器的光入射到二向色分束器，其后续光路与第一激光器 输出激光的主光路相同。
[0008] 进一步地，第一样片和第二样片分别固定在第一控制平台和第二控制平台，控制 平台由计算机控制，在计算机的控制下，样片能够在平行于光路的平台Z轴移动。
[0009] 进一步地，连接激光器与准直器的分别是第一光纤和第二光纤，两者均是保偏光 纤。
[0010] 进一步地，准直器与的内部包含凸透镜，以将激光变成平行光，从而使光最大效率 的输出。
[0011] 进一步地，利用非偏振分束器分出来的光作为参考光，即第四聚焦透镜和第三探 测头构成了测量参考光偏振度的一个模块单元。
[0012] 进一步地，探测头即第一探测头、第二探测头、第三探测头与偏振仪中的对应读出 卡构成了自由空间偏振检测。
[0013] 另一方面，本发明提供一种根据上述的一种用于Z扫描的光学偏振度测量装置进 行Z扫描光学偏振度测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：调整光路阶段，该调 整光路阶段主要包括：启动信号发生器；打开第一激光器；调整二向色分束器使之与光路 成一定角度；调整第一非偏振分束器和第二非偏振分束器与光路成一定角度；将第一样片 和第二样片分别放在第一夹具和第二夹具内，并将夹具放在控制平台的中心位置；Z扫描 阶段，该阶段包括：调整信号发生器的脉冲参数，打开第二激光器，使两个激光器发射不同 波段的激光；上述不同波段的激光经过二向色分束器，两束光合成一束光；沿光路经过第 一聚焦透镜，进入第一非偏振分束器，分出两束光，透射的光进入第一样片，经过第二聚焦 透镜到达第一探测头，反射的光进入第二非偏振分束器；以及测试计算阶段，测试计算阶段 包括：将载有第一样片的第一夹具移到-Z轴上的某一点；载有第二样片的第二夹具移到-z 轴上的与第一样片相同一点；控制第一控制平台、第二控制平台同时同速率向+Z轴移动； 利用偏振仪与计算机在软件界面上显示所得到的数据，能够得出在Z扫描的方式下的材料 对光的偏振度的影响。
[0014] 进一步地，使二向色分束器与光路成45°的角度，使第一非偏振分束器和第二非 偏振分束器与光路成分别成45°的角度。
[0015] 进一步地，该方法还包括以下步骤：调节第一聚焦透镜，使激光聚焦于样片上，同 时调节第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜，使激光聚焦于第一探测头、第二探测 头、第三探测头的接受端；以及光经由第二非偏振分束器分出两束光，反射的光进入第二样 片，第三聚焦透镜到达第二探测头，透射的光经过第四聚焦透镜到达第三探测头。
[0016] Z扫描光学偏振度测量装置的结构主要包括第一激光器，第二激光器，主光路上 的元件即第一光纤、第一准直器、二向色分束器、第一聚焦透镜、薄膜样片测试单元、第四聚 焦透镜、第三探测头、偏振仪、计算机；其中薄膜样片测试单元包括第一非偏振分束器、第一 夹具、第一样片、第二聚焦透镜、第一探测头、第一控制平台、第二非偏振分束器、第一夹具、 第二样片、第三聚焦透镜、第三探测头、第二控制平台；第一激光器、第二激光器与信号发生 器构成此设计装置的光源；通过调节信号发生器的入射激光脉冲参数即脉冲宽度与重复频 率，产生不同的激光；通过打开第一激光器或第二激光器来选择单一光或合成光；保偏光 纤连接激光器与准直器；保偏光纤保证线偏振方向不变，准直器是尾纤与自聚焦透镜精确 定位而成，将光纤里的传输光转变为准直光；二向色分束器主要为不同波段的入射光提供 不同的分束比，可以用来合成或者分立不同颜色的激光光束；此装置主要利用此特性进行 单一波段的光和两个波段的合成光的检测；所述的装置中的非偏振分束器，将激光分为两 束，即透射光与反射光，两者各占功率的50%;其特征在于：非偏振分束器只改变光功率，并 不改变偏振度DOP中。
[0017] 在本发明的Z扫描光学偏振度测量装置中，具有这样的特征，包括：在光路中增加 非偏振分束器，达到测量经过多个样片的激光的偏振度；借助非偏振分束器的应用，可以将 其中一束激光作为参考激光，可以直接测量其DOP，从而进行参照比较。
[0018] 所述的装置中的控制平台固定部分上刻有-Z到+Z的度数，（Z的数量取