[发明专利]基于激光回馈的光学元件微小位相延迟测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于激光回馈的光学元件微小位相延迟测量装置，属于激光测量技术领域。

背景技术

有很多因素可以使光学元件产生位相各向异性，如：残余应力、双折射、激光增益和薄膜的非均匀性等。目前，国内外高精度的光学元件位相延迟测量方法有许多，但大都是以测量四分之一波片为主，没有专门用于测量光学元件微小位相延迟方法和装置。目前，比较典型的波片测量方法有以下几种。

1、旋转消光法

一个标准1/4波片的快轴与起偏器的偏振方向成45°角，被测1/4波片的快轴与起偏器的偏振光方向相同。HeNe激光器出射的激光经起偏器后成为一束线偏振光，再分别通过待测波片和标准波片后，又成为一线偏振光。旋转检偏器，可以找到一个消光位置。这时检偏器的偏振方向与起偏器的偏振方向夹角的两倍就是波片位的相差。这就是旋转消光法测量四分之一波片位相差的基本原理，其中消光位置的判别决定了波片位相差的测量精度。目测消光位置的方法可以使波片测量精度达到3°-5°，若使用半影检偏器检测可以使波片的测量精度提高到1°左右。若想进一步提高精度，需要高精度的测角仪来进行角度的测量，但这使测量设备的体积和成本都很大，增加了系统的复杂性。

2、电光调制法

电光调制法的基本原理与旋转消光法相同，但是采用了KD*P电光晶体，以电光调制检测法来判断消光位置，提高了判断消光位置的精度，最终光学元件位相差的测量精度可以达到0.5°左右。

3、磁光调制法

磁光调制法本质上也是旋转消光法，只是判断消光位置时采用了磁光调制的方法。由于磁光调制法可以精确判断消光位置，判断精度可以达到1″，所以光学元件位相差的测量精度理论上可以达到10″。实际上由于稳定性和调节精度等原因，测量重复性可以达到约0.1°。这种方法结构较复杂，需要专门的温度稳定机构，调整的工序多、要求高，调整的精度对测量结果影响很大，所以实际应用时会受到很多限制。

4、旋转检偏器法

让单色光源通过起偏器成为线偏振光，再通过待测光学元件(快轴与起偏器轴成45°)和一个以光路为轴旋转的检偏器进入高灵敏度的光电探测器。如果待测光学元件具有准确的λ/4延迟，则透射光应为圆偏振光，透过旋转检偏器的光强信号始终不变。如果延迟偏离了λ/4，则透射光将成为椭圆偏振光，光强信号也成为一个振荡信号，其振幅和平均光强由椭圆偏振光的椭圆率决定。测量出透射的平均光强和光强振荡变化幅度，就可以计算出光学元件位相差。这种方法的精度一般可以达到1°左右。

5、光学外差干涉法

纵向塞曼激光器输出一束包含左旋、右旋具有微小频差的两种圆偏振光，通过待测四分之一波片和偏振片(波片快轴与偏振片偏振方向成45°角)后，在偏振片的偏振方向上形成干涉，然后由光电探测器接收。探测器的输出与入射光的光强成正比，因此外差干涉信号带有被测波片的位相差信息。通过测量外差信号交流量的幅度，就可以确定波片的相位延迟量。这种方法的测量精度受限于被测波片和偏振片方向的调整误差和电压测量精度，一般为0.2°-0.3°。

6、激光频率分裂测量法

基于激光频率分裂技术的光学元件位相延迟测量是将光学元件放入激光腔内，由于双折射效应，激光的一个模式将被分裂为两个正交的偏振分量。这两个偏振分量之间的频差与光学元件的位相差成正比，所以，通过测量频差就可以得到光学元件的位相延迟。这种方法的测量精度很高，可以达到0.05°，理论上可以测量任意位相延迟的光学元件，并且可以溯源到光波长。但不足的是，但当腔内位相各向异性的值较小时，由于强模竞争，激光模式将不能分裂成两个同时振荡的频率，即同一时刻只有一种偏振态保持振荡而另一个偏振态被抑制，此时将无法测量频差。因此，激光频率分裂技术无法实现光学元件微小位相各向异性的测量。

从上面的分析我们可以看出，虽然目前国内外关于光学元件位相延迟的测量方法较多，但这些方法的测量设备较为复杂，对方向角调整的要求较高。绝大多数需要精确的角度测量，而高精度的测角仪体积很大，成本也很高，另外还有的设备需要高精度的标准四分之一波片。这就增加了测量系统的复杂性，由于测量环节引入了较多的仪器误差和方位调整误差，使测量精度的进一步提高受到了限制，并且，大都不具备光学元件微小位相延迟的测量。

发明内容