激光回馈波片测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光测量技术领域，其特征是利用６３２．８ｎｍ的Ｈｅ－Ｎｅ激光器与外部反射镜构成的激光回馈系统来测量波片的位相延迟。被测波片安放在回馈外腔中，当回馈镜沿激光轴线左右移动时，激光的偏振态将在两个正交的方向跳变。偏振跳变的位置与被测波片的位相差有关，在一个激光强度调制周期中，两个偏振态的占空比与被测波片的位相延迟具有线性关系，根据这一原理可以实现波片位相延迟的测量。激光回馈波片测量方法及其实现装置具有结构简单、装配调整容易、测量精度高、成本低的特点。适用于实时与在线式测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光测量

技术介绍
波片作为位相延迟器，在与偏振光有关的光学系统中有着广泛的应用，如外差激光干涉仪，偏振光干涉系统，偏光显微镜、椭偏仪、光隔离器、窄带光滤波器、可调光衰减器、光盘驱动器光拾取头等等，其中以具有π/2位相差的四分之一波片最为常用。作为光学系统的重要组成元件，波片自身位相延迟量的精度会影响整个系统的效果或测量精度。因此波片位相差的精确测量是非常重要的。在很多光学系统中，需要准确知道波片的位相差，这就要求有高精度的测量方法。目前，国内外高精度的波片测量方法有许多，以测量四分之一波片为主，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，最终波片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″，所以波片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，再通过待测波片(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。如果待测波片具有准确的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，就可以计算出波片位相差。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波片位相延迟测量是将波片放入激光腔内，由于波片的双折射效应，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波片的位相差成正比，所以，通过测量频差就可以得到波片的位相延迟。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波片，并且可以溯源到光波长。但不足的是，被测波片的两个表面需要镀增透膜，由于被测波片是放置在激光内腔，所以受激光器本身温度的影响较大。从上面的分析我们可以看出，虽然目前国内外关于波片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。
技术实现思路
本专利技术利用双折射外腔回馈可以导致激光偏振跳变的基本原理，提出了一种新的波片测量方法，并构建了测量系统。在波片外腔回馈条件下，两个偏振态在一个激光强度调制周期内的占空比与外腔波片的位相差具有线性关系，并且当波片的位相差等于π/2时，即四分之一波片，两个本征态在一个激光强度调制周期中的占空比相等，激光输出强度曲线类似于正弦波的全波整流，两个偏振光的强度平等转移。通过测量两个偏振态在一个激光强度调制周期内的占空比就可以高精度地确定外腔双折射元件的位相差。由于激光回馈系统具有结构简单、使用方便的特性，且被测波片位于激光器外，所以，该测量系统不但可以实现波片的高精度测量，同时还可以作为在线式波片测量系统，实时检测波片的位相差。本专利技术的特征在于，所述的基于激光回馈的波片测量装置含有A半内腔式的632.8nm的He-Ne激光器，所述的He-Ne激光器含有增益管10，内有He、Ne混合气体，气压比例为7∶1；增透窗片11，所述的增透窗片11固定在所述增益管10的一端；谐振腔，所述的谐振腔包括第一内腔反射镜8，所述的第一内腔反射镜8固定在所述增益管10的另一端；第二内腔反射镜12，位于上述增透窗片11的另一端；压电陶瓷13，固定在上述第二内腔反射镜12上，在输入电压作用下，所述的压电陶瓷13推动上述第二内腔反射镜12沿激光轴线方向左、右移动，改变激光的频率；B激光回馈外腔，所述的激光回馈外腔包括激光回馈外腔反射镜4，固定在所述第一内腔反射镜8的一侧，与所述第一内腔反射镜8有一定的距离；被测波片6，安放在上述激光回馈外腔反射镜4与所述第一内腔反射镜8之间；另一个压电陶瓷3，固定在上述激光回馈外腔反射镜4上，在输入电压作用下，它推动上述激光回馈外腔反射镜4沿激光轴线方向左、右移动；所述的激光回馈外腔反射镜4、被测波片6、压电陶瓷3以及所述的He-Ne激光器中第一内腔反射镜8共同构成所述的激光回馈外腔；C测量电路，所述的测量电路包括分光镜15，位于上述第二内腔反射镜12的一侧，靠近上述第二内腔反射镜12；第一光电探测器14，测量经上述分光镜15反射后的激光输出的光强；偏振片16，它位于上述分光镜15之后，将两正交偏振光的强度进行不同的衰减；第二光电探测器17，位于上述偏振片16之后，探测通过偏振片后的激光光强；所述He-Ne激光器的石英外壳9、第一光电探测器14、第二光电探测器17固定在各自的支架上，被测波片6固定在三维波片架5上，压电陶瓷3固定在二维调节架2上，所述各个支架、三维波片架5、二维调节架2各自固定在装在罩子1内的平台18上；D数据处理系统，该数据处理系统包括 模/数转换器，输入信号分别为第一光电探测器14和第二光电探测器17输出的激光强度信号；数/模转换器，该数/模转换器的输出与所述的压电陶瓷3、13的输入端相连；计算机与所述的模/数转换器的输出端、数/模转换器的输入端相连。由实验结果与理论分析可知，只要测量出两个偏振态在一个激光强度调制周期的占空比，就可以得到被测波片的位相延迟。测波片的位相延迟的测量由数据处理系统自动本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于激光回馈的波片测量装置，其特征在于，所述的基于激光回馈的波片测量装置含有：Ａ：半内腔式的６３２．８ｎｍ的Ｈｅ－Ｎｅ激光器，所述的Ｈｅ－Ｎｅ激光器含有：增益管１０，内有Ｈｅ、Ｎｅ混合气体，气压比例为７∶１；增透窗片 １１，所述的增透窗片１１固定在所述增益管１０的一端；谐振腔，所述的谐振腔包括：第一内腔反射镜８，所述的第一内腔反射镜８固定在所述增益管１０的另一端；第二内腔反射镜１２，位于上述增透窗片１１的另一端；压电陶瓷１ ３，固定在上述第二内腔反射镜１２上，在输入电压作用下，所述的压电陶瓷１３推动上述第二内腔反射镜１２沿激光轴线方向左、右移动，改变激光的频率；Ｂ：激光回馈外腔，所述的激光回馈外腔包括：激光回馈外腔反射镜４，固定在所述第一内腔反 射镜８的一侧，与所述第一内腔反射镜８有一定的距离；被测波片６，安放在上述激光回馈外腔反射镜４与所述第一内腔反射镜８之间；另一个压电陶瓷３，固定在上述激光回馈外腔反射镜４上，在输入电压作用下，它推动上述激光回馈外腔反射镜４沿激 光轴线方向左、右移动；所述的激光回馈外腔反射镜４、被测波片６、压电陶瓷３以及所述的Ｈｅ－Ｎｅ激光器中第一内腔反射镜８共同构成所述的激光回馈外腔；Ｃ：测量电路，所述的测量电路包括：分光镜１５，位于上述第二内腔反射镜１２ 的一侧，靠近上述第二内腔反射镜１２；第一光电探测器１４，测量经上述分光镜１５反射后的激光输出的光强；偏振片１６，它位于上述分光镜１５之后，将两正交偏振光的强度进行不同的衰减；第二光电探测器１７，位于上述偏振片１６之后 ，探测通过偏振片后的激光光强；所述Ｈｅ－Ｎｅ激光器的石英外壳９、第一光电探测器１４、第二光电探测器１７固定在各自的支架上，被测波片６固定在三维波片架５上，压电陶瓷３固定在二维调节架２上，所述各个支架、三维波片架５、二维调节架２各自固 定在装在罩子１内的平台１８上；Ｄ：数据处理系统，该数据处理系统包括：模／数转换器，输入信号分别为第一光电探测器１４和第二光电探测器１７输出的激光强度信号；数／模转换器，该数／模转换器的输出与所述的压电陶瓷３、１３的输 入端相连；计算机与所述的模／数转换器的输出端、数／模转换器的输入端相连。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张书练，费立刚，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]