【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学检测领域，尤其涉及一种光弹调制式高灵敏的方位角椭圆率同时测量装置及方法。
技术介绍
1、偏振光与光学介质相互作用可以导致偏振参数变化，偏振参数变化量反映了介质的特性。因此，可以利用测量方位角、椭圆率等偏振参数实现光学介质性质的测量。
2、例如，在原子磁强计中，利用偏振光与原子系综的相互作用测量磁场，偏振光方位角反映了原子自旋进动信号大小，偏振光椭圆率反映了光抽运率、光吸收率等重要参数，需要高灵敏的测量方位角和椭圆率以反应偏振光与原子系综的相互作用强度。由此可见，方位角和椭圆率的测量具有重要意义。
3、利用偏振分析仪等设备可以实现方位角和椭圆率同时测量，但其测量精度和灵敏度较低。其中旋转分析椭偏仪光学配置简单，但当椭圆率接近0度时测量误差较大；旋转补偿椭偏仪机械旋转分析仪和补偿器的频率较低，限制了测量速率，且机械旋转引起的系统不稳定性和光束漂移也难以消除。利用多个光弹调制器可实现方位角和椭圆率的全量程实时测量，但其所需直流分量受低频技术噪声影响较大，导致测量灵敏度较低；另外测量系统和测量过程复杂，成本较高。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是实现一种光弹调制式的方位角椭圆率同时测量装置及方法，能够利用光学元件细调、调制差分复合光路等技术方案实现测量精度和测量灵敏度的提高。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种高灵敏的方位角椭圆率同时测量装置，装置具有射出激光束的激光器，沿着激光束的光路依次设有线偏振
3、具有相位延迟特性的光弹调制器设置在于半波片和偏振分光棱镜之间，所述光弹调制器分别将待测方位角和椭圆率调制到不同频段，用于椭圆率和方位角信息的同时检测，所述光弹调制器经光弹调制器控制器连接锁相放大器，所述光弹调制器控制器用于设置光弹调制器调制频率，以及用于为锁相放大器提供参考频率。
4、所述线偏振光产生模块由起偏器和四分之一波片沿着激光束方向依次布置，所述线偏振光产生模块和待测样品相互作用将激光束变为椭圆偏振光；所述偏振分光棱镜分出的激光束，一路直接射入第一通道，另一路通过反射镜反射后射入第二通道。
5、所述四分之一波片的快轴与起偏器的透光轴夹角为0°，所述半波片的快轴与起偏器的透光轴夹角为22.5°，所述光弹调制器的快轴与起偏器的透光轴夹角为45°。
6、一种高灵敏的方位角椭圆率同时测量方法，包括以下步骤：
7、步骤1、遮挡反射镜的反射光，旋转起偏器至平衡光探测器输出为极小值；
8、步骤2、将锁相放大器的参考频率设置为光弹调制器的调制频率，使锁相放大器仅输出由平衡光探测器输入电压信号中的一倍频和二倍频；
9、步骤3、未放置待测样品时，改变四分之一波片快轴方向，记录锁相放大器输出的一倍频电压u1、四分之一波片快轴与起偏器透光轴夹角βqwp，u1-βqwp拟合直线斜率的二分之一，获得k1；
10、步骤4、未放置待测样品时，改变半波片快轴方向，记录锁相放大器输出的一倍频电压u1、二倍频电压u2、半波片快轴与起偏器透光轴夹角βhwp，拟合得到的u1-βhwp、u2-βhwp正弦曲线的幅值，分别获得k2、k4；
11、步骤5、完成未放置待测样品状态下的k1、k2、k3和k4的标定，其中k3＝–k2k4/k1；
12、步骤6、放置待测样品时，使四分之一波片快轴与起偏器透光轴夹角βqwp在-14°到14°范围变化，此时sin(βqwp)近似为βqwp，椭圆率ε随βqwp线性变化，u1也随βqwp线性变化，u1-βqwp拟合直线斜率的二分之一，获得k1；
13、步骤7、放置待测样品时，旋转半波片，并在不改变椭圆率ε的前提下使方位角α线性变化，此时锁相放大器输出的一倍频电压u1、二倍频电压u2均正弦变化，拟合得到的u1-βhwp、u2-βhwpp的正弦曲线的幅值，分别获得k2、k4；
14、步骤8、完成放置待测样品状态下的k1、k2、k3和k4的标定，其中k3＝–k2k4/k1；
15、步骤9、分别记录放置待测样品前后锁相放大器输出的一倍频电压u1和二倍频电压u2，由δα＝α后–α前、δε＝ε后–ε前解算出由待测样品引起的方位角和椭圆率。
16、设经过所述待测样品后得到方位角为α，椭圆率为ε的椭圆偏振光，则该椭圆偏振光的琼斯矢量e0可以表示为：
17、
18、所述半波片的琼斯矩阵ghwp可以表示为：
19、
20、其中，θhwp为半波片的安装误差角。
21、所述光弹调制器的相位延迟量可以表示为：
22、δ(t)＝δ0sinωt+δs
23、其中，δ0为所述光弹调制器的峰值相位延迟量，ω为所述光弹调制器调制频率，δs为所述光弹调制器的静态相位延迟量，故所述光弹调制器琼斯矩阵gpem可以表示为：
24、
25、其中，θpem为所述光弹调制器的安装误差角，所述光弹调制器出射光的琼斯矢量可以表示为e＝gpemghwp e0，则所述平衡光探测器接收到的两束光光强差为：
26、
27、其中，*表示复数共轭；
28、最终，所述锁相放大器输出的一倍频u1和二倍频u2为：
29、u1＝-2ηj1(δ0)e02cos(2θpem)[cosδssin(2ε)+sinδssin(2α+4θhwp+2θpem)cos(2ε)]
30、u2＝-2ηj2(δ0)e02cos(2θpem)[sinδssin(2ε)-cosδssin(2α+4θhwp+2θpem)cos(2ε)]
31、其中，η是与所述平衡光探测器及所述锁相放大器放大量相关的系数，
32、j1(δ0)和j2(δ0)是一阶、二阶贝塞尔函数。
33、所述半波片、所述光弹调制器的安装误差角θhwp、θpem均以线性叠加的形式耦合至方位角α中，则方位角误差α0＝2θhwp+θpem，且cos(2θpem)会作为比例系数耦合至u1和u2中；
34、所述锁相放大器输出的一倍频u1和二倍频u2可以表示为：
35、u1＝k1sin(2ε)+k2sin[2(α+α0)]cos(2ε)
36、u2＝k3sin(2ε)+k4sin[2(α+α0)]cos(2ε)
37、其中，k1比k2大一个量级，k4比k3大一个量级，且k3＝–k2k4/k1。
38、完成放置待测样品前后k1、k2、k3和k4的标定，再分别记录放置所述待测样品前后所述锁相放大器输出的一倍频电压和二倍频电压，分布获得u1前、u2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高灵敏的方位角椭圆率同时测量装置，装置具有射出激光束的激光器，其特征在于：沿着激光束的光路依次设有线偏振光产生模块、待测样品、半波片和偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜将激光束一分为二均射入平衡光探测器的第一通道和第二通道并完成差分，所述平衡光探测器将两个通道产生的差分信号经锁相放大器解调后输送至计算机，用于获取方位角和椭圆率测量结果。
2.根据权利要求1所述高灵敏的方位角椭圆率同时测量装置，其特征在于：具有相位延迟特性的光弹调制器设置在于半波片和偏振分光棱镜之间，所述光弹调制器分别将待测方位角和椭圆率调制到不同频段，用于椭圆率和方位角信息的同时检测，所述光弹调制器经光弹调制器控制器连接锁相放大器，所述光弹调制器控制器用于设置光弹调制器调制频率，以及用于为锁相放大器提供参考频率。
3.根据权利要求2所述高灵敏的方位角椭圆率同时测量装置，其特征在于：所述线偏振光产生模块由起偏器和四分之一波片沿着激光束方向依次布置，所述线偏振光产生模块和待测样品相互作用将激光束变为椭圆偏振光；所述偏振分光棱镜分出的激光束，一路直接射入第一通道，另一路通过反射镜反射后射入第
4.根据权利要求1、2或3所述高灵敏的方位角椭圆率同时测量装置，其特征在于：所述四分之一波片的快轴与起偏器的透光轴夹角为0°，所述半波片的快轴与起偏器的透光轴夹角为22.5°，所述光弹调制器的快轴与起偏器的透光轴夹角为45°。
5.一种高灵敏的方位角椭圆率同时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述高灵敏的方位角椭圆率同时测量方法，其特征在于：设经过所述待测样品后得到方位角为α，椭圆率为ε的椭圆偏振光，则该椭圆偏振光的琼斯矢量E0可以表示为：
7.根据权利要求6所述高灵敏的方位角椭圆率同时测量方法，其特征在于：所述光弹调制器的相位延迟量可以表示为：
8.根据权利要求7所述高灵敏的方位角椭圆率同时测量方法，其特征在于：所述半波片、所述光弹调制器的安装误差角θHWP、θPEM均以线性叠加的形式耦合至方位角α中，则方位角误差α0＝2θHWP+θPEM，且cos(2θPEM)会作为比例系数耦合至U1和U2中；
9.根据权利要求8所述高灵敏的方位角椭圆率同时测量方法，其特征在于：完成放置待测样品前后k1、k2、k3和k4的标定，再分别记录放置所述待测样品前后所述锁相放大器输出的一倍频电压和二倍频电压，分布获得U1前、U2前和U1后、U2后，则待测样品前的方位角α前和椭圆率ε前为：
...【技术特征摘要】
1.一种高灵敏的方位角椭圆率同时测量装置，装置具有射出激光束的激光器，其特征在于：沿着激光束的光路依次设有线偏振光产生模块、待测样品、半波片和偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜将激光束一分为二均射入平衡光探测器的第一通道和第二通道并完成差分，所述平衡光探测器将两个通道产生的差分信号经锁相放大器解调后输送至计算机，用于获取方位角和椭圆率测量结果。
2.根据权利要求1所述高灵敏的方位角椭圆率同时测量装置，其特征在于：具有相位延迟特性的光弹调制器设置在于半波片和偏振分光棱镜之间，所述光弹调制器分别将待测方位角和椭圆率调制到不同频段，用于椭圆率和方位角信息的同时检测，所述光弹调制器经光弹调制器控制器连接锁相放大器，所述光弹调制器控制器用于设置光弹调制器调制频率，以及用于为锁相放大器提供参考频率。
3.根据权利要求2所述高灵敏的方位角椭圆率同时测量装置，其特征在于：所述线偏振光产生模块由起偏器和四分之一波片沿着激光束方向依次布置，所述线偏振光产生模块和待测样品相互作用将激光束变为椭圆偏振光；所述偏振分光棱镜分出的激光束，一路直接射入第一通道，另一路通过反射镜反射后射入第二通道。
4.根据权利要求1、2或3所述高灵敏的方位角椭圆率同时测量装置，其特征在于：...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩亚帅，邢博铮，郭强，卢红涛，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：
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