專利名稱：基于激光回饋的光學元件微小位相延遲測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于激光回饋的光學元件微小位相延遲測量裝置，屬于激光測量技術領域。
背景技術：
有很多因素可以使光學元件產(chǎn)生位相各向異性，如殘余應力、雙折射、激光增益和薄膜 的非均勻性等。目前，國內(nèi)外高精度的光學元件位相延遲測量方法有許多，但大都是以測量 四分之一波片為主，沒有專門用于測量光學元件微小位相延遲方法和裝置。目前，比較典型 的波片測量方法有以下幾種。 1、旋轉(zhuǎn)消光法
一個標準1/4波片的快軸與起偏器的偏振方向成45°角，被測1/4波片的快軸與起偏器的 偏振光方向相同。HeNe激光器出射的激光經(jīng)起偏器后成為一束線偏振光，再分別通過待測波 片和標準波片后，又成為一線偏振光。旋轉(zhuǎn)檢偏器，可以找到一個消光位置。這時檢偏器的 偏振方向與起偏器的偏振方向夾角的兩倍就是波片位的相差。這就是旋轉(zhuǎn)消光法測量四分之 一波片位相差的基本原理，其中消光位置的判別決定了波片位相差的測量精度。目測消光位 置的方法可以使波片測量精度達到3°-5°，若使用半影檢偏器檢測可以使波片的測量精度提高 到1°左右。若想進一步提高精度，需要高精度的測角儀來進行角度的測量，但這使測量設備 的體積和成本都很大，增加了系統(tǒng)的復雜性。
2、 電光調(diào)制法
電光調(diào)制法的基本原理與旋轉(zhuǎn)消光法相同，但是采用了KX^P電光晶體，以電光調(diào)制檢測 法來判斷消光位置，提高了判斷消光位置的精度，最終光學元件位相差的測量精度可以達到 0.5°左右。
3、 磁光調(diào)制法
磁光調(diào)制法本質(zhì)上也是旋轉(zhuǎn)消光法，只是判斷消光位置時釆用了磁光調(diào)制的方法。由于磁 光調(diào)制法可以精確判斷消光位置，判斷精度可以達到l'，所以光學元件位相差的測量精度理 論上可以達到10"。實際上由于穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)精度等原因，測量重復性可以達到約0.1。。這種 方法結構較復雜，需要專門的溫度穩(wěn)定機構，調(diào)整的工序多、要求高，調(diào)整的精度對測量結 果影響很大，所以實際應用時會受到很多限制。4、 旋轉(zhuǎn)檢偏器法
讓單色光源通過起偏器成為線偏振光，再通過待測光學元件(快軸與起偏器軸成45°)和 一個以光路為軸旋轉(zhuǎn)的檢偏器進入高靈敏度的光電探測器。如果待測光學元件具有準確的入/4 延遲，則透射光應為圓偏振光，透過旋轉(zhuǎn)檢偏器的光強信號始終不變。如果延遲偏離了入/4, 則透射光將成為橢圓偏振光，光強信號也成為一個振蕩信號，其振幅和平均光強由橢圓偏振 光的橢圓率決定。測量出透射的平均光強和光強振蕩變化幅度，就可以計算出光學元件位相 差。這種方法的精度一般可以達到r左右。
5、 光學外差千涉法
縱向塞曼激光器輸出一束包含左旋、右旋具有微小頻差的兩種圓偏振光，通過待測四分之 一波片和偏振片(波片快軸與偏振片偏振方向成45。角)后，在偏振片的偏振方向上形成干涉， 然后由光電探測器接收。探測器的輸出與入射光的光強成正比，因此外差干涉信號帶有被測 波片的位相差信息。通過測量外差信號交流量的幅度，就可以確定波片的相位延遲量。這種 方法的測量精度受限于被測波片和偏振片方向的調(diào)整誤差和電壓測量精度， 一般為0.2°-0.3°。
6、 激光頻率分裂測量法
基于激光頻率分裂技術的光學元件位相延遲測量是將光學元件放入激光腔內(nèi)，由于雙折射 效應，激光的一個模式將被分裂為兩個正交的偏振分量。這兩個偏振分量之間的頻差與光學 元件的位相差成正比，所以，通過測量頻差就可以得到光學元件的位相延遲。這種方法的測 量精度很高，可以達到0.05。，理論上可以測量任意位相延遲的光學元件，并且可以溯源到光 波長。但不足的是，但當腔內(nèi)位相各向異性的值較小時，由于強模競爭，激光模式將不能分 裂成兩個同時振蕩的頻率，即同一時刻只有一種偏振態(tài)保持振蕩而另一個偏振態(tài)被抑制，此 時將無法測量頻差。因此，激光頻率分裂技術無法實現(xiàn)光學元件微小位相各向異性的測量。
從上面的分析我們可以看出，雖然目前國內(nèi)外關于光學元件位相延遲的測量方法較多，但 這些方法的測量設備較為復雜，對方向角調(diào)整的要求較高。絕大多數(shù)需要精確的角度測量， 而高精度的測角儀體積很大，成本也很高，另外還有的設備需要高精度的標準四分之一波片。 這就增加了測量系統(tǒng)的復雜性，由于測量環(huán)節(jié)引入了較多的儀器誤差和方位調(diào)整誤差，使測 量精度的進一步提高受到了限制，并且，大都不具備光學元件微小位相延遲的測量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用雙折射外腔回饋可以導致激光偏振跳變的基本原理，提出了一種新的光學元件 微小位相延遲的測量方法，并構建了測量系統(tǒng)。在雙折射外腔回饋條件下，激光模式在兩個 本證態(tài)之間跳變，伴隨著偏振跳變，激光模式兩個本征態(tài)的頻率是不同的，并且它們之間的 頻差與激光內(nèi)腔的位相延遲的大小有關。雖然兩個本征態(tài)不能同時振蕩，但如果能使它們的
4持續(xù)時間大于人眼的視覺暫留時間，它們將類似于同時出現(xiàn)在示波器上，這樣就可以直接測 量它們之間的頻差。當回饋外腔雙折射元件的位相差等于兀/2時，兩個偏振態(tài)具有相同的持續(xù) 時間。為此，我們采用四分之一波片回饋使激光產(chǎn)生偏振跳變，并調(diào)節(jié)外腔的掃描頻率，使 兩個偏振態(tài)同時出現(xiàn)在示波器上，這樣就可以通過測量頻差來實現(xiàn)激光腔內(nèi)微小位相延遲的 測量。該發(fā)明解決了激光腔內(nèi)位相延遲較小時，由于強烈的模競爭使激光模式無法分裂和測 量的難題。
本發(fā)明的特征在于，所述的基于激光回饋的波片測量裝置含有-A:半內(nèi)腔式的632.8nm的He-Ne激光器，所述的He-Ne激光器含有 增益管8，內(nèi)有He、 Ne混合氣體，氣壓比例為7:1; 增透窗片9，所述的增透窗片9固定在所述增益管8的一端； 諧振腔，所述的諧振腔包括 第一內(nèi)腔反射鏡6，所述的第一內(nèi)腔反射鏡6固定在所述增益管8的另一端； 第二內(nèi)腔反射鏡ll，位于上述增透窗片9的另一端；
第一個壓電陶瓷31，固定在上述第二內(nèi)腔反射鏡ll上，在輸入電壓作用下，所述的壓 電陶瓷12推動上述第二內(nèi)腔反射鏡11沿激光軸線方向左、右移動，改變激光的頻率；
被測光學元件10，安放在上述增透窗片9與所述第二內(nèi)腔反射鏡11之間；
B:激光回饋外腔，所述的激光回饋外腔包括
激光回饋外腔反射鏡4，固定在所述第一內(nèi)腔反射鏡6的另一側，與所述第一內(nèi)腔反射
鏡6有一個間隔；
四分之一波片5，安放在上述激光回饋外腔反射鏡4與所述第一內(nèi)腔反射鏡6之間；
第二個壓電陶瓷32，固定在上述激光回饋外腔反射鏡4上，在輸入電壓作用下，它推動 上述激光回饋外腔反射鏡4沿激光軸線方向左、右移動；
所述的激光回饋外腔反射鏡4、波片6、第二個壓電陶瓷32以及所述的He-Ne激光器中 第一內(nèi)腔反射鏡6共同構成所述的激光回饋外腔； C:測量系統(tǒng)，所述的測量系統(tǒng)包括
掃描干涉儀，位于上述第二內(nèi)腔反射鏡ll的外側，靠近上述第二內(nèi)腔反射鏡ll;
示波器，與上述掃描干涉儀相連，觀測激光模式，并測量激光偏振跳變時兩個正交偏振
態(tài)的頻差；
所述He-Ne激光器的石英外殼7、被測光學元件10、四分之一波片5固定在各自的支架上，第二個壓電陶瓷32固定在二維調(diào)節(jié)架2上，所述各個支架、二維調(diào)節(jié)架2各自固定在裝在罩 子l內(nèi)的平臺12上；
圖l:激光回饋系統(tǒng)示意圖2:激光回饋波片測量裝置示意圖3:夾角為0，無光回饋時的激光模式；
圖4:夾角為0，四分之一波片回饋時的激光模式；
圖5夾角為1.6°，四分之一波片回饋條件下激光模式的變化；
圖6夾角為3°，四分之一波片回饋條件下激光模式的變化；
圖7頻率差隨夾角變化的實驗與擬合曲線；
圖8頻率差隨夾角變化的理論曲線。
具體實施例方式
實驗裝置如附圖l所示，6和11分別是激光器的第一內(nèi)腔反射鏡和第二內(nèi)腔反射鏡，它 們的反射率R!和R2分別為99.8%與98.8%,它們之間的距離，即激光諧振腔長記為8為 激光增益管，內(nèi)有He、 Ne混合氣體，比例為7:1; 9是增透窗片，固定在上述增益管的一端； 6、 8、 9和11共同構成了半外腔632.8nm的He-Ne激光器。31為第一個壓電陶瓷，它固定 在上述第二內(nèi)腔反射鏡ll上，在輸入電壓作用下，它推動上述第二內(nèi)腔反射鏡沿激光軸線方 向左、右移動，使激光工作在單模狀態(tài)；4為激光回饋外腔反射鏡，反射率113=10%; 32為第 二個壓電陶瓷，它固定在上述激光回饋外腔反射鏡4上，在輸入電壓作用下，它推動上述激 光回饋外腔反射鏡4沿激光軸線方向左、右移動；IO為被測光學元件，雙面增透，厚度為/z， 當它的晶軸與光線的夾角0改變時，被測光學元件的位相延遲也發(fā)生相應的變化，因此可以 通過調(diào)節(jié)夾角來模擬不同的位相延遲的值；4、 5和6共同構成了激光回饋外腔，外腔長記為 /。測量系統(tǒng)包含掃描干涉儀和示波器，用于探測偏振跳變時激光模式兩個正交偏振態(tài)的頻差。
激光回饋光學元件微小位相延遲測量的裝置如附圖2所示。l為系統(tǒng)外罩；2是二維調(diào)節(jié) 架，與第二個壓電陶瓷32固定在一起，用于調(diào)節(jié)回饋鏡4的準直；5為四分之一波片；7是 激光器的石英外殼，可以減少外界環(huán)境對激光器的影響；12為系統(tǒng)底板，用于將系統(tǒng)的各個 部分連接成一體，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高抗外界干擾的能力；上述He-Ne激光器的石英外 殼7和其它器件各自經(jīng)固定支架固定在裝在罩子內(nèi)的安裝平臺13上。
實例如圖1或圖2的實驗系統(tǒng)，在四分之一波片回饋情況下，當外腔長變化時，激光模式的兩個本征偏振態(tài)將會在兩個正交方向上交替振蕩，外腔長每改變X/4，偏振態(tài)跳變一次， 并且兩個偏振態(tài)在一個激光強度調(diào)制周期內(nèi)具有相同的持續(xù)時間。當回饋鏡4在壓電陶瓷3 的推動下，沿激光軸線左右移動時，可以調(diào)節(jié)加在壓電陶瓷3上的掃描電壓的變化頻率，使 每10ms左右激光的偏振態(tài)跳變一次，這樣就可以通過掃描干涉儀使兩個交替振蕩的偏振模 式同時顯示在示波器上，實現(xiàn)頻差的測量。
首先，觀察在沒有激光回饋情況下的激光模式。使激光內(nèi)腔的被測光學元件的晶軸與光線 的夾角為0度，實驗得到的激光模式如圖3所示。圖3顯示，沒有光回饋時，由于強烈的模 競爭，單模激光只有一個偏振態(tài)振蕩，因此無法觀察到兩個偏振態(tài)之間的頻差。如果引入四 分之一波片回饋，并掃描外腔時，將觀察到圖4的實驗結果。圖4顯示，加入四分之一波片 回饋后，當在壓電陶瓷3上加線性變化的電壓時，通過掃描干涉儀與示波器可以觀察到兩個 模式。如果在掃描干涉儀前面插入一個偏振片，可以發(fā)現(xiàn)兩個模式的偏振態(tài)是正交的。當回 饋鏡的掃描周期小于10ms時，兩個偏振態(tài)同時出現(xiàn)在示波器上，并且兩個本征態(tài)的頻率是 不同的。
如果改變石英晶體的晶軸與光線的夾角，分別等于1.6。和3。，在四分之一波片回饋情況下， 激光模式如圖5和圖6所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著夾角的增大，兩個偏振態(tài)之間的頻差也增大。 圖7中畫出了偏振跳變過程中，兩個正交偏振態(tài)之間的頻率差Av隨e變化的實驗曲線。圖7 表明，在偏振跳變過程中，兩個正交偏振態(tài)之間的頻率差隨石英晶體的晶軸與光線之間的夾 角具有單調(diào)變化的趨勢，隨著石英晶體晶軸與光線之間夾角的增大，兩個正交偏振態(tài)之間的
頻率差也增加。
激光器輸出頻差由下式給出
丄
進行數(shù)值時算時，對石英參數(shù)no、 ne的取值為no=1.54263， ^=1.55169。晶片的厚度取 3mm。理論計算的頻率差隨夾角變化的理論曲線如圖8所示。
比較理論計算與實驗結果可以看出，二者吻合，因此，利用激光回饋產(chǎn)生的偏振跳變的原 理可以測量光學元件微小的位相延遲。
sin2 S cos'S —^ +——^~"。
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(1)
權利要求
1.基于激光回饋的光學元件微小位相延遲測量裝置，其特征在于，所述的基于激光回饋的光學元件微小位相延遲測量裝置含有A半內(nèi)腔式的632.8nm的He-Ne激光器，所述的He-Ne激光器含有增益管(8)，內(nèi)有He、Ne混合氣體，氣壓比例為7∶1；增透窗片(9)，所述的增透窗片(9)固定在所述增益管(8)的一端；諧振腔，所述的諧振腔包括第一內(nèi)腔反射鏡(6)，所述的第一內(nèi)腔反射鏡(6)固定在所述增益管(8)的另一端；第二內(nèi)腔反射鏡(11)，位于上述增透窗片(9)的另一端；壓電陶瓷(31)，固定在上述第二內(nèi)腔反射鏡(11)上，在輸入電壓作用下，所述的壓電陶瓷(31)推動上述第二內(nèi)腔反射鏡(11)沿激光軸線方向左、右移動，改變激光的頻率；被測光學元件(10)，安放在上述增透窗片(9)與所述第二內(nèi)腔反射鏡(11)之間；B激光回饋外腔，所述的激光回饋外腔包括激光回饋外腔反射鏡(4)，固定在所述第一內(nèi)腔反射鏡(6)的另一側，與所述第一內(nèi)腔反射鏡(6)有一個間隔；四分之一波片(5)，安放在上述激光回饋外腔反射鏡(4)與所述第一內(nèi)腔反射鏡(6)之間；第二個壓電陶瓷(32)，固定在所述激光回饋外腔反射鏡(4)上，在輸入電壓作用下，推動所述激光回饋外腔反射鏡(4)沿激光軸線方向左、右移動；所述的激光回饋外腔反射鏡(4)、波片(6)、壓電陶瓷(32)以及所述的He-Ne激光器中第一內(nèi)腔反射鏡(6)共同構成所述的激光回饋外腔；C測量系統(tǒng)，所述的測量系統(tǒng)包括掃描干涉儀，位于上述第二內(nèi)腔反射鏡(11)的外側，靠近上述第二內(nèi)腔反射鏡(11)；示波器，與上述掃描干涉儀相連，觀測激光模式，并測量激光偏振跳變時兩個正交偏振態(tài)的頻差；所述He-Ne激光器的石英外殼(7)、被測光學元件(10)、四分之一波片(5)固定在各自的支架上，第二個壓電陶瓷(32)固定在二維調(diào)節(jié)架(2)上，所述各個支架、二維調(diào)節(jié)架(2)各自固定在裝在罩子(1)內(nèi)的平臺(12)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于激光回饋的光學元件微小位相延遲測量裝置，屬于激光測量技術領域，其特征是利用632.8nm的He-Ne激光器與外部反射鏡和四分之一波片構成的雙折射激光回饋系統(tǒng)來測量光學元件微小的位相延遲。被測光學元件安放在激光腔中，當外部反射鏡沿激光軸線左右移動時，激光的偏振態(tài)將在兩個正交的方向跳變。伴隨著偏振跳變，激光模式兩個本征態(tài)的頻率是不同的，并且它們之間的頻差與激光內(nèi)腔的位相延遲的大小有關，根據(jù)這一原理可以實現(xiàn)光學元件微小位相延遲的測量。激光回饋光學元件微小位相延遲測量方法及其實現(xiàn)裝置具有結構簡單、裝配調(diào)整容易、測量精度高、成本低的特點。
文檔編號G01J9/00GK101650226SQ20091009277
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月24日 優(yōu)先權日2009年9月24日
發(fā)明者張書練, 費立剛 申請人:清華大學