本發(fā)明涉及精密測(cè)量領(lǐng)域，特別是光學(xué)器件相位延遲量的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

半波片、四分之一波片等光學(xué)器件作為精密儀器的重要組成部分，在精密測(cè)量、激光技術(shù)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。其相位延遲量與標(biāo)稱值是否一致對(duì)儀器性能影響較大，因此精確測(cè)量半波片、四分之一波片的相位延遲量具有重要的意義。

相位延遲器件通常采用具有雙折射效應(yīng)的材料制作而成，其相位延遲量與2π(n_e-n_o)d/λ成正比，其中n_e、n_o為晶體材料中非常光與尋常光的折射率，d為波片厚度，λ為所使用的光波長(zhǎng)。過(guò)往的許多專家、學(xué)者提出了不同的測(cè)量方案，專利號(hào)為ZL201320548522.6，實(shí)用新型名稱為”一種激光頻率法測(cè)量波片相位延遲的裝置”，利用波片放入激光諧振腔內(nèi)可以產(chǎn)生激光頻率分裂的原理，使激光器的一個(gè)振蕩頻率變?yōu)閮蓚€(gè)振蕩頻率，這兩個(gè)頻率之間的頻率差正比于波片的相位延遲。測(cè)量?jī)蓚€(gè)分裂頻率的頻率差來(lái)得到波片相位延遲的大小。專利號(hào)為ZL201210073614.3，發(fā)明名稱為“一種測(cè)量光學(xué)器件相位延遲角度的方法”，利用橢圓偏振光通過(guò)不同相位延遲角度的光學(xué)器件時(shí)，其透射或反射偏振光的長(zhǎng)軸方向會(huì)有所不同，通過(guò)測(cè)量透射或反射光的長(zhǎng)軸方位角度來(lái)反推出待測(cè)器件的相位延遲量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)器件相位延遲量的精確測(cè)量裝置。跟現(xiàn)有的測(cè)試方案不一樣的地方在于，直接探測(cè)線偏振光經(jīng)過(guò)光學(xué)器件快軸、慢軸后的相位差，所探測(cè)的相位差即為光學(xué)器件的相位延遲量。該測(cè)量裝置可以測(cè)量光學(xué)器件任意波段的相位延遲量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，使用方便，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，易于集成、相位延遲量測(cè)量精確的特點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種光學(xué)器件相位延遲量的測(cè)量裝置，其特點(diǎn)在于：包括雙頻He-Ne激光器，在該雙頻He-Ne激光器發(fā)出的兩頻(f₁、f₂)激光方向是第一偏振分光鏡，其中水平偏振的f₁激光經(jīng)過(guò)第一偏振分光鏡透射傳播，豎直偏振的f₂激光經(jīng)過(guò)第一偏振分光鏡反射傳播，沿f₁光依次是第一半波片、第一45°高反鏡、第二偏振分光鏡、第二偏振片、第二光電探測(cè)器，沿f₂光依次是第二半波片、第二45°高反鏡、第二偏振分光鏡、第一偏振片、第一光電探測(cè)器，所述第一半波片的快軸安裝方向與水平面成22.5°夾角，所述第二半波片的快軸安裝方向與水平面成67.5°夾角，所述第一偏振片和第二偏振片的通光方向與水平面成45°夾角。

利用上述光學(xué)器件相位延遲量的測(cè)量裝置進(jìn)行光學(xué)器件相位延遲量的測(cè)量方法，包括下列步驟：

1)將待測(cè)光學(xué)器件放置在所述的第一半波片至第二偏振分光鏡之間的光路中，并使所述的待測(cè)器件的快軸平行于水平面，慢軸垂直于水平面；

2)啟動(dòng)所述的雙頻He-Ne激光器，所述的第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器分別獲得拍頻信號(hào)E₉，拍頻信號(hào)E₁₁如下：

E₉＝A"B′cos[(ω₁-ω₂)t-(k₁-k₂)z-(φ₁-φ₂)-(Ф₁-Ф₂)-δ"]

E₁₁＝A′B"cos[(ω₁-ω₂)t-(k₁-k₂)z-(φ₁-φ₂)-(Ф₁-Ф₂)-δ′]；

3)比較光電探測(cè)器輸出信號(hào)E₉和E₁₁，可得出δ＝δ′-δ"的大小，此即為待測(cè)光學(xué)器件的相位延遲量；即通過(guò)比較第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器響應(yīng)的光拍頻信號(hào)的相位差，即可得到待測(cè)器件的相位延遲量；

4)待測(cè)光學(xué)器件的相位延遲量與2π(n_e-n_o)d/λ成正比，其中n_e、n_o為晶體材料非常光與尋常光的折射率，d為器件厚度，λ為入射光波長(zhǎng)。

5)當(dāng)待測(cè)光學(xué)器件的使用波長(zhǎng)與雙頻He-Ne激光器波長(zhǎng)不一致時(shí)，滿足以下關(guān)系δ_real＝δ_mea*λ_He-Ne/λ_real

式中，δ_real為光學(xué)器件實(shí)際相位延遲量，δ_mea為測(cè)量出來(lái)的相位延遲量，λ_He-Ne為雙頻He-Ne激光器波長(zhǎng)，λ_real為待測(cè)光學(xué)器件實(shí)際使用波長(zhǎng)。

本發(fā)明可以測(cè)量光學(xué)器件任意波段的相位延遲量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，使用方便，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，易于集成、相位延遲量測(cè)量精確的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明光學(xué)器件相位延遲量測(cè)量裝置的光路圖

圖2：光學(xué)器件相位延遲量測(cè)量方法示意圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖2，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行完整、詳細(xì)的描述。

先請(qǐng)參閱圖1，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明光學(xué)器件相位延遲量的測(cè)量裝置，包括雙頻He-Ne激光器1，在該雙頻He-Ne激光器1發(fā)出的兩頻(f₁、f₂)激光方向是第一偏振分光鏡2，其中水平偏振的f₁激光經(jīng)過(guò)第一偏振分光鏡2透射傳播，豎直偏振的f₂激光經(jīng)過(guò)第一偏振分光鏡2反射傳播，沿f₁光依次是第一半波片3、第一45°高反鏡4、第二偏振分光鏡7、第二偏振片10、第二光電探測(cè)器11，沿f₂光依次是第二半波片5、第二45°高反鏡6、第二偏振分光鏡7、第一偏振片8、第一光電探測(cè)器9，所述第一半波片3的快軸安裝方向與水平面成22.5°夾角，所述第二半波片5的快軸安裝方向與水平面成67.5°夾角，所述第一偏振片8和第二偏振片10的通光方向與水平面成45°夾角。

具體測(cè)量步驟如下：

1)將待測(cè)光學(xué)器件(12)放置在所述的第一半波片3至第二偏振分光鏡7之間的光路中，并使所述的待測(cè)器件12的快軸平行于水平面，慢軸垂直于水平面；

雙頻He-Ne激光器1發(fā)出的兩頻率光(f₁f₂)經(jīng)過(guò)第一偏振分光鏡2，其中水平偏振的f₁光經(jīng)過(guò)第一偏振分光鏡2透射傳播，豎直偏振的f₂光經(jīng)過(guò)第一偏振分光鏡2反射傳播，兩頻率光可由下式表示：

E₁＝Acos(ω₁t-k_1z-φ₁)

E₂＝Bcos(ω₂t-k₂z-φ₂)

其中，ω₁＝2πf₁,ω₂＝2πf₂,k₁＝2π/λ₁,k₂＝2π/λ₂,A、B分別為兩頻率光振幅，φ₁、φ₂分別為量頻率光初始相位。

f₂光經(jīng)過(guò)第二半波片5后，偏振方向與水平面成45°，經(jīng)過(guò)第二45°高反鏡6光路轉(zhuǎn)折90°入射至第二偏振分光鏡7分成兩個(gè)分量，其中水平偏振分量經(jīng)過(guò)第二偏振分光鏡7透射至第一偏振片8入射至第一光電探測(cè)器9，設(shè)其為E₃，豎直偏振分量經(jīng)過(guò)第二偏振分光鏡7反射至第二偏振片10入射至第二光電探測(cè)器11，設(shè)其為E₄，則E₃、E₄可由下式表示

E₃＝B′cos(ω₂t-k₂z-φ₂-Ф₂-Ф′)

E₄＝B"cos(ω₂t-k₂z-φ₂-Ф₂-Ф")

其中，B′、B"分別為兩分量光傳輸至第一光電探測(cè)器后的振幅、第二光電探測(cè)器后的振幅，Ф₂為f₂光經(jīng)過(guò)第一偏振分光鏡2后入射至第二偏振分光鏡7所帶來(lái)的相位變化，Ф′為水平偏振分量經(jīng)過(guò)第二偏振分光鏡7透射后入射至第一光電探測(cè)器9所帶來(lái)的相位變化，Ф"為豎直偏振分量經(jīng)過(guò)第二偏振分光鏡7反射后入射至第二光電探測(cè)器11所帶來(lái)的相位變化。

f₁光經(jīng)過(guò)第一半波片3后其偏振方向與水平面成45°，經(jīng)過(guò)待測(cè)光學(xué)器件12后再經(jīng)過(guò)第一45°高反鏡4光路轉(zhuǎn)折90°入射至第二偏振分光鏡7分成兩個(gè)分量，其中經(jīng)過(guò)待測(cè)光學(xué)器件快軸方向的分量經(jīng)過(guò)第二偏振分光鏡7透射至第二偏振片10入射至第二光電探測(cè)器11，設(shè)其為E₅，經(jīng)過(guò)待測(cè)光學(xué)器件慢軸方向的分量經(jīng)過(guò)第二偏振分光鏡7反射至第一偏振片8入射至第一光電探測(cè)器9，設(shè)其為E₆，則E₅、E₆可由下式表示：

E₅＝A′cos(ω₁t-k₁z-φ₁-Ф₁-Ф"-δ′)

E₆＝A"cos(ω₁t-k₁z-φ₁-Ф₁-Ф′-δ")

其中，A′、A"分別為兩分量光傳輸至光電探測(cè)器后的振幅，Ф₁為f₁光經(jīng)過(guò)第一偏振分光鏡2后入射至第二偏振分光鏡7所帶來(lái)的相位變化，Ф′為待測(cè)光學(xué)器件12快軸方向分量經(jīng)過(guò)第二偏振分光鏡7透射后入射至第二光電探測(cè)器11所帶來(lái)的相位變化，Ф"為待測(cè)光學(xué)器件慢軸方向分量經(jīng)過(guò)第二偏振分光鏡7反射后入射至第一光電探測(cè)器9所帶來(lái)的相位變化，δ′和δ"分別為f₁光經(jīng)過(guò)待測(cè)光學(xué)器件快軸和慢軸帶來(lái)的相位變化。

入射至第一光電探測(cè)器9的E₃、E₆光分量進(jìn)行拍頻，其拍頻信號(hào)記為E₉，入射至第二光電探測(cè)器11的E₄、E₅光分量進(jìn)行拍頻，其拍頻信號(hào)記為E₁₁。由于光頻率較高，光電探測(cè)器只能響應(yīng)拍頻量信號(hào)中的差頻信號(hào)，則E₉、E₁₁可用下式表達(dá)

E₉＝A"B′cos[(ω₁-ω₂)t-(k₁-k₂)z-(φ₁-φ₂)-(Ф₁-Ф₂)-δ"]

E₁₁＝A′B"cos[(ω₁-ω₂)t-(k₁-k₂)z-(φ₁-φ₂)-(Ф₁-Ф₂)-δ′]

3)通過(guò)比較光電探測(cè)器輸出信號(hào)E₉和E₁₁，可得出δ＝δ′-δ"的大小，此即為待測(cè)光學(xué)器件的相位延遲量；

4)待測(cè)光學(xué)器件的相位延遲量與2π(n_e-n_o)d/λ成正比，其中n_e、n_o為晶體材料非常光與尋常光的折射率，d為器件厚度，λ為入射光波長(zhǎng)；

5)當(dāng)所待測(cè)光學(xué)器件的使用波長(zhǎng)與雙頻He-Ne激光器波長(zhǎng)不一致時(shí)，滿足以下關(guān)系δ_real＝δ_mea*λ_He-Ne/λ_real

式中，δ_real為光學(xué)器件實(shí)際相位延遲量，δ_mea為測(cè)量出來(lái)的相位延遲量，λ_He-Ne為雙頻He-Ne激光器波長(zhǎng)，λ_real為待測(cè)光學(xué)器件實(shí)際使用波長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明可以測(cè)量光學(xué)器件任意波段的相位延遲量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，使用方便，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，易于集成、相位延遲量測(cè)量精確的特點(diǎn)。