Z掃描光學偏振度測量裝置和測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種Z掃描光學偏振度測量裝置和測量方法，屬于光學傳感器研宄領(lǐng) 域，本技術(shù)可用于設(shè)計光學電流傳感器的結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學電流傳感器具有絕緣性能好、抗電磁干擾能力強、造價低、動態(tài)測量范圍大、 暫態(tài)響應(yīng)范圍大、測量精度高、頻率響應(yīng)范圍寬、不存在磁飽和、無鐵磁諧振、體積小、重量 輕等優(yōu)良性能，是智能電網(wǎng)中理想的電流檢測設(shè)備。而光學電流傳感器可以通過檢測入射 偏振光法拉第旋轉(zhuǎn)角度變化來間接實現(xiàn)電流的檢測。優(yōu)化設(shè)計光學電流傳感器結(jié)構(gòu)有利于 提高傳感器的性能、并降低研制成本。激光Z掃描技術(shù)最先是由SheikBahae等人提出來的， Z掃描技術(shù)因其靈敏度高，實驗設(shè)備構(gòu)造簡單，數(shù)據(jù)處理簡單方便而被廣泛應(yīng)用于光學傳 感器結(jié)構(gòu)設(shè)計。
[0003] 目前，優(yōu)化光學電流傳感器結(jié)構(gòu)只局限于改變光源參數(shù)或傳感材料的類型，未完 全涉及到利用偏振度來設(shè)計光路結(jié)構(gòu)。通過Z掃描技術(shù)來測量激光偏振度與樣片Z軸位置 之間關(guān)系，有利于優(yōu)化設(shè)計光學電流傳感器結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了優(yōu)化設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu)而進行的，目的在于提供一種Z掃描光學偏振 度測量裝置和測量方法，該裝置可以測一種波段的激光或者兩種波段合成光透過敏感材料 偏振度，同時該裝置可以同時檢測兩個或更多的樣片。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0006] 一方面，本發(fā)明提供了一種用于Z掃描的光學偏振度測量裝置，其特征在于，其構(gòu) 成包括：光源單元，該光源單元包括第一激光器、第二激光器和信號發(fā)生器，其能夠產(chǎn)生不 同波段的激光；二向色分束器，其能夠為從光源單元入射的不同波段的入射光提供不同的 分束比；薄膜樣片測試單元，該薄膜樣片測試單元包括第一非偏振分束器和第二非偏振分 束器以及第一樣片控制臺和第二樣片控制臺，其中第一非偏振分束器和第二非偏振分束器 分別與第一樣片控制臺和第二樣片控制臺連接，第一樣片控制臺和第二樣片控制臺分別連 接到第二聚焦透鏡和第一探測頭以及第三聚焦透鏡和第探二測頭，所述第一樣片控制臺包 括第一夾具、第一樣片和第一控制平臺，第二樣片控制臺包括第二夾具、第二樣片和第二控 制平臺，來自二向色分束器的光進入第一非偏振分束器而分為兩束光，透射的光進入第一 樣片，反射的光進入第二非偏振分束器；以及偏振儀，其中，第一非偏振分束器和第二非偏 振分束器將光束一分為二，其中分出來的兩束光偏振度相同，其中，由光源單元產(chǎn)生的激光 經(jīng)由主光路到達薄膜樣片測試單元，通過所述薄膜樣片測試單元的光利用偏振儀并借助計 算機而在軟件界面上顯示以計算出樣片對光的偏振度。
[0007] 進一步地，第一激光器輸出激光的主光路、第二激光器和第一激光器同時輸出激 光的主光路，沿所述的第一激光器輸出激光的主光軸方向上依次具有第一光纖、第一準直 器、二向色分束器、第一聚焦透鏡、薄膜樣片測試單元、第四聚焦透鏡、第三探測頭、偏振儀 和計算機；所述的第二激光器和第一激光器同時輸出激光的光路上具有第二激光器、第二 光纖和第一準直器，來自第一準直器的光入射到二向色分束器，其后續(xù)光路與第一激光器 輸出激光的主光路相同。
[0008] 進一步地，第一樣片和第二樣片分別固定在第一控制平臺和第二控制平臺，控制 平臺由計算機控制，在計算機的控制下，樣片能夠在平行于光路的平臺Z軸移動。
[0009] 進一步地，連接激光器與準直器的分別是第一光纖和第二光纖，兩者均是保偏光 纖。
[0010] 進一步地，準直器與的內(nèi)部包含凸透鏡，以將激光變成平行光，從而使光最大效率 的輸出。
[0011] 進一步地，利用非偏振分束器分出來的光作為參考光，即第四聚焦透鏡和第三探 測頭構(gòu)成了測量參考光偏振度的一個模塊單元。
[0012] 進一步地，探測頭即第一探測頭、第二探測頭、第三探測頭與偏振儀中的對應(yīng)讀出 卡構(gòu)成了自由空間偏振檢測。
[0013] 另一方面，本發(fā)明提供一種根據(jù)上述的一種用于Z掃描的光學偏振度測量裝置進 行Z掃描光學偏振度測量的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：調(diào)整光路階段，該調(diào) 整光路階段主要包括：啟動信號發(fā)生器；打開第一激光器；調(diào)整二向色分束器使之與光路 成一定角度；調(diào)整第一非偏振分束器和第二非偏振分束器與光路成一定角度；將第一樣片 和第二樣片分別放在第一夾具和第二夾具內(nèi)，并將夾具放在控制平臺的中心位置；Z掃描 階段，該階段包括：調(diào)整信號發(fā)生器的脈沖參數(shù)，打開第二激光器，使兩個激光器發(fā)射不同 波段的激光；上述不同波段的激光經(jīng)過二向色分束器，兩束光合成一束光；沿光路經(jīng)過第 一聚焦透鏡，進入第一非偏振分束器，分出兩束光，透射的光進入第一樣片，經(jīng)過第二聚焦 透鏡到達第一探測頭，反射的光進入第二非偏振分束器；以及測試計算階段，測試計算階段 包括：將載有第一樣片的第一夾具移到-Z軸上的某一點；載有第二樣片的第二夾具移到-z 軸上的與第一樣片相同一點；控制第一控制平臺、第二控制平臺同時同速率向+Z軸移動； 利用偏振儀與計算機在軟件界面上顯示所得到的數(shù)據(jù)，能夠得出在Z掃描的方式下的材料 對光的偏振度的影響。
[0014] 進一步地，使二向色分束器與光路成45°的角度，使第一非偏振分束器和第二非 偏振分束器與光路成分別成45°的角度。
[0015] 進一步地，該方法還包括以下步驟：調(diào)節(jié)第一聚焦透鏡，使激光聚焦于樣片上，同 時調(diào)節(jié)第二聚焦透鏡、第三聚焦透鏡、第四聚焦透鏡，使激光聚焦于第一探測頭、第二探測 頭、第三探測頭的接受端；以及光經(jīng)由第二非偏振分束器分出兩束光，反射的光進入第二樣 片，第三聚焦透鏡到達第二探測頭，透射的光經(jīng)過第四聚焦透鏡到達第三探測頭。
[0016] Z掃描光學偏振度測量裝置的結(jié)構(gòu)主要包括第一激光器，第二激光器，主光路上 的元件即第一光纖、第一準直器、二向色分束器、第一聚焦透鏡、薄膜樣片測試單元、第四聚 焦透鏡、第三探測頭、偏振儀、計算機；其中薄膜樣片測試單元包括第一非偏振分束器、第一 夾具、第一樣片、第二聚焦透鏡、第一探測頭、第一控制平臺、第二非偏振分束器、第一夾具、 第二樣片、第三聚焦透鏡、第三探測頭、第二控制平臺；第一激光器、第二激光器與信號發(fā)生 器構(gòu)成此設(shè)計裝置的光源；通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的入射激光脈沖參數(shù)即脈沖寬度與重復(fù)頻 率，產(chǎn)生不同的激光；通過打開第一激光器或第二激光器來選擇單一光或合成光；保偏光 纖連接激光器與準直器；保偏光纖保證線偏振方向不變，準直器是尾纖與自聚焦透鏡精確 定位而成，將光纖里的傳輸光轉(zhuǎn)變?yōu)闇手惫?；二向色分束器主要為不同波段的入射光提?不同的分束比，可以用來合成或者分立不同顏色的激光光束；此裝置主要利用此特性進行 單一波段的光和兩個波段的合成光的檢測；所述的裝置中的非偏振分束器，將激光分為兩 束，即透射光與反射光，兩者各占功率的50%;其特征在于：非偏振分束器只改變光功率，并 不改變偏振度DOP中。
[0017] 在本發(fā)明的Z掃描光學偏振度測量裝置中，具有這樣的特征，包括：在光路中增加 非偏振分束器，達到測量經(jīng)過多個樣片的激光的偏振度；借助非偏振分束器的應(yīng)用，可以將 其中一束激光作為參考激光，可以直接測量其DOP，從而進行參照比較。
[0018] 所述的裝置中的控制平臺固定部分上刻有-Z到+Z的度數(shù)，（Z的數(shù)量取