一种光弹调制器定标装置及方法

本发明涉及一种光弹调制器定标装置及方法，属于偏振光学检测。

背景技术：

1、光弹调制器是一种相位调制器件，其基本工作原理是利用光弹晶体的光弹效应，在两个正交的方向上产生高频的周期性变化的折射率差，对通过光弹调制器的光进行光相位调制，相比于电光调制器、液晶空间光调制器以及磁光调制器等，其具有调制频率高、通光孔径大、适用波段宽以及驱动电压小等优点。光弹调制器的基本结构是由一个压电晶体和一个光弹晶体以一定方式胶合而成，光弹晶体选择各向同性材料，如熔融石英、单晶硅、硒化锌、氟化钙等。在对胶合在光弹晶体上的压电晶体施加一定频率的正弦驱动电压时，由于压电晶体的逆压电效应，其会以相同的频率进行伸缩振动，当压电晶体与光弹晶体的振动频率相匹配时，在光弹晶体内部将产生周期性变化的应力驻波，基于光学材料的光弹效应，通过光弹晶体的光将随应力驻波形成周期性变化的双折射，从而改变光的偏振态，实现相位调制。在实际使用中，我们需要准确知道某一特定波长下光弹调制器产生的相位延迟量幅值am，而相位延迟量幅值am与光学材料的形变量有关，压电晶体的施加电压决定该形变量的大小，因此需要获取相位延迟量幅值am与施加的正弦驱动电压幅值vm的对应关系，即光弹调制器的定标。

2、目前已有的定标方法，包括半波相位延迟法、基频分量极值法、贝塞尔函数比值法、直流分量法等，在某些方面都有其局限性。如半波相位延迟法依靠波形顶部平凹变化的判断，受光源强度波动及人为主观判断的影响，不适用于光弹调制器的精确定标；基频分量极值法利用一阶贝塞尔函数极值点进行定标，该方法操作简单，但受限于一阶贝塞尔函数的特点，当相位延迟量幅值am在1.841rad和5.331rad附近的一定范围内时，贝塞尔函数的变化幅值非常小，因此在该两点附近一倍频读数变化并不明显，导致不能准确定标到该两点的数值；直流分量法利用零阶贝塞尔函数与一阶贝塞尔函数的性质，在基频分量极值法的基础上改进而来，但该方法的定标范围较窄，仅针对基频分量极值点进行定标，同时受光源强度变化影响明显；贝塞尔函数比值法利用不同阶贝塞尔函数之间的比值关系进行定标，如四二阶贝塞尔函数比值法，利用，通过探测器四倍频与二倍频信号的比值反推出真实的相位延迟量幅值am，理论上该方法可以对大范围相位延迟量幅值进行定标，但探测器对于不同频率信号的响应程度差异影响该方法的定标可靠度。

3、本专利提出一种新的光弹调制器定标装置及方法，利用起偏器、光弹调制器、波片、检偏器及探测器构建定标光路，采用二倍频分量幅值的零值点进行辅助点定标，利用待定标点与辅助点的一倍频分量幅值比值进行相位延迟量幅值am在0~2π的全域定标，同时通过绘制定标曲线，还可以实现对光弹调制器残余应力导致的静态相位延迟量的精确测量，本装置及方法对起偏器、光弹调制器、波片、检偏器的方位角及波片相位延迟量无特殊值及精度要求，具有鲁棒性，同时不受探测器频率响应特性影响。

技术实现思路

1、本发明解决的问题及目的：提供一种光弹调制器定标装置及方法，克服现有技术在定标范围小，主观判断因素影响大，受探测器频率响应明显，波片相位延迟量精度要求高，需要高精度消色差的波片，器件方位角定位要求高，受光弹调制器残余应力导致的静态相位延迟量影响等方面的缺点，实现光弹调制器在其整个工作电压范围、整个工作波长区间内的具有突出鲁棒性的精密定标，且能够测量光弹调制器残余应力导致的静态相位延迟量。

2、本发明的解决方案如下：

3、如图1所示，光源发出光束经准直后先后经过起偏器、波片、光弹调制器、检偏器后入射探测器，探测器将光信号转换为电压信号输出至锁相放大器，锁相放大器以光弹调制器调制频率为参考频率，提取出一、二倍频成分，并输出至计算机。

4、准直后的入射光经过起偏器后成为线偏振光，其琼斯矢量ep表示为

5、......（1），

6、其中i0为穿过起偏器后线偏振光的光强，p为起偏器透光轴与x轴夹角。

7、快轴与x轴夹角为θ的波片的琼斯矩阵js为

8、......（2），

9、∆为波片快慢轴间的相位延迟量。

10、外加调制应力方向与x轴平行的光弹调制器的琼斯矩阵jm为

11、......（3），

12、δ为光弹调制器产生的相位延迟量。

13、透光轴与x轴夹角为a的检偏器的琼斯矩阵ja为

14、......（4）。

15、从检偏器出射的线偏振光琼斯矢量ea为

16、......（5）。

17、因而探测器得到的光强i可表示为

18、......（6），

19、其中δ=amsinωt+δs，δs为光弹调制器静态残余应力导致的静态相位延迟量，ω是光弹调制器调制频率，am为相位延迟量幅值，一个特定的光弹调制器在某一单一波长下调制的相位延迟量幅值与施加电压成正比线性关系，am可表示为

20、......（7），

21、上式中d为光弹调制器通光方向厚度，k为光弹调制器光学应力常数以及压电晶体与光弹晶体之间耦合效率有关的系数，vm为光弹调制器调制电压幅值。

22、将6式中探测器得到的光强i进行贝塞尔级数展开，得到一倍频分量幅值v1f和二倍频分量幅值v2f分别为

23、......（8），

24、......（9）。

25、由一倍频分量幅值公式8可知，一倍频分量幅值v1f与一阶贝塞尔函数值j1(am)成正比，即不同的相位延迟幅值am1、am2对应的一倍频分量幅值v1f1、v1f2间存在关系：

26、......（10）。

27、由贝塞尔函数性质，如图2所示二阶贝塞尔函数j2(am)在am=5.1356rad时为零，因此当调节光弹调制器调制电压幅值vm使光弹调制器产生的真实相位延迟量幅值为5.1356rad时，由公式9可知探测器上的二倍频分量幅值v2f=0，我们称该点为定标辅助点。随后适当调节起偏器、波片、检偏器方位角，使一倍频分量幅值v1f的值适当增大，以增加信噪比，测量并记录此时的一倍频分量幅值v1f的值。随后调节光弹调制器调制电压幅值vm至待定标电压幅值，读取光电探测器给出的一倍频分量幅值v1f。根据10式，取辅助定标点相位延迟量幅值5.1356 rad为am2，辅助定标点的一倍频分量幅值为v1f2，待定标点的一倍频分量幅值为v1f1，计算出待定标点的一阶贝塞尔函数j1(am1)值，进一步计算出待定标点的相位延迟量幅值am1，从而实现对待定标点的定标。在光弹调制器调制电压幅值vm整个工作范围内逐点扫描定标，实现光弹调制器整个工作电压幅值范围内的定标，得到定标曲线。定标曲线在纵轴相位延迟量幅值am上的截距对应光弹调制器调制电压幅值vm=0时的光弹调制器静态残余应力导致的静态相位延迟量δs。

28、由图2可以看出二阶贝塞尔函数j2(am)在5.1356rad附近曲线斜率相对较大，因此在调节光弹调制器调制电压幅值vm的大小寻找该定标辅助点时，v2f读数变化明显，可以较精确的定位到该点。

29、从8、9、10三公式中我们可以看到：本校准装置与方法对起偏器方位角p、检偏器方位角a、波片快轴方位角θ均没有特殊数值限定要求，无需限定为0 o，±45o等标准角度，仅需保证一倍频分量幅值v1f、二倍频分量幅值v2f不为零，即a≠0o，a≠±90o，即检偏器透光轴不与光弹调制器应力轴平行或垂直即可，因此检偏器方位角a的取值范围为(-90 o,0 o)及（0 o，90o），不包含0o，±90o，起偏器方位角p的取值范围为[-90 o,90o]，波片快轴方位角θ取值范围为[-90 o,90o]；本校准装置与方法对波片相位延迟量∆没有特殊数值限定要求，无需限定为λ/4、λ/2等标准波片，不受色散影响，可以对光弹调制器整个工作波段进行定标。因此该定标装置及方法具有光路调节简单、鲁棒性强的特点。

30、由公式8可以看到，静态相位延迟量δs的大小不影响公式10中的比值，因此本校准装置与方法完全屏蔽了光弹调制器静态残余应力对定标的影响。另外，由公式10可以看到，比例仅在一倍频分量幅值v1f间计算，不涉及混阶比例计算，因此本校准装置及方法不受探测器频率响应特性的影响。

31、根据公式8、9，为提高一倍频分量幅值v1f、二倍频分量幅值v2f的信噪比，较优的检偏器方位角a的取值范围为[-80o，-10 o]及[10 o，80o]，较优的波片相位延迟量∆取值范围为[（2kπ+0.3）rad，（2kπ +6）rad]，k为0和正整数。

32、需要说明的是，图1中互换光弹调制器与波片在光路中的位置，互换后的光路中光线经过的先后顺序为光源、起偏器、光弹调制器、波片、检偏器、探测器，参照上面所述分析，结果对应于公式8、9中的a、p互换，可以得到与互换前相似的性质，因此该定标装置与方法对光弹调制器与波片在光路中的先后顺序没有要求，使光路构建具有了很好的灵活性。在互换后的光路设置下，为提高一倍频分量幅值v1f、二倍频分量幅值v2f的信噪比，较优的起偏器方位角p的取值范围为[-80o，-10 o]及[10 o，80o]，较优的波片相位延迟量∆取值范围为[（2kπ+0.3）rad，（2kπ +6）rad]，k为0和正整数。

技术特征：

1.一种光弹调制器定标装置，其特征在于：包括光源、起偏器、光弹调制器、波片、检偏器、探测器、锁相放大器、计算机，所述光源发出的光准直后入射后继器件，光弹调制器、波片放置于起偏器、检偏器之间，光弹调制器与波片先后位置可以互换，起偏器、光弹调制器、波片、检偏器前后表面均垂直于入射光线，探测器将光强度信号转换为电压信号，锁相放大器以光弹调制器调制电压信号频率为参考频率，起偏器、波片、检偏器的方位角可独立调节，波片快轴与光弹调制器应力轴夹角取值范围为[-90o,90o]，波片快慢轴间相位延迟量的取值范围为[（2kπ+0.3）rad，（2kπ +6）rad]，k为0和正整数。

2.根据权利要求1所述的一种光弹调制器定标装置，其特征在于：光源发出的光穿过器件顺序为起偏器、波片、光弹调制器、检偏器、探测器，检偏器透光轴与光弹调制器应力轴间夹角的取值范围为[-80o，-10 o]及[10 o，80o]。

3.根据权利要求1所述的一种光弹调制器定标装置，其特征在于：光源发出的光穿过器件顺序为起偏器、光弹调制器、波片、检偏器、探测器，起偏器透光轴与光弹调制器应力轴间夹角的取值范围为[-80o，-10 o]及[10 o，80o]。

4.根据权利要求1所述的一种光弹调制器定标装置，其特征在于：光源为激光器；或光源为带准直系统的氙灯、卤钨灯，检偏器与探测器间还有单色仪。

5.一种光弹调制器定标方法，其特征在于包含以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种光弹调制器定标方法，其特征在于：在步骤b中，由小到大调节光弹调制器调制电压幅值vm，二倍频分量幅值v2f先增加后减小，当增加到接近极大值时，通过调整起偏器、光弹调制器、波片、检偏器四者中任意一者或多者的方位角，以增加二倍频分量幅值v2f的信噪比。

7.根据权利要求5所述的一种光弹调制器定标方法，其特征在于：步骤c中所述调节起偏器、波片、检偏器方位角，可调节起偏器、波片、检偏器三者中任意一者或多者的方位角。

8.根据权利要求5所述的一种光弹调制器定标方法，其特征在于：改变步骤a中光源入射的光波波长，执行步骤b至f，获得不同波长下的光弹调制器定标曲线及光弹调制器静态相位延迟量δs；步骤a中所述光源采用宽光谱光源，通过单色仪逐点扫描光弹调制器的整个工作波长区间，得到光弹调制器整个工作波长区间的定标曲线及光弹调制器静态相位延迟量δs的色散分布。

9.根据权利要求5所述的一种光弹调制器定标方法，其特征在于：步骤d中采用同阶次的贝塞尔函数比值计算方式，屏蔽探测器及锁相放大器频率响应影响。

技术总结
本发明提供了一种光弹调制器定标装置及方法，涉及偏振光学检测技术领域。光弹调制器的相位调制幅值受调制电压、温度、色散等因素影响，在应用于精密光学测量前必须进行定标。本发明利用起偏器、光弹调制器、波片、检偏器及探测器构建定标光路，采用二倍频分量的零值点进行辅助点定标，利用待定标点与辅助点的一倍频分量比值进行定标，实现了相位调制幅值在0~2π整个区间的精确定标，同时通过绘制定标曲线，实现了对光弹调制器静态相位延迟量的精确测量。本发明装置及方法中器件方位角、波片相位延迟量取值范围大，无数值精度及消色差要求，具有鲁棒性。同时本发明的装置及方法还不受探测器频率响应特性的影响。

技术研发人员：韩培高,杨军营
受保护的技术使用者：曲阜师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5