專利名稱：晶體消光比半波電壓及波片相位延遲的智能綜合測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與晶體有關(guān)，屬于偏振光學(xué)物理檢測儀器，特別是一種晶體消光比、半波電壓及波片相位延遲的智能綜合測量儀。
背景技術(shù)：
晶體的消光比和半波電壓是衡量晶體光學(xué)性能的重要參數(shù)，反映了晶體內(nèi)部可能存在的缺陷，如內(nèi)應(yīng)力、光學(xué)不均勻等，晶體的消光比和半波電壓越小，說明晶體的光學(xué)質(zhì)量越好。晶體消光比測量的準(zhǔn)確性直接影響晶體的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用。同樣，如果晶體的半波電壓很高，會(huì)給Q開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電源帶來很多麻煩，在Q開關(guān)精加工以前，對其半波電壓的測試篩選是非常必要的。
波片是物理光學(xué)中最基本和常用的光學(xué)元件之一，在光學(xué)隔離、偏光干涉中，常需要精確測量波片的相位延遲。隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，波片在光學(xué)儀器中起著越來越重要的作用，對波片精度要求越來越高，波片本身的精度檢測也成為波片制造中的一個(gè)重要任務(wù)。
測量晶體消光比、半波電壓和波片相位延遲的傳統(tǒng)方法是工作人員直接用光功率計(jì)探測光強(qiáng)。該方法操作步驟繁瑣，測量精度低，消光比只能測到10-2或10-3，而且只是處在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用階段，目前國內(nèi)市場上還沒有相應(yīng)的綜合測量儀，很多生產(chǎn)晶體或偏光器件的公司常常是憑經(jīng)驗(yàn)，用人工目測晶體的消光比和半波電壓等參數(shù)，根本就沒有真正的測量儀器，也談不上量化測量，所以，樣品使用時(shí)的精度沒有保證，可靠性很差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)雜性、樣品使用時(shí)的精度不能保證、不能自動(dòng)完成測量、不能進(jìn)行綜合性測量等現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種晶體消光比、半波電壓和波片相位延遲的智能綜合測量儀。該綜合測量儀采用計(jì)算機(jī)控制，不僅能夠在同一臺(tái)儀器完成多個(gè)參數(shù)的綜合測量，而且應(yīng)具有測量精度高、可靠性好、操作方便的特點(diǎn)，以大大提高測量效率。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種晶體消光比、半波電壓和波片相位延遲的智能綜合測量儀，其構(gòu)成是一脈沖調(diào)制光源，在該脈沖調(diào)制光源的光束前進(jìn)方向呈45°設(shè)一分光鏡，在該分光鏡的透射方向依次是起偏器、待測樣品、檢偏器、第一光電探測器、第一解調(diào)及放大電路和第一A/D轉(zhuǎn)換器，該第一A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)線接計(jì)算機(jī)的第一輸入端；該計(jì)算機(jī)的第一輸出通過第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)檢偏器繞光軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該計(jì)算機(jī)的第二輸出通過第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)待測樣品繞光軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；在所述分光鏡的反射方向依次是衰減片、第二光電探測器、第二解調(diào)及放大電路、第二A/D轉(zhuǎn)換器，該第二A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)線接計(jì)算機(jī)的第二輸入端。
所述的待測樣品臺(tái)設(shè)有兩直流電極與一直流電源相連。
下面分別介紹各個(gè)參數(shù)的測量過程一、晶體消光比的測量調(diào)制光源經(jīng)分光鏡后，反射光作為參考光束，經(jīng)衰減片后，由第二光電探測器接收，經(jīng)過第二解調(diào)和放大電路，第二A/D轉(zhuǎn)換器，然后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理后獲得參考光強(qiáng)信號(hào)為Ir。透射光束經(jīng)起偏器、待測晶體、檢偏器，由第一光電探測器接收，經(jīng)第一解調(diào)和放大電路和第一A/D轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理后獲得探測光強(qiáng)信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，使起偏器和檢偏器的偏振方向垂直，然后轉(zhuǎn)動(dòng)晶體，所測的最大光強(qiáng)信號(hào)為I⊥max；再轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，使起偏器和檢偏器偏振方向平行，然后再轉(zhuǎn)動(dòng)晶體，所測的最大光強(qiáng)信號(hào)為I//max。那么，該晶體的消光比ρ為ρ=10log((I⊥maxIr)/(I//maxIr))---(1)]]>二、晶體半波電壓的測量具有縱向電光效應(yīng)的單軸晶體，其生長方向?yàn)楣廨S(Z軸)方向。使待測晶體光軸平行于入射光線，電場沿光軸方向。當(dāng)外加電壓為0，光線經(jīng)過待測晶體時(shí)，不產(chǎn)生雙折射。當(dāng)外加電壓不為V時(shí)，由晶體γ63的縱向電光效應(yīng)引起的位相差δ為δ=2πλno3γ63V---(2)]]>上式中，no為待測晶體中的O光折射率；V為外加電壓大小；γ63為待測晶體的縱向電光系數(shù)。
測量時(shí)，待測晶體放置在起偏器和檢偏器之間，首先轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，使起偏器和檢偏器的偏振方向垂直，則光線經(jīng)過檢偏器后，由第一光電探測器探測到的光強(qiáng)Io為Io＝I1sin22θsin2(δ/2) (3)
式中，I1為經(jīng)過起偏器后的光強(qiáng)；θ為起偏器的偏振方向與晶體中產(chǎn)生的O光或E光某一偏振光之間的夾角。當(dāng)θ＝45°，δ＝π時(shí)，輸出光強(qiáng)最大(Iomax＝I1)，此時(shí)所施加的電壓就是該晶體的半波電壓Vπ。
三、波片相位延遲的測量待測波片的方位與起偏器的偏振方向和檢偏器的偏振方向的夾角分別為α、β。由調(diào)制光源出射的橢圓偏振光，經(jīng)分光鏡以后，透射光經(jīng)起偏器、待測波片和檢偏器后，由第一光電探測器接收，根據(jù)偏振光干涉的原理，可知其探測到的光強(qiáng)Io為Io＝I1(cos2αcos2β+sin2αsin2β+2cosαcosβsinαsinβcosδ)(4)式中，I1為經(jīng)過起偏器后的光強(qiáng)；δ為待測波片的相位延遲。
由第一步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)，使檢偏器的偏振方向平行于起偏器的偏振方向，然后，由第二步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)待測波片轉(zhuǎn)動(dòng)，使待測波片的方位角和起偏器、檢偏器的偏振方向重合，即α＝β＝0°時(shí)，此時(shí)探測到的光強(qiáng)Io1為Io1＝I1(5)然后，保持起偏器和檢偏器的透偏方向平行，將待測波片轉(zhuǎn)動(dòng)45°，即α＝β＝45°，此時(shí)探測到的光強(qiáng)Io2為Io2=I12(1+cosδ)---(6)]]>將(6)、(7)式聯(lián)立，得到cosδ=2Io2Io1-1---(7)]]>即
δ=arccos(2Io2Io1-1)---(8)]]>從而得到待測波片的相位延遲δ。
智能化控制部分測量光路中，由第一光電探測器將探測到的脈沖探測光強(qiáng)信號(hào)變成交流電信號(hào)，再經(jīng)過解調(diào)和放大電路，將交流電信號(hào)解調(diào)為直流電信號(hào)，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，即探測光強(qiáng)信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。參考光路中，同樣由第二光電探測器將測到的脈沖參考光強(qiáng)信號(hào)變成交流電信號(hào)，并且經(jīng)過第二解調(diào)放大和第二A/D轉(zhuǎn)換后，并將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，即參考光強(qiáng)信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)根據(jù)所測樣品的不同參數(shù)，分別控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)檢偏器和待測樣品繞通光方向轉(zhuǎn)動(dòng)到所需的位置，同時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)所測樣品參數(shù)的測量步驟分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示出測量結(jié)果。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下本發(fā)明既可以用于實(shí)驗(yàn)室，也可以用于生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)測量，將光、機(jī)、電一體化技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)有效地結(jié)合起來。
由于光源采用的是脈沖調(diào)制光源，經(jīng)第一光電探測器將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流電信號(hào)，需要解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，將交流電信號(hào)解調(diào)為直流電信號(hào)，并且經(jīng)過直流放大和A/D轉(zhuǎn)換后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示結(jié)果。
由于本發(fā)明采用了調(diào)制光源，而不是用傳統(tǒng)的直流光源，不僅消除了光電探測器暗電流的影響，而且，減小了雜散光的影響，大大提高了測量精度。
本發(fā)明采用了軟件除法技術(shù)，是指調(diào)制光源發(fā)出的光經(jīng)45°分光鏡后，透射光作為測量光束，分別經(jīng)過起偏器、待測樣品和檢偏器后，由第一光電探測器探測光強(qiáng)；反射光作為參考光束，經(jīng)衰減片由第二光電探測器獲得參考光強(qiáng)。兩路信號(hào)分別經(jīng)過解調(diào)電路、放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路后，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算機(jī)把測量光強(qiáng)信號(hào)作為分子，把參考光強(qiáng)信號(hào)作為分母，二者做除法運(yùn)算。這一運(yùn)算，特別是在探測微弱光強(qiáng)時(shí)，極大地減小了光源波動(dòng)的影響。使晶體消光比的測量精度由10-3提高到10-6，甚至更高。
總之，本發(fā)明智能綜合測量儀實(shí)現(xiàn)了光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)一體化有效結(jié)合，具有測量精度高、可靠性好和操作簡便的特點(diǎn)，提高了對晶體或相應(yīng)偏光器件的檢測效率，具有一定的市場意義。所采用的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，不僅提高了儀器的測量精度和可靠性，而且對于國內(nèi)智能化儀器水平的提高起到推動(dòng)作用。


圖1是本發(fā)明綜合測量儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明測量待測晶體半波電壓時(shí)外加直流電壓的示意3是一般情況下，待測波片的方位與起偏器3的偏振方向和檢偏器5的偏振方向的夾角分別為α、β示意圖具體實(shí)施方式
先請參照圖1，圖1是本發(fā)明綜合測量儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明晶體消光比半波電壓和波片相位延遲的智能綜合測量儀的構(gòu)成是一脈沖調(diào)制光源1，在該脈沖調(diào)制光源1的光束前進(jìn)方向呈45°設(shè)一分光鏡2，在該分光鏡2的透射方向依次是起偏器3、待測樣品4、檢偏器5、第一光電探測器6、第一解調(diào)及放大電路7和第一A/D轉(zhuǎn)換器8，該第一A/D轉(zhuǎn)換器8的信號(hào)線接計(jì)算機(jī)9的第一輸入端；該計(jì)算機(jī)9的第一輸出通過第一步進(jìn)電機(jī)10驅(qū)動(dòng)檢偏器5繞光軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該計(jì)算機(jī)9的第二輸出通過第二步進(jìn)電機(jī)11驅(qū)動(dòng)待測樣品4繞光軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；在所述分光鏡2的反射方向依次是衰減片12、第二光電探測器13、第二解調(diào)及放大電路14、第二A/D轉(zhuǎn)換器15，該第二A/D轉(zhuǎn)換器15的信號(hào)線接計(jì)算機(jī)9的第二輸入端。
所述的待測樣品臺(tái)設(shè)有兩直流電極與一直流電源相連。
本發(fā)明的工作過程利用本發(fā)明測量晶體消光比的具體過程調(diào)制光源1經(jīng)分光鏡2后，反射光作為參考光束，經(jīng)衰減片12后，由第二光電探測器13接收，再經(jīng)第二解調(diào)和放大電路14第二A/D轉(zhuǎn)換器15，然后送入計(jì)算機(jī)9進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的參考光強(qiáng)信號(hào)為Ir。透射光束經(jīng)起偏器3、待測晶體4、檢偏器5，由第一光電探測器6接收，經(jīng)過第一解調(diào)及放大電路7、第一A/D轉(zhuǎn)換器8，然后送入計(jì)算機(jī)9進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；首先轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器5，使起偏器3和檢偏器5偏振方向垂直，然后轉(zhuǎn)動(dòng)待測晶體4，使第一光電探測器6探測到最大光強(qiáng)信號(hào)，此時(shí)，由計(jì)算機(jī)處理后的信號(hào)為I丄max；再轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器5，使起偏器3和檢偏器5偏振方向平行，然后再轉(zhuǎn)動(dòng)待測晶體4，使第一光電探測器6探測到的最大光強(qiáng)信號(hào)，此時(shí)，由計(jì)算機(jī)處理后的信號(hào)為I//max。然后，計(jì)算機(jī)9根據(jù)上述公式(1)進(jìn)行計(jì)算ρ=10log((I//maxIr)/(I⊥maxIr))]]>
即可得到待測晶體的消光比。
二、利用本發(fā)明測量晶體半波電壓的具體過程圖2是本發(fā)明測量波片相位延遲的波片和外加直流電壓的原理圖，首先轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器5，使檢偏器5的偏振方向和起偏器3的偏振方向的垂直，然后放入待測晶體4，并且使外加電壓從0V開始逐漸增加，邊增加邊轉(zhuǎn)動(dòng)待測晶體，使第一光電探測器6探測到的最小光強(qiáng)值保持不變，此時(shí)，表示由光電效應(yīng)引起的雙折射中的O光或e光的偏振方向分別與起偏器3和檢偏器5的偏振方向重合，然后，再將待測晶體轉(zhuǎn)動(dòng)45°，表示起偏器3的偏振方向與待測晶體4中產(chǎn)生的O光或e光某一偏振光之間的夾角θ已經(jīng)為45°，然后，再將外加電壓降為0V，并且從0V開始逐漸增加，每增加一定的電壓幅值，由計(jì)算機(jī)記錄并處理一次第一光電探測器6探測到的信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)達(dá)到最大時(shí)，外加電壓的幅值即為該待測晶體4的半波電壓。
三、利用本發(fā)明儀器測量待測波片相位延遲的具體過程圖3是一般情況下，待測波片的方位與起偏器3的偏振方向和檢偏器5的偏振方向的夾角分別為α、β示意圖。一般情況下，待測波片4的方位與起偏器3的偏振方向和檢偏器5的偏振方向的夾角分別為α、β。測量過程首先由第一步進(jìn)電機(jī)10帶動(dòng)檢偏器5轉(zhuǎn)動(dòng)，使第一光電探測器6探測到的光強(qiáng)最大，此時(shí)檢偏器5和起偏器3的偏振方向平行，然后放入待測波片4，并由第二步進(jìn)電機(jī)11帶動(dòng)待測波片4轉(zhuǎn)動(dòng)，并且使第一光電探測器6探測到的光強(qiáng)最大，此時(shí)待測波片4的方位角和起偏器3和檢偏器5的偏振方向重合，即α＝β＝0°，由計(jì)算機(jī)9處理后的信號(hào)為Io1；然后，由第二步進(jìn)電機(jī)11帶動(dòng)待測波片4轉(zhuǎn)動(dòng)45°，即α＝β＝45°，由計(jì)算機(jī)9處理后的信號(hào)為Io2；最后，計(jì)算機(jī)9根據(jù)公式(8)進(jìn)行計(jì)算，δ=arccos(2Io2Io1-1)]]>即可得到待測波片的相位延遲δ。
權(quán)利要求
1.一種智能化晶體消光比、半波電壓和波片相位延遲的綜合測量儀，特征在于其構(gòu)成一脈沖調(diào)制光源(1)，在該脈沖調(diào)制光源(1)的光束前進(jìn)方向呈45°設(shè)一分光鏡(2)，在該分光鏡(2)的透射方向依次是起偏器(3)、待測樣品(4)、檢偏器(5)、第一光電探測器(6)、第一解調(diào)及放大電路(7)和第一A/D轉(zhuǎn)換器(8)，該第一A/D轉(zhuǎn)換器(8)的信號(hào)線接計(jì)算機(jī)(9)的第一輸入端；該計(jì)算機(jī)(9)的第一輸出通過第一步進(jìn)電機(jī)(10)驅(qū)動(dòng)檢偏器(5)繞光軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該計(jì)算機(jī)(9)的第二輸出通過第二步進(jìn)電機(jī)(11)驅(qū)動(dòng)待測樣品(4)繞光軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；在所述分光鏡(2)的反射方向依次是衰減片(12)、第二光電探測器(13)、第二解調(diào)及放大電路(14)、第二A/D轉(zhuǎn)換器(15)，該第二A/D轉(zhuǎn)換器(15)的信號(hào)線接計(jì)算機(jī)(9)的第二輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化晶體消光比、半波電壓和波片相位延遲的綜合測量儀，其特征在于所述的待測樣品臺(tái)設(shè)有兩直流電極與一直流電源相連。
全文摘要
一種晶體消光比半波電壓及波片相位延遲的智能綜合測量儀，其構(gòu)成是在一脈沖調(diào)制光源的光束前進(jìn)方向呈45°地設(shè)一分光鏡，在該分光鏡的透射方向依次是起偏器、待測樣品、檢偏器、第一光電探測器、第一解調(diào)及放大電路和第一A/D轉(zhuǎn)換器，該第一A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)線接計(jì)算機(jī)；該計(jì)算機(jī)的第一輸出通過第一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)檢偏器繞光軸旋轉(zhuǎn)，該計(jì)算機(jī)的第二輸出通過第二步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)待測樣品繞光軸旋轉(zhuǎn)；在分光鏡的反射方向依次是衰減片、第二光電探測器、第二解調(diào)及放大電路、第二A/D轉(zhuǎn)換器，該第二A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)線接計(jì)算機(jī)。本發(fā)明不僅能在一臺(tái)儀器完成多個(gè)參數(shù)的綜合測量，而且具有測量精度高、可靠性好、操作方便的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M11/02GK1696632SQ200510072558
公開日2005年11月16日 申請日期2005年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者薄鋒, 朱健強(qiáng), 師樹恒, 王勇 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所