專利名稱：雙頻激光的偏振非正交化角與偏振橢圓化角同步測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種雙頻激光的偏振非正交化角和偏振橢 圓化角同步測量方法。
背景技術(shù)：
雙頻激光光源是超精密激光外差干涉測量系統(tǒng)的核心組成單元，其輸出激光包含 兩個不同頻率和偏振態(tài)的光分量，而雙頻激光的偏振特性是表征光源質(zhì)量優(yōu)劣的重要參數(shù) 之一。雙頻激光偏振特性的非理想化包括偏振非正 交化和偏振橢圓化，它們是激光外差干 涉測量系統(tǒng)中非線性誤差的主要來源，其引入的測量誤差可達數(shù)個到數(shù)十幾個納米，嚴重 制約著測量系統(tǒng)的分辨力。為了實現(xiàn)納米量級的測量分辨力，需要對雙頻激光光源的偏振 特性參數(shù)，如偏振非正交化角和偏振橢圓化角，進行嚴格的測量。斯托克斯參量表示法是描述光束偏振狀態(tài)最全面、最普遍的方法，通過測量斯托 克斯參量可以獲得被測光束的全部偏振特性參數(shù)(馮偉偉.光束偏振態(tài)的斯托克斯參量及 偏振度智能化測量.曲阜師范大學(xué)碩士畢業(yè)論文)，目前商業(yè)化的偏振測量儀都是建立在 光束斯托克斯參量表示法之上。然而，這種方法僅適用于單色平面波，不適用于多個波長 與偏振態(tài)混疊的光束情形，例如激光外差干涉測量系統(tǒng)中的雙頻激光光源，當(dāng)其輸出雙頻 激光偏離理想的線性偏振正交情形時，技術(shù)上無法有效地將兩個不同頻率的光分量完全分 離，從而也無法獨立地對每個頻率分量的偏振狀態(tài)進行測量。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所施志果等人通過如下方法檢測塞曼雙頻激 光器出射光的偏振非正交化角(施志果，龔津萍.Uniphase 1007型He-Ne激光管的縱 向塞曼穩(wěn)頻研究.光學(xué)學(xué)報，1993，13 (2) 102-106):將雙頻激光通過偏振片后形成光學(xué) 拍頻，其幅值ν(θ)隨偏振片方位角θ的改變而變化，測量出V( θ)相鄰的兩個極小值 Vfflin(O1)和Vmin(02)對應(yīng)的角度Q1* θ 2，即可計算雙頻激光偏振非正交化角度β = 沉/2-( θ 2- θ D，此方法還定義了被測光束的偏振分離度P = Vfflax( θ )/Vfflin( θ )。然而，這種 方法具有以下不足其一，該方法僅在雙頻激光的兩個不同頻率的光分量為嚴格的線偏振 光時才是正確的，或者僅當(dāng)兩個不同頻率的光分量的橢圓化程度很小時，才能得到足夠精 確的近似值；其二，該方法需要知道拍頻幅度極小值對應(yīng)的偏振方位角的具體數(shù)值，而該角 度值的測量精度會對偏振非正交化角的計算引入測量誤差；其三，該方法雖然定義了被測 雙頻激光的偏振分離度，但沒有給出偏振橢圓化角度的測量途徑。清華大學(xué)高賽等人在拍頻幅值檢測的基礎(chǔ)上，建立了雙頻激光的偏振非正交化角 和偏振橢圓化角的測量模型和測量手段(高賽，殷純永，郭繼華.雙反射膜雙頻He-Ne激光 器雙頻特性及偏振特性的實驗研究.光學(xué)技術(shù)，2006，26 (6) :529-531)。在測量模型方面， 該方法將雙頻激光的偏振非正交化和偏振橢圓化特性進行了獨立的考慮，即在不考慮偏振 橢圓化的情形下對偏振非正交化角度進行測量，反之亦然；在測量手段方面，該方法中偏振 非正交化角的測量方式與上文中施志果等人采取的途徑類似，而偏振橢圓化角則由公式P =tg—1 (Vmin/2Vmax)計算，其中Vmin和Vmax是拍頻幅度的極小值和極大值。然而，這種方法有兩個方面的不足一方面，該方法人為地將雙頻激光的偏振非正交化與偏振橢圓化特性進行 了獨立的、分離的考慮，但在實際情形中這兩種偏振非理想化特性往往是同時存在的，因此 該方法在測量模型上有所欠缺，而基于不完善模型得出的計算結(jié)果也只能是非精確的近似 值，特別是偏振橢圓化角的測量會存在較大的誤差；另一方面，該方法在技術(shù)上仍然需要測 量拍頻極值點所對應(yīng)的檢偏器透光軸的方位角，從而無法避免角度測量引入的測量誤差。綜上所述，基于斯托克斯參量的光束偏振態(tài)表示方法及其相應(yīng)的測量方法并不適 用于雙頻激光光源，而現(xiàn)有的基于拍頻幅值檢測的雙頻激光偏振特性非理想化測量方法在 理論模型上有待進一步完善，在技術(shù)上還存在一些不足。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有測量方法的不足，本發(fā)明提出了一種雙頻激光的 偏振非正交化角和偏振 橢圓化角同步測量方法，其目的是為雙頻激光光源偏振非理想化特性參數(shù)的測量在技術(shù)上 提供一種基于完善理論模型的高精度測量方法。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種雙頻激光的偏振非正交化角與偏振橢圓化角同步測量方法，該方法包括以下 步驟(1)將頻率為和f2、偏振非正交化角為β、偏振橢圓化角為P的被測雙頻激光 通過偏振器后形成光學(xué)拍頻信號，其頻率為|f2-f\|，振幅為Α(β，P，α)，其中α為偏振 器透光軸的方位角；(2)步驟⑴所述的光學(xué)拍頻信號由光電探測電路接收并轉(zhuǎn)換為交流電信號，其 頻率為|&4|，振幅為4(^3，ρ，α)=1 ·Α(β，Ρ，α )，其中k為光電探測電路的增益；(3)步驟(2)所述的交流電信號進入交流有效值轉(zhuǎn)換電路，該轉(zhuǎn)換電路輸出電壓 為輸入交流信號的有效值，即叭從外《)=為(從仏幻/^，其數(shù)值由仙采集電路測量得到；(4)旋轉(zhuǎn)偏振器，改變其透光軸方位角α，交流有效值轉(zhuǎn)換電路輸出電壓隨α角 而變化，出現(xiàn)極大值Umaxl、Umax2和極小值Umin，其中Umaxl彡Ufflax2 ；(5)由測量得到的極值電壓Umaxl、Ufflax2和Umin，計算被測雙頻激光的偏振非 正交化角 β 二 arcsin^C/La _U2miil -^U2max2 -U2mm)/(CZmaxl +Umax2)]與偏振橢圓化角 ^ = (1/2)arccos[(,/t/L, _U1mm + ^U2max2 _U2mm)/(Umaxl +Umax2)]。本發(fā)明具有以下特點及良好效果(1)本發(fā)明中的方法綜合考慮了雙頻激光的偏振非正交化與偏振橢圓化兩種非 理想偏振特性，對二者的測量是同步完成的，所得到的偏振非正交化角和偏振橢圓化角是 精確的解，而現(xiàn)有方法將這兩種非理想偏振特性進行分離的、獨立的測量，得到的是近似的 解，所以在理論上本發(fā)明中的方法具有更高的測量精度；(2)本發(fā)明中的方法只需要檢測激光拍頻振幅的極大值和極小值，即可以精確地 求解被測雙頻激光的偏振非正交化角和偏振橢圓化角，并不需要測量極值點所對應(yīng)的偏振 器透光軸的方位角，從而避免了現(xiàn)有方法中角度測量引入的測量誤差，所以在技術(shù)上本發(fā) 明中的方法也具有更高的測量精度。


圖1為雙頻激光偏振狀態(tài)示意2為雙頻激光偏振狀態(tài)測量裝置原理3為雙頻激光拍頻幅值隨偏振器方位角的變化曲線中，1和2雙頻激光的兩個不同頻率和偏振態(tài)的光分量、3偏振器、4光電探測電 路、5交流有效值轉(zhuǎn)換電路、6AD采集電路。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施實例進行詳細的描述。圖1為雙頻激光偏振狀態(tài)示意圖，圖中的雙頻激光包含有兩個不同頻率和偏振態(tài) 的光分量1和2，它們對應(yīng)的頻率分別記為和f2。實際應(yīng)用中，由于各種非理想因素的制 約，雙頻激光的偏振狀態(tài)偏離理想的線性偏振正交狀態(tài)，如圖1所示，1和2是不是嚴格的線 偏振光，而是具有偏振橢圓化角P的橢圓偏振光，其中1為右旋橢圓偏振光，2為左旋橢圓 偏振光。此外，1和2主軸的夾角也不是嚴格的90°，它們的偏振非正交角記為β。簡便起見，取χ坐標(biāo)軸與1的主軸重合(坐標(biāo)軸的選取并不影響最終的測量結(jié) 果)，則1的瓊斯矩陣可表示為
Γ 「 D "cospexp[/'(2^0]E1 =R1
sin ρ&χρ[ (2π/ι + π/2)]式中相位π /2表明1是右旋橢圓偏振光，R1是1的長軸半徑。對于2，它可以看 成是由1逆時針旋轉(zhuǎn)角度n/2-β而得到，根據(jù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換公式可得
「cosO/2-/ ) -sin(>72-/ ) "|「cos/ exp[y(2;r/20] _E7 = R0
2 2 _ η{πΙ2-β) cos(^/2-y0)」sinyoexp[_/(2;r/2i —雙/2)]_
K cos ρ sin βf2t)] - sin pcosfi exp[y(2^ f2t-π 12)]2 cos ρ cos β exp[y(2^· f2t)] + sin ρ sin β exp[y(2^ f2t-π 12)]式中相位_ π /2表明2是左旋橢圓偏振光，R2是2的長軸半徑。圖2為雙頻激光偏振狀態(tài)測量裝置原理圖，包括偏振器3、光電探測電路4、交流 有效值轉(zhuǎn)換電路5、AD采集電路6。被測雙頻激光通過偏振器3后形成光學(xué)拍頻，由光電探 測電路4接收并轉(zhuǎn)換成為交流電信號，該交流電信號進入交流有效值轉(zhuǎn)換電路5，交流有效 值轉(zhuǎn)換電路5的輸出電壓為輸入交流信號的有效值，此有效值電壓由AD采集電路6進行測 量。如圖1所示，偏振器3的透光軸與χ軸的夾角為α，則雙頻激光通過偏振器3后， 其透光軸方向上的光場分布為E= [cos α sina ]. (E^E2)= R1 [cos P cos a exp (i2 η f\t) +sin P sin a exp (i2 η f\t+ π /2) ] += R2 [cos P sin ( a + β ) exp (i2 η f2t) -sin P cos ( a + β ) exp (i2 η f2t_ π /2)]透射光強為I =E. E*，透射光由光電探測電路4接收，其輸出信號中的交流成分為Ia=Ic-R1-R2 {2[cos2 ρ cos a sin(a + β) + sin2 ρ sin a cos(a + β)] cos[2^(/! - f2)t]+2cosp sin 卜 cos a cos(a + / ) + sin a sin(a + β)] cos[2^(/! -f2)t + nll\}
=k-Rl-R2{ [sin(2a + / ) + sin 々 cos 2p] cos[2^(/1 -f2)t]+ sin 2pcos(2a + β)sin[2^(/, -f2)t]}
=k. Α{β, ρ, a) sin[2^(/1 -f2)t + <p0] = Ae (β, ρ, a) sin[2^(/1 ~/2) + φ0]式中，相位釣二詮-1{[Sin(2a + y0) + sin/ cos2p]/sin2yocos(2a + A)}，k 為光電探測
電路的增益，Α(β，P , α)為拍頻光信號的振幅，Αε(β，ρ，α) =k*A(i3，P，α)為拍 頻電信號的振幅，令K = PR^R2，則Αε(β，P，α)可由下式計算A2e {β, ρ, a) = K2{ [sin(2a + / ) + sin β cos Ipf + [sin 2p cos(2a + ^)]2}= K2 [cos2 2 ρ sin2 (2a + β)+ 2 cos 2/ sin/ sin(2or + β)- cos2 Ip cos2 β + \]觀察的數(shù)學(xué)表達式，可知是sin(2a+i3)的二次函數(shù)，并且 8 η(2α+β) e [_1，1]，當(dāng) sin(2a+3) = -sin^/cos2p 時，為乂從外句取得極小值A(chǔ)2emin =K\\- sin2 β)(\ 一 cos2 2p)當(dāng)sin(2a+i3) = 士1 時，42(/ ，P, )取得兩極大值A(chǔ)laxi = K2[l + cos(2p)sinfifA2emsii2 =K2[\-cos{2p)smpf由于Sin(2a+i3)是偏振器3透光軸方位角α的周期函數(shù)，其周期為π，當(dāng)偏振 器旋轉(zhuǎn)半周，Λ2(從Α )取得一次極大值^i2maxl、一次極大值^max2以及兩次極小值式2min，如圖 3中的曲線所示(為了便于觀察，圖中取β =5°，P = 2° )。相應(yīng)地，交流有效值轉(zhuǎn)換 電路5的輸出電壓也出現(xiàn)一次極大值[Zmaxl = Amaxl /力、一次極大值Umax2 = U^MR 兩次極小值Umin = AemJ芯,代入、JLxjWL1的表達式即可以求解得到β = arcsin(^7maxl _"min "^max2 - "min)
<formula>formula see original document page 6</formula> 由上述實施實例可知，本發(fā)明中的方法綜合考慮了雙頻激光的偏振非正交化與偏 振橢圓化兩種非理想偏振特性，對二者的測量是同步完成的，所得到的偏振非正交化角和 偏振橢圓化角是精確的解，而現(xiàn)有方法將兩種非理想偏振特性進行分離的、獨立的測量，得 到的是近似的解。針對這一點，結(jié)合圖1舉例說明(1)當(dāng)偏振非正交化角β =5°，偏振 橢圓化角為 P =2°，理論計算歸一化極值 Umaxl (42. 5° )= 1，Umaxl (132. 5° )= 0. 84006 和 Umin(90°，175° ) = 0.06394，按現(xiàn)有測量方法可得 β ‘ = π/2_(175° -90° )= 5°，ρ ‘ = tg"1 (Umin/2Umaxl) = 1.8310° ； (2)當(dāng)偏振非正交化角 β = 5°，偏振橢圓化 角為 P =5°，理論計算歸一化極值 Umaxl (42. 5° ) = 1, Umaxl (132. 5° ) = 0. 84193 和 Umin(90°，175° ) = 0. 15932，按現(xiàn)有測量方法可得 β ‘ = π/2-(175° -90° ) = 5°， P ‘ = tg"1 (Umin/2Umaxl) = 4.5546° ； (3)當(dāng)偏振非正交化角β = 5°，偏振橢圓化角為P =8°，理論計算歸一化極值Umaxl (42. 5° ) = LUmaxl (132. 5° )= 0. 84538 和Umin(90. 25°， 174.88 ° ) = 0. 25340，按現(xiàn)有測量方法可得 β ‘ = π/2-(174. 88 ° -90.25 ° )= 5.37°，P ‘ = tg"1 (Umin/2Umaxl) = 7.2203° ； (4)當(dāng)偏振非正交化角 β = 5°，偏振橢圓化角為 P = 11°，理論計算歸一化極值 Umaxl (42. 5° ) = 1，Umaxl(132.5° ) = 0.85047 和Umin(90.25 °，174. 75 ° )= 0. 34529，按照現(xiàn)有的測量方法可以計算得到β ‘= π /2-(174. 75° -90. 25° ) = 5. 5°，P ‘ = tg"1 (Umin/2Umaxl) = 9. 7953°。由上述計算結(jié) 果可知現(xiàn)有測量方法在偏振橢圓化角度的測量上存在較大的測量誤差，當(dāng)偏振橢圓化程度 較大時，偏振非正交化角的測量也存在一定的誤差。值得注意的是，上述的計算結(jié)果是在假 定振幅和角度測量不存在誤差的情況下得出的，然而即便如此，現(xiàn)有測量方法得到的計算 結(jié)果與真實值仍有一定的差異，這是由于現(xiàn)有測量方法建立于不完善理論模型之上，而本 發(fā)明中的方法基于完善的理論模型，不存在理論上的測量誤差，因此具有更高的測量精度。
另外，由上述實施實例可知，本發(fā)明中的方法只需要檢測激光拍頻振幅的極大值 和極小值，即可以精確地求解被測雙頻激光的偏振非正交化角和偏振橢圓化角，并不需要 測量極值點所對應(yīng)的偏振器透光軸的方位角，從而避免了現(xiàn)有方法中角度測量引入的測 量 誤差，所以在技術(shù)上本發(fā)明中的方法也具有更高的測量精度。
權(quán)利要求
一種雙頻激光的偏振非正交化角與偏振橢圓化角同步測量方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)將頻率為f1和f2、偏振非正交化角為β、偏振橢圓化角為ρ的被測雙頻激光通過偏振器后形成光學(xué)拍頻信號，其頻率為|f2-f1|，振幅為A(β，ρ，α)，其中α為偏振器透光軸的方位角；(2)步驟(1)所述的光學(xué)拍頻信號由光電探測電路接收并轉(zhuǎn)換為交流電信號，其頻率為|f2-f1|，振幅為Ae(β，ρ，α)＝k·A(β，ρ，α)，其中k為光電探測電路的增益；(3)步驟(2)所述的交流電信號進入交流有效值轉(zhuǎn)換電路，該轉(zhuǎn)換電路輸出電壓為輸入交流信號的有效值，即其數(shù)值由AD采集電路測量得到；(4)旋轉(zhuǎn)偏振器，改變其透光軸方位角α，交流有效值轉(zhuǎn)換電路輸出電壓隨α角而變化，出現(xiàn)極大值Umax1、Umax2和極小值Umin，其中Umax1≥Umax2；(5)由測量得到的極值電壓Umax1、Umax2和Umin，計算被測雙頻激光的偏振非正交化角與偏振橢圓化角FSA00000103468400011.tif,FSA00000103468400012.tif,FSA00000103468400013.tif
全文摘要
雙頻激光的偏振非正交化角與偏振橢圓化角同步測量方法屬于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，該方法將被測雙頻激光通過偏振器形成光學(xué)拍頻，并由光電探測電路轉(zhuǎn)換為交流電信號，其幅度值由交流有效值轉(zhuǎn)換電路和AD采集電路進行測量；旋轉(zhuǎn)偏振器，通過測量拍頻振幅的極大值和極小值，即可同時求解被測雙頻激光的偏振非正交化角和偏振橢圓化角。本方法基于完善的理論模型，綜合考慮了雙頻激光的偏振非正交化和偏振橢圓化特性，對二者的測量是同步完成的，不存在理論上的測量誤差；在技術(shù)上不需要對偏振器透光軸方位角度進行測量，避免了角度測量引入的測量誤差，更容易實現(xiàn)高精度的測量。
文檔編號G01J4/04GK101832819SQ20101015762
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者付海金, 劉立冬, 胡鵬程, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)