一種波片檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于光學(xué)元件檢測領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及一種波片檢測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 波片是光學(xué)儀器設(shè)計與光學(xué)測量領(lǐng)域中常用的光學(xué)元件，它能夠使得偏振光的兩 個垂直分量產(chǎn)生附加光程差(或相位差），該光程差稱為波片的相位延遲量。波片的相位延 遲特性可用于改變光波的偏振態(tài)(例如從線偏振光變成圓偏振光，從楠圓偏振光變成線偏 振光等），或者檢查光波的偏振態(tài)。波片通常由雙折射晶體制作而成，常用的雙折射晶體包 括云母、石膏、氣化儀、藍(lán)寶石、結(jié)晶石英等。
[0003] 波片的光學(xué)特性包括相位延遲量、快軸方位角、旋光角、二向色性、退偏指數(shù)等，運 些光學(xué)特性都會影響光學(xué)系統(tǒng)的性能，在實際使用過程中，需要對波片的光學(xué)特性進行精 確的檢測和標(biāo)定。
[0004] 目前，波片的檢測和標(biāo)定技術(shù)有很多種，包括干設(shè)法、激光頻率分裂法、相位比較 法、相位補償法、光譜法和時域法等。運些現(xiàn)有技術(shù)能夠?qū)Σㄆ哪承┕鈱W(xué)特性參數(shù)進行精 確的檢測和標(biāo)定，但存在著W下幾個方面的不足：（1)現(xiàn)有技術(shù)通常只能表征波片的一個或 兩個特征參數(shù)，如相位延遲量或快軸方位角，而難W對波片進行全面的檢測和表征；（2)有 些技術(shù)通常只能給出波片某個波長點的參數(shù)，然后利用材料的色散方程，計算得到其他波 長的參數(shù)值，或通過掃描波長給出波片的光譜數(shù)據(jù)，也難W在一次測量中直接檢測出波片 的光譜參數(shù)；（3)-些技術(shù)檢測精度很高，如激光頻率分裂法(現(xiàn)在波片相位延遲量檢測的 國標(biāo)即是基于運種方法），但檢測過程和數(shù)據(jù)處理都較為復(fù)雜，對操作人員技術(shù)要求較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種波片檢測裝置及方法，該方法利用穆勒矩陣表征波片 光學(xué)特性，通過建立波片的等效模型，將任意波片等效為一個具有二向色衰減特性的相位 延遲器、一個旋光器和一個退偏器組成的級聯(lián)系統(tǒng)，用相位延遲量δ、快軸方位角Θ、快慢軸 透過率幅值比角Φ、旋光角pW及退偏指數(shù)D五個參數(shù)表征。該發(fā)明裝置利用穆勒矩陣楠偏儀 能夠給出波片的穆勒矩陣光譜，因而該方法及其裝置可W在一次測量中可W獲得任意波片 所有五個特征參數(shù)光譜，且該方法及其裝置操作容易、數(shù)據(jù)處理簡單。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種波片檢測裝置，該裝置包括光源、起偏臂、 用于放置待檢測波片的樣品臺、檢偏臂和探測器;所述起偏臂、待檢測波片和檢偏臂的中屯、 在同一條直線上，光源發(fā)出的光經(jīng)過起偏臂起偏和調(diào)制后得到調(diào)制偏振光，調(diào)制偏振光經(jīng) 過待檢測波片禪合波片的信息后經(jīng)檢偏臂后調(diào)制和檢偏，最后被探測器接收。
[0007] 通過上述波片檢測裝置實現(xiàn)波片檢測的方法，包括W下步驟：
[000引S100、打開光源，調(diào)整起偏臂和檢偏臂，使其中屯、在同一條直線上；
[0009] S200、將待檢測波片放置在樣品臺上，調(diào)整樣品臺的高度及方位，保證放于樣品臺 上待檢測波片的中屯、與檢偏臂和檢偏臂的中屯、在同一條直線上，光源的光束垂直入射到待 檢測波片，并且光束光斑能夠全部通過待檢測波片；
[0010] S300、利用探測器測量待檢測波片的穆勒矩陣光譜M。，待檢測波片在波長為λ時的 測量穆勒矩陣Με(λ)為；
[001。
（7)
[0012]其中，Γ為所要檢測波片特征參數(shù)的光譜范圍，Γ是所提供波片檢測裝置穆勒矩 陣楠偏儀的可用波段范圍中的一個子集，λ為波段范圍Γ中的任意一個波長點，為πιυ(λ)α =1，2，3，4; j = 1，2，3，4)為在波長為λ時波片測量穆勒矩陣ΜΕ(λ)的歸一化元素；
[OOK] S400、根據(jù)現(xiàn)慢得到的待檢現(xiàn)峨片的測量穆勒矩陣Me獲得待檢現(xiàn)峨片的特征參數(shù) 光譜θ、δ，、φ、ρ和〇，θ為待檢測波片的快軸方位角、δ為相位延遲量、Φ為快慢軸透過率幅值比 角φ(λ)、ρ為旋光角、D為退偏指數(shù)。
[0014] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢：
[0015] (1)本發(fā)明所提供的波片檢測裝置及方法能夠檢測任意波片的特征參數(shù)，包括任 意材料任意中屯、相位延遲量的單波片、復(fù)合波片；
[0016] (2)本發(fā)明所提供的波片檢測裝置及方法能夠在一次測量中給出待檢測波片的所 有特征參數(shù)，包括相位延遲量、快軸方位角、旋光角、快慢軸透過率復(fù)制比角、退偏指數(shù)；
[0017] (3)本發(fā)明所提供的波片檢測裝置及方法能夠在一次測量中，給出待檢測波片特 征參數(shù)相位延遲量、快軸方位角、旋光角、快慢軸透過率復(fù)制比角、退偏指數(shù)光譜，包括所選 擇波段范圍內(nèi)所有波長點的特征參數(shù)值。
【附圖說明】
[0018] 圖1為單波片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2為由η個單波片按照光軸成一定夾角的復(fù)合波片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖3為本發(fā)明所提出的波片檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖4為本發(fā)明實施例所設(shè)及存在光軸對準(zhǔn)誤差的53化m四分之一波長石英復(fù)合零 級波片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖5為利用本發(fā)明所提波片檢測裝置得到的存在光軸對準(zhǔn)誤差的53化m四分之一 波長石英復(fù)合零級波片的穆勒矩陣光譜圖。
[0023] 圖6為利用本發(fā)明所提波片檢測裝置得到的存在光軸對準(zhǔn)誤差的53化m四分之一 波長石英復(fù)合零級波片的特征參數(shù)光譜圖。
【具體實施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進 行進一步詳細(xì)說明。此處說明若設(shè)及到具體實例時僅僅用W解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0025] 本發(fā)明中，任意波片是指由任意個數(shù)的單個晶片按照其光軸成任意夾角組合而成 的波片，其中由單個單晶片組成的波片稱為單波片，由多個單晶片組成的波片稱為復(fù)合波 片。
[0026] 單個波片的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，光線沿z軸負(fù)方向傳播，波片與x-o-y平面平行 放置，波片的快軸(F)與X之間的夾角Θ稱為波片的快軸方位角。多個單波片按照光軸成一定 的夾角組合而成，稱為復(fù)合波片，如圖2所示，光線沿Z軸負(fù)方向傳播，按照光線傳播方向，任 意復(fù)合波片的各單波片分別稱為波片1、波片2、···、波片n，各單波片的快軸分別表示為Fi、 F2、…、F3，θl、θ2、…、θ3分別為各單波片的快軸與X軸之間的夾角，稱為各單波片的快軸方位 角。
[0027] 本發(fā)明中波片穆勒矩陣表示為：
[002引
化)
[0029] 其中Μ為波片的穆勒矩陣，Mij (i = 1，2，3，4; j = 1，2，3，4)為波片穆勒矩陣的16個非 歸一化元素，111。。= 1，2,3,4^ = 1，2,3,4)為波片穆勒矩陣相對于化1歸一化的穆勒矩陣元 素。
[0030] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，具有二向色衰減特性的相位延遲器、旋光器和退偏器 的穆勒矩陣可W分別表示為
[0031]
[0034] 其中，1(0，5，11〇、1?(口)和1(〇)分別為具有二向色衰減特性的相位延遲器、旋光器、 退偏器的穆勒矩陣，Θ為相位延遲器的快軸方位角，δ為相位延遲器的相位延遲量，Φ為相位 延遲器的快慢軸透過率幅值比角，Ρ為旋光器的旋光角，D為退偏器的退偏指數(shù)，其中D可W 由分退偏指數(shù)da、山和山計算得到，
[003引
獄
[0036] 任意波片的等效模型用穆勒矩陣形式描述
[0037] M = R(P)R(-目)Μ(δ，φ)Κ(θ)Μ(0) (6)
[0038] 其中，Μ為任意波片的穆勒矩陣，Μ(θ，δ，φ)、Κ(ρ)和M(D)分別為具有二向色衰減特 性的相位延遲器、旋光器、退偏器的穆勒矩陣。
[0039] 任意波片的光學(xué)特性可W用一個如式（1)所示的穆勒矩陣表示。理想情況下，由多 個單波片按照光軸成一定的光軸夾角組成的復(fù)合波片在光學(xué)上可W等效為一個光學(xué)相位 延遲器和一個旋光器，用相位延遲量、快軸方位角和旋光角Ξ個特征參數(shù)表示。實際情況 下，波片由于材料缺陷、加工缺陷等因素會產(chǎn)生一定的二向色衰減特性和退偏特性，此時， 一個實際的復(fù)合波片可W等效為一個具有二向色衰減特性的相位延遲器、一個旋光器和一 個退偏器，用相位延遲量δ、快軸方位角Θ、快慢軸透過率幅值比角Φ、旋光角pW及退偏指數(shù)D 五個參數(shù)表征，如式(6)所示。本發(fā)明所提供的波片檢測方法基于上述波片等效原理。
[0040] 本發(fā)明波片檢測裝置為穆勒矩陣楠偏儀，如圖3所示，該穆勒矩陣楠偏儀包括一個 光源1、一個起偏臂PSG2、一個樣品臺3、一個檢偏臂PSA4、一個探測器5，其中待檢測波片6放 置在樣品臺上，其中樣品臺3可W上下移動和水平轉(zhuǎn)動W便調(diào)整待測波片6的高度和方位， 起偏臂PSG2和檢偏臂PSA4可W調(diào)整角度W便光束可不同的入射角入射到樣品臺3上待 檢測波片6。起偏臂PSG2、待檢測波片6、檢偏臂PSA4^者的中屯、在同一條直線上，光源1發(fā)出 的光經(jīng)過起偏臂PSG2起偏和調(diào)制后稱為調(diào)制偏振光，調(diào)制偏振光經(jīng)過待檢測波片，偏振光 的偏振態(tài)發(fā)生一定的變化，從而禪合了波片的信息，然后經(jīng)過檢偏臂PSA4后，偏振光被進一 步調(diào)制和檢偏，最后被探測器5接收，對探測器5接收到的信號進行處理可得到待檢測波片6 的穆勒矩陣，進一步利用本發(fā)明所提供波片檢測方法獲得波片的所有特征參數(shù)。
[0041] 實現(xiàn)任意波片的檢測過程并獲得波片的所有特征參數(shù)按照如下步驟實施：
[0042] S100、打開本發(fā)明所提供波片檢測裝置穆勒矩陣楠偏儀的光源，調(diào)整穆勒矩陣楠 偏儀的起偏臂PSG和檢偏臂PSA，使其中屯、在同一條直線上，保證從光源發(fā)出的光束能夠依 次經(jīng)過起偏臂PSG和檢偏臂PSA，探測器接收到的光強信號達(dá)到最強。
[0043] S200、將待檢測波片放置在穆勒矩陣楠偏儀的樣品臺上，調(diào)整樣品高度及方位，保 證波片的中屯、與穆勒矩陣楠偏儀檢偏臂PSG和檢偏臂PSA的中屯、在同一條直線上，光束垂直 入射到待檢測波片，并且光束光斑能夠全部通過待檢測波片。
[0044] S300、利用本發(fā)明所提供波片檢測裝置的穆勒矩陣楠偏儀測量待檢測波片的穆勒 矩陣光譜M。，待檢測波片在波長為λ時的測量穆勒矩陣Μ6(λ)為：
[0045]
(7)
[0046] 其中，Γ為所要檢測波片特征參數(shù)的光譜范圍，Γ是所提供波片檢測裝置穆勒矩 陣楠偏儀的可用波段范圍中的一個子集，λ為波段范圍Γ中的任意一個波長點，為πιυ(λ)α