CN105136681A - 一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及线性双折射测量的技术领域，具体涉及一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置；提供一种高速、高精度、高灵敏、操作方便可控、稳定性好和成本低的微小线性双折射的测量装置；检测激光经准直后，依次通过起偏器、弹光调制器、待测量样品和电光调制器，最后经检偏出射到光电探测器，检测信号，经低通滤波得到直流项，并经FPGA数字锁相得到弹光调制基频项数据，直流项数据连同基频项数据传入计算机，最后计算机完成线性双折射数据处理，存储和显示；本发明主要应用在弹光偏振调制方面，能够同时获取线性双折射的幅值和方向，无需机械调节，工作稳定，便于工业化集成，为线性双折射测量及相关应用领域提供了新理论和新方法。

Description

一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置

技术领域

本发明涉及线性双折射测量的技术领域，更具体而言，涉及一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置，是一种实时、稳定、高精度和高灵敏的微小线性双折射测量装置。

背景技术

双折射是各向异性光学材料的固有性质，但各项同性光学材料，例如光学玻璃、氟化钙和硒化锌等，在外力或加工残余应力作用下也会发生双折射现象，这样的双折射非常微小，通常称之为线性双折射。但对其精确测量不仅可以详细地了解材料的弹性性质，也可以监控光学器件在加工、装调和固定过程中造成的光学不均匀性。特别近年来，低畸变的光学器件在高精密成像，高精密检测和高精密制造等领域需求更为严刻，并且微小双折射测量在生物学领域也逐渐被应用。因此，对微小双折射实现高灵敏和高精度的测量是十分重要的。

现阶段主要有偏振光干涉和偏振光调制两种方法用于线性双折射的测量。传统的偏振光干涉方法是将样品置于正交的偏振片之间来观测偏振光干涉图样，该方法操作简单，成本较低，现象直观，但测量精度和灵敏度较低；因此，声光调制、法拉第磁光调制和弹光调制等偏振光调制方法被相继应用于线性双折射的测量。鉴于弹光调制具有宽光谱窗口、大通光口径、高调制纯度和高调制稳定性的优势。较其他偏振调制方法，弹光调制实现了更高灵敏度的线性双折射测量。自1975年F.A.Modine第一次把弹光调制技术运用于双折射测量以来，已经相继发展了单弹光单探测系统，单弹光双探测系统和双弹光单测系统。单弹光单探测系统对于快轴方向已知的光学样品能够一次测量出其双折射，若快轴方向未知，则需旋转样品或检偏器经过两次测量得到样品幅值和快轴方向；单弹光双探测系统能够同时测量出双折射幅值和快轴方向，但需两个探测器和两个锁相放大器，并且检测光路经分光器件分光到两个探测器时偏振方向会发生改变，难以控制，因而降低了双折射探测精度；双弹光单探测系统能够精确测量双折射幅值和快轴方向，但需两个调制频率相差的弹光调制器和三个锁相放大器，测量过程复杂，成本昂贵。

发明内容

为了克服上述技术中的缺陷，本发明在利用弹光调制的优势基础上，结合电光调制技术和数字锁相信号处理技术，提供一种高速、高精度、高灵敏、操作方便可控、稳定性好和成本低的微小线性双折射幅值和快轴方向的测量装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置，包括检测激光、准直透镜、起偏器、弹光调制器、待检测样品、电光调制器、检偏器、光电探测器、信号采集和数字锁相模块和计算机PC，所述准直透镜、起偏器、弹光调制器、待检测样品、电光调制器、检偏器、光电探测器、信号采集和数字锁相模块和计算机PC依次排列；所述信号采集和数字锁相模块包括FPGA、第一采集单元和第二采集单元，所述第一采集单元和第二采集单元分别与FPGA连接；所述光电探测器分别经前置放大器和低通滤波器与第一采集单元和第二采集单元一一对应连接；所述弹光调制器包括弹光晶体和LC谐振高压驱动电路，所述弹光晶体通过LC谐振高压驱动电路与FPGA连接，所述弹光调制器的LC高压驱动电路的信号源由FPGA提供，使得锁相时的参考信号与弹光调制器的调制信号同频同源；所述电光调制器包括电光晶体和直流高压驱动电路，所述电光晶体通过直流高压驱动电路与计算机PC连接。

所述检测激光选用单色性和稳定性较好，632.8nm波长的氦氖激光光源。

所述起偏器和检偏器均选用消光比优于100000:1的方解石格兰泰勒偏振器。

所述弹光调制器选用通光晶体为各向同性熔融石英的单压电石英驱动长棒状弹光调制器，谐振频率为50kHz。

所述电光调制器为利用铌酸锂横向电光效应制成的电光调制器，沿光轴方向Z通光，沿晶体坐标Y方向施加电场。

所述起偏器和检偏器的偏振轴方向相对于弹光调制器的调制快轴方向，分别取45°和-45°，所述的电光调制器的调制快轴方向，相对于弹光调制器的调制快轴方向取-22.5°。

所述光电探测器输出的信号，其中交流部分经前置放大器放大后由第一采集单元采集并传入FPGA实现数字锁相，其中直流部分经低通滤波器滤波后由第二采集单元采集传入FPGA寄存，并连同数字锁相数据传入计算机PC。

所述电光调制器分别施加V＝0和半波电压V＝V_π的两种电场，解调调制信号便可求解出线性双折射的幅值和方向。

所述计算机PC中编写Labview程序控制电光调制器两种电场的施加，并完成线性双折数据的处理，存储，并作DA输出显示，实现实时监控。

检测激光经准直后，依次通过起偏器、弹光调制器、待测量样品和电光调制器，最后经检偏出射到光电探测器。检测信号，经低通滤波得到直流项，并经FPGA数字锁相得到弹光调制基频项数据。直流项数据连同基频项数据传入计算机，最后，计算机完成线性双折射数据处理，存储和显示。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：

1)本发明采用弹光调制器和电光调制器级联，单弹光单探测系统便实现了线性双折射幅值和快轴方向的探测，探测过程无机械调节，探测系统稳定性好，能够实现实时快速的探测；

2)本发明采用数字锁相放大技术来进行信号处理。信号采集和数字锁相均由FPGA控制完成，并且弹光调制器的LC谐振高压驱动电路的输入信号也由FPGA提供，保证了参考信号与调制基频信号同频，同源；

3)本发明由计算机完成锁相数据和直流信号数据的处理，最终求解得出线性双折射幅值和快轴方向，进而进行存储和显示。此外计算机，还控制电光调制器的工作状态；

4)本发明测量灵敏度和精度较高，无运动部件，成本较低，利于工业自动化集成。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中：1为检测激光、2为准直透镜、3为起偏器、4为弹光调制器、5为待检测样品、6为电光调制器、7为检偏器、8为光电探测器、9为前置放大器、10为低通滤波器、11为信号采集和数字锁相模块、12为计算机PC。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种弹光调制和电光调制级联测微小双折射的装置及方法，该测量装置主要包括：检测激光1、准直透镜2、起偏器3、弹光调制器4、待检测样品5、电光调制器6、检偏器7、光电探测器8、前置放大器9、低通滤波器10、信号采集和数字锁相模块11和计算机PC12。

首先，将弹光调制器调制快轴调节与水平方向重合，起偏器和检偏器偏振轴相对弹光调制器调制快轴分别成45°和-45°，电光调制器调制快轴相对弹光调制器调制快轴成-22.5°。上述系统运用Stokes参量和穆勒矩阵分析较为方便。通过起偏器后的入射光Stokes参量为

$S_{in}=I_0\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 1\\ 0\end{array}\right]---\left(1\right)$

上式中，I₀为检测激光通过起偏器后的总强度。令双折射样品的相位延迟幅值为β，快轴相对弹光调制器的快轴夹角为θ，则双折射样品的穆勒矩阵为

$M_s=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\cos }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)+{\sin }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\β}\right)& \cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\left(1-\cos \left(\mathrm{\β}\right)\right)& -\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ 0& \cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\left(1-\cos \left(\mathrm{\β}\right)\right)& {\sin }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)+{\cos }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\β}\right)& \cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ 0& \sin \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\β}\right)& -\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\β}\right)& \cos \left(\mathrm{\β}\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

弹光调制器和检偏器的穆勒矩阵可分别表示为

$M_{PEM}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& cos\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)& sin\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)\\ 0& 0& -sin\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)& cos\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

$M_A=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(4\right)$

式中，δ_PEM＝δ₀sin(ωt)，δ₀为弹光调制器的相位调制幅值，ω为弹光调制器的调制圆频率。

对于电光调制器，利用铌酸锂单轴晶体的横向体电光效应，采用Y切晶片，沿晶片光轴Z方向通光，在晶片Y方向上施加电场。该类型横向体电光调制器无静态双折射，未施加电场，即V＝0时，入射光通过电光调制器不发生调制；施加半波电压，即V＝V_π时，调制快轴沿晶片Y方向，并使通过光的o光和e光两分量产生π的相位延迟，因此电光调制器两种工作状态的穆勒矩阵分别可以描述为

(Ι)未施加电场V＝0时， $M_{EOM}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

(ΙΙ)施加半波电压V＝V_π时， $M_{EOM}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\\ 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& 0& -1\end{array}\right]---\left(6\right)$

各光学元件轴向理想匹配后，忽略检测激光传播过程中的损失，经检偏器后出射光Stokes参量为

S_out＝M_AM_EOMM_SM_PEMS_in(7)

将(1)—(6)式带入(7)式，并将电光调制的两种情况考虑，则探测器探测到的光强分别为

$I_I=\frac{I_0}{2}\left(1+\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\β}\right)\sin \left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)-\cos \left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)\left(\cos \left(\mathrm{\β}\right){\cos }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)+{\sin }^2\left(2\mathrm{\θ}\right)\right)\right)---\left(8\right)$

$I_{II}=\frac{I_0}{2}\left(1+sin\left(2\mathrm{\θ}\right)sin\left(\mathrm{\β}\right)sin\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)-cos\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)\left(cos\left(\mathrm{\β}\right)-1\right)cos\left(2\mathrm{\θ}\right)sin\left(2\mathrm{\θ}\right)\right)---\left(9\right)$

(8)式为电光调制器不施加调制电压时探测器探测到的光强，(9)式为电光调制器施加半波电压时探测器探测到的光强。将上式中的sin(δ_PEM)＝sin(δ₀sin(ωt))和cos(δ_PEM)＝cos(δ₀sin(ωt))利用第一类贝塞尔级数展开得

$sin\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)=\underset{2k-1}{\Σ}2J_{2k-1}\left({\mathrm{\δ}}_0\right)sin\left(\right(2k-1\left)\mathrm{\ω}t\right)---\left(10\right)$

$cos\left({\mathrm{\δ}}_{PEM}\right)=J_0\left({\mathrm{\δ}}_0\right)+\underset{2k}{\Σ}2J_{2k}\left({\mathrm{\δ}}_0\right)cos\left(\right(2k\left)\mathrm{\ω}t\right)---\left(11\right)$

上述两式中，k为正整数，J₀为0阶贝塞尔级数，J_2k-1，J_2k分别为2k-1阶和2k阶贝塞尔级数。将上述两式带入(8)和(9)式，并省略3阶以上的高阶贝塞尔级数得

$I_I=\frac{I_0}{2}(1+2J_1({\mathrm{\δ}}_0)cos\left(2\mathrm{\θ}\right)sin\left(\mathrm{\β}\right)sin\left(\mathrm{\ω}t\right)-\left(J_0\right({\mathrm{\δ}}_0)+---\left(12\right)$

2J₂(δ₀)cos(2ωt))(cos(β)cos²(2θ)+sin²(2θ)))

$I_{II}=\frac{I_0}{2}(1+2J_1({\mathrm{\δ}}_0)\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)sin\left(\mathrm{\β}\right)sin\left(\mathrm{\ω}t\right)-\left(J_0\right({\mathrm{\δ}}_0)+---\left(13\right)$

2J₂(δ₀)cos(2ωt))(cos(β)-1)cos(2θ)sin(2θ))

将弹光调制器的相位调制幅值设置为δ₀＝2.405rad使得J₀(2.405)＝0，则两种情况下探测器输出的直流信号项

$V_I\left(dc\right)=V_{II}\left(dc\right)=\frac{K_1{I}_0}{2}---\left(14\right)$

式中，K₁是与探测器光电转换有关的常数。针对(12)和(13)两式的电光调制器的两种工作状态，交流信号先经前置放大器放大，再运用数字锁相放大技术提取出弹光调制基频项分别为

V_Ι(1f)＝K₂K₁I₀J₁(2.405)cos(2θ)sin(β)(15)

V_ΙΙ(1f)＝K₂K₁I₀J₁(2.405)sin(2θ)sin(β)(16)

上述两式中，K₂是与前置放大和锁相放大增益有关的常数。比较(14)式，(15)和(16)式，为了解调出样品待测的线性双折射，锁相输出的基频项数据与直流项数据的比值通常用到，并且比值分别为

$R_I=\frac{V_I\left(1f\right)}{V_I\left(dc\right)}=2K_2{J}_1\left(2.405\right)cos\left(2\mathrm{\θ}\right)sin\left(\mathrm{\β}\right)---\left(17\right)$

$R_{II}=\frac{V_{II}\left(1f\right)}{V_{II}\left(dc\right)}=2K_2{J}_1\left(2.405\right)sin\left(2\mathrm{\θ}\right)sin\left(\mathrm{\β}\right)---\left(18\right)$

由式(17)和(18)式可知，检测激光的不稳定性被消除，并可以求解得到线性双折射的相位延迟幅值和快轴方向角分别为

$\mathrm{\β}={\sin }^{-1}\left(\frac{1}{2K_2{J}_1\left(2.405\right)}\sqrt{{R_I}^2+{R_{II}}^2}\right)---\left(19\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{R_{II}}{R_I}\right)---\left(20\right)$

由上述两式可知，双折射幅值和快轴夹角的探测是相互独立的；由式(19)，对于本方案设计，线性双折射的测量幅值不超过(延迟量为158.2nm在检测激光为632.8nm)，即量程为0到由(20)式可知，Ι通道一倍频项的值与cos(2θ)保持同号，ΙΙ通道一倍频项的值与sin(2θ)保持同号，所以(20)式计算出的快轴夹角在-90°到90°是可分辨的，即为双折射快轴方向角的量程。

信号采集和数字锁相模块的FPGA给弹光调制器LC谐振高压驱动电路提供输入信号的同时，产生基频的参考信号。FPGA完成参考信号和采集的交流信号的乘，然后累加，并输出给计算机PC。并且FPGA控制直流信号的采集并寄存后传输给计算机PC。在计算机PC中编制Labview的控制电光调制器两种工作状态模式的切换，并对应完成线性双折射的相位延迟幅值和快轴方向角的解调，存储并显示输出。此外，FPGA还能够同时完成其他倍频通道的数据锁相。本测量装置有时还需监测二倍频项，来作为系统的工作状态和性能的判断参考。

此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了较详细的说明，所属领域的技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置，其特征在于：包括检测激光(1)、准直透镜(2)、起偏器(3)、弹光调制器(4)、待检测样品(5)、电光调制器(6)、检偏器(7)、光电探测器(8)、信号采集和数字锁相模块(11)和计算机PC(12)，所述准直透镜(2)、起偏器(3)、弹光调制器(4)、待检测样品(5)、电光调制器(6)、检偏器(7)、光电探测器(8)、信号采集和数字锁相模块(11)和计算机PC(12)依次排列；所述信号采集和数字锁相模块(11)包括FPGA、第一采集单元和第二采集单元，所述第一采集单元和第二采集单元分别与FPGA连接；所述光电探测器(8)分别经前置放大器(9)和低通滤波器(10)与第一采集单元和第二采集单元一一对应连接；所述弹光调制器(4)包括弹光晶体和LC谐振高压驱动电路，所述弹光晶体通过LC谐振高压驱动电路与FPGA连接；所述电光调制器(6)包括电光晶体和直流高压驱动电路，所述电光晶体通过直流高压驱动电路与计算机PC(12)连接。

2.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置，其特征在于：所述检测激光(1)选用单色性和稳定性较好，632.8nm波长的氦氖激光光源。

3.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置，其特征在于：所述起偏器(3)和检偏器(7)均选用消光比优于100000:1的方解石格兰泰勒偏振器。

4.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置，其特征在于：所述弹光调制器(4)选用通光晶体为各向同性熔融石英的单压电石英驱动长棒状弹光调制器，谐振频率为50kHz。

5.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置，其特征在于：所述电光调制器(6)为利用铌酸锂横向电光效应制成的电光调制器，沿光轴方向Z通光，沿晶体坐标Y方向施加电场。

6.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置，其特征在于：所述起偏器(3)和检偏器(7)的偏振轴方向相对于弹光调制器(4)的调制快轴方向，分别取45°和-45°，所述的电光调制器(6)的调制快轴方向，相对于弹光调制器(4)的调制快轴方向取-22.5°。

7.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置，其特征在于：所述光电探测器(8)输出的信号，其中交流部分经前置放大器(9)放大后由第一采集单元采集并传入FPGA实现数字锁相，其中直流部分经低通滤波器(10)滤波后由第二采集单元采集传入FPGA寄存，并连同数字锁相数据传入计算机PC(12)。

8.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置，其特征在于：所述电光调制器(6)分别施加V＝0和半波电压V＝V_π的两种电场，解调调制信号便可求解出线性双折射的幅值和方向。

9.根据权利要求8所述的一种弹光调制和电光调制级联测微小线性双折射的装置，其特征在于：所述计算机PC(12)中编写Labview程序控制电光调制器(6)两种电场的施加，并完成线性双折数据的处理，存储，并作DA输出显示，实现实时监控。