用时间延迟激光感生双光栅测定两独立相干光相对相位变化的方法及装置

摘要

本发明涉及一种光学测量方法，特别是测量两束独立的相干光源间相位相对变化的方法以及专用的装置。本发明利用两独立的相干光源的光分为两束，它们在介质中分别感生出同期性空间光栅，两个空间光栅在介质中相互叠加而形成一个周期性的结构，再用一个可调光学延时器将每一独立相干光源的光所分介成的两束光中的一束光加以可调延时，然后用一探测光去探测上述同期性结构变化的时间延迟激光感生双光栅测定两独立相干光源间相对相位变化的方法及其装置。该方法测量迅速，准确。

说明书

本发明涉及一种光学测量方法，特别是测量两独立的相干光源间相位相对变化的方法以及专用的装置。

由于光源的相位是一个无规起伏的量，因而直接测量光源相位的变化几乎是不可能的。原有的技术几乎都是采用干涉的方法来测定一束光相位的改变，如：1、High-Precise  retardation  measurement  using  a  Phase  detection  of  Young′s  fsings  Proc  SPIE-Int  Soc  Opt  Eng（USA）

Vol  1163  p.30-8（1989）

2、A  new  method  for  measuring  phase  shift  in  heterodyne  interferometric  measurement

Rev  Sci  Instrum.（U.S.A）.vol.61.no.5

P.1442-7（May  1990）

但是所有这些方法都不能测定两个独立相干光之间的相对相位变化，因为两个独立的相干光源之间没有固定的相位关系，它们之间不能发生干涉，因而现有测定光相位变化的干涉方法无法用来测量两独立的相干光源间的相对相位变化。

本发明的目的在于克服已有技术的不足，从而提供一种利用时间延迟激光感生双光栅来测定两独立的相干光源间相对相位变化的方法及装置。该方法用：两独立的相干光源的光分别分介为两束光，它们在介质中分别感生出周期性的空间光栅，两个空间光栅在介质中相互迭加而形成一个周期性的结构，用一个可调光学延时器将每一独立相干光源的光所分介成的两束光中的一束光加以可调延时，因而上述周期性结构随光延时的大小而变化。用一束探测光去探测介质中形成的上述的周期性结构的变化，测量探测光被周期性结构所衍射而产生的信号光及测量信号光强度同光延时的关系曲线，该信号光的强度随光学延时量的大小而周期性地被调制。两独立相干光源的相位发生变化时，信号光强度-光学延时量大小关系曲线上峰值位置发生移动。从峰值位置的移动计算出两独立相干光源间相位的变化。

图1是时间延迟激光感生双光栅测定两独立相干光源间相位变化的原理图，图2是本发明的一种装置图，下面结合附图1和附图2进行详细地说明。

本发明的方法是：泵浦光束（1）和（2）均由来自两独立相干光源的频率为ω₁和ω₂的光所组成。频率为ω₁的光通过分束片BS3后分成两束光，一束光通过反射镜M₄，光学延迟线ODL和反射镜M₅而射入介质S，另一束光通过补偿器C₂，分束片BS₄而射入介质S，这两束光在介质中发生干涉。由于介质对光有一定吸收，在干涉花样光强强的地方介质的温度就较高;在干涉花样的暗处，介质的温度就较低，从而形成一个介质温度的空间周期性分布，即感生的热光栅。对频率为ω₂的光来说情况是一样的，也就是说ω₁和ω₂分别在介质中感生出它们自己的热光栅TGI和TG2。如果将另一束探测光（3）射到介质中，那么四波混频信号就是该探测光（3）被TG1和TG2衍射的结果。热光栅TG1和TG2的条纹间距为Λi≈λi/θ（i＝1，2），其中θ是两泵浦光束间的夹角。因为Λ₁≠Λ₂，因而热光栅TG1和TG2的相对位置将从同相位变为反相位，然后又是同相位，如图1所示。L是TG1和TG2的条纹数目之差为1的距离， $>>L>\approx >>>\lambda >1>2>>>1>>\lambda >1>2>>->>\lambda >2>>1.0>\; >$>为方便起见，考虑探测光束（3）的直径远小于L。当TG1和TG2同相位时，它们在空间增强性地相干，因而四波混频信号就得到增强;反之，如果TG1和TG2的相位相反，四波混频信号就减小。在本发明中，为了测量频率为ω₁和ω₂的相干光之间的相位变化，我们测量四波混频信号的强度同两泵浦光之间的相对时间延迟τ的关系。当改变相对时间延迟τ时，泵浦光中频率为ω₁和ω₂的光波同时被延时。由于ω₁ω₂，当τ变化时TG1和TG2间的相对相位也就发生了变化，因而四波混频信号的强度就相应地被调制，它的调制周期为2π1ω₁-ω₂l^-1，调制曲线上相邻的两峰相应于TG1和TG2的相位差2π.因而如果以泵浦光1作为标准，泵浦光2中ω₁和ω₂的相位，或ω₁ω₂间的相位差发生变化时，四波混频信号调制曲线峰值的位置就发生相应的移动。换言之，如果我们以泵浦光1作为标准，我们可以由四波混频信号调制曲线峰值位置的移动来精确地测量ω₁或ω₂的相位变化以及ω₁ω₂间相位差的变化。

本发明的方法所用的相干光源是连续波相干光源或脉冲相干光源均可，所使用的光学延时器是棱镜光学延时器、反射镜光学延时器和其它可产生光学延时的任何装置。另外，所说的两独立相干光源的光感生出空间光栅的介质可以是同一介质，也可以是两种不同的介质。对于两种不同介质的情况，两探测光是从同一光源产生的，两探测光分别被两个空间光栅衍射产生两个信号光，这两个信号光在探测器上相干后被检测。所用介质可以是气体、液体或凝聚态物质，液晶、光折变材料。在介质中所感生出的周期性空间光栅可以是热光栅、布居栅或分子取向光栅。

本发明的利用时间延迟激光感生双光栅测量两独立的相干光相对相位变化的装置，包括由相干光源（1）、光延迟器ODL、改变光相位的器件C₁，C₂，分束片BS，探测光源（3），反射镜M、光探测器PD、光电信号处理器（2）、介质S、微机（4）、步进电机驱动器（5）组成;其光路为两独立相干光源（1）发射的ω₁光和ω₂，ω₁通过光延迟器ODL入射到介质S>2通过改变相位器件入射到介质S;探测光源（3）的发射光入射到介质S，通过ODL延迟器的光信号入射到光电信号处理器（2）再输入到微机（4），微机（4）的电信号输入步进电机驱动器（5）再到ODL，改变光相位的器件包括：补偿器、半波片、光楔、1/4波片等。光电信号处理器包括：信号平均器、Boxcovr积分器，锁相放大器。

下面结合附图和本发明装置的实施方案对本发明作进一步详细说明：

图2所示的框图是本发明利用时间延迟激光感生双光栅法来测量两独立的相干光相位差变化的一个装置和具体测量过程的一种实施例。图中YAG和SHG是Nd：YAG激光器及二次谐波发生器;DLI和DL2是染料激光器;BS1，BS2，BS3，BS4是分束片;M1，M2，M3，M4，M5，M6，M7，M8是反射镜;ODL是光学延迟线;PD是光二极管;S是介质;C1，C2是巴俾涅一索累补偿器;EG&G4203是信号平均器（2）;HP-85是微计算机（3）;MOTOR-DRIVER是步进电机驱动器。介质是嗪的乙醇溶液，克分子浓度为2×10^-4。由Nd：YAG激光器的二次谐波泵浦的染料激光器DL1和DL2产生波长为5820埃和5840埃的激光。其脉冲宽度为5ns，线宽分别为0.07埃和0.3埃，激光脉冲的能量约100μJ。这两束激光分别被反射镜M1，M3及M2反射后通过BS3并合到一起并分成泵浦光1和泵浦光2;泵浦光1被M4反射后，通过光延迟线ODL，被M5反射后射入介质S;泵浦光2通过补偿器C2后被分束片BS4部分反射，同泵浦光1以1.5°的夹角在介质中相交。光斑直径为1mm。泵浦光1和泵浦光2间的相对时间延迟由步进电机控制的光学延迟线ODL来改变。光学延迟线是一块安装在可移动底座上的等腰直角棱镜，光束垂直于棱镜的斜面入射到棱镜中，经两侧面全反射后，反向地出射。步进电机通过传动机构使安有直角棱镜的底座沿光束方向前后平动，从而实现光束的延时。用Nd：YAG激光器的二次谐波作为探测光（光束3），它沿着光束1的相反方向传播。在介质上探测光的直径为0.2mm。四波混频信号（光束4）几乎沿光束2的反向传播。微调M3使TG1及TG2产生的四波混频信号在同一方向上，该信号通过分束器BS4，用光二极管探测后送入信号平均器。微机HP-85用于数据采集并用来控制步进电机以改变相对时间延迟τ。从DL1及DL2发出的激光ω₁及ω₂均为垂直偏振。补偿器C₁将ω₂的偏振转90°。补偿器C2的晶体光轴垂直（或水平）取向，因而改变补偿器C2的光学厚度时，ω₁和ω₂的相对相位发生变化，但其偏振状态不变。

我们测量四波混频信号强度随相对时延τ变化的曲线。对于补偿器C2的不同光学厚度，该曲线的四波混频信号峰值处于不同的位置。从补偿器C2的读数计算出其光学厚度的变化，从而计算出由此引起的光束1和光束2之间附加的时间延迟。对此进行修正后，从四波混频信号峰值位置的移动就可测出TG1及TG2（因而ω₁及ω₂）间的相位差的变化。

另一方面，从补偿器C2光学厚度的变化，计算出由此引起的ω₁、ω₂间相位差的变化。测量值和计算值很好地相符。

优点：本发明提供一种实用的测量两独立相干光之间的相对相位变化的方法，该方法简单、测量迅速、精确。