一种线偏振光偏振矢量方位的测量方法及其装置

摘要

本发明提供一种线偏振光偏振矢量方位的测量方法及其装置，其测量装置包括偏振器件、基准棱镜、自准直经纬仪、带动偏振器件水平转动的一维转台和沿透光轴依次设置于偏振器件出射光路上的聚光镜和光电探测器，采用电控系统指示偏振器件是否转动到消光位置；偏振器件是由三块材料参数完全相同的方解石晶体胶合而成的一体件，其中，位于中间的方解石晶体记为A，位于两侧的方解石晶体分别记为B、C；则A具有上、下通光面，B、C均为楔形且B具有下通光面、C具有上通光面；B、C分别与A形成的斜向胶合面相互平行。本发明的测量装置的检测精度可以控制在10″以内；同时具有原理简单、操作方便等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种线偏振光偏振矢量方位的测量方法及其装置。

背景技术

线偏振光的偏振矢量方位永远保持不变，此特点使其广泛应用于精密测 试计量领域。而线偏振光偏振矢量方位的测量精度直接影响了精密测试或计 量的最终精度。

如图1所示，目前常用的线偏振光偏振矢量方位的测量方法：入射光I0 为一线偏振光，垂直入射于偏振器件P，用光电探测器D接收通过P的光能 量。若以入射光束I0为轴旋转偏振器件P，在P旋转360°的过程中，当入 射线偏振光的矢量方位与偏振器件的透光轴平行时，D接收到的光强为极大， 两者垂直时D接收到的光强为最小。最终由偏振器件的旋转角度可确定待测 线偏振光的矢量方位，但此方法的精度仅为1°。可通过“遮影”等方法获得 较高的精度，但测量系统复杂，精度最高也只能到0.1°左右。

上述测量方法复杂，检测精度低，无法满足精密测量或计量的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种线偏振光偏振矢量方位的测量方法及其装 置，简单易于实现，测量精度高，解决了背景技术中存在的主要问题。

本发明的技术方案如下：

一种线偏振光偏振矢量方位的测量方法，该方法包括以下步骤：

1)设置偏振器件、光电探测器和自准直经纬仪，其中，光电探测器设置 于偏振器件的透光轴上，自准直经纬仪用于对偏振器件的侧面自准测量；

所述的偏振器件是按照格兰泰勒偏振器的原理由三块材料参数完全相同 的方解石晶体制成的一体件，其中，位于中间的方解石晶体记为A，位于两侧 的方解石晶体分别记为B、C；则A具有上、下通光面，B、C均为楔形且B具 有下通光面、C具有上通光面；B、C分别与A形成的斜向胶合面相互平行；

2)使一束线偏振光依次通过偏振器件的A、B部分，输出至光电探测器， 根据光电探测器得到的信号判断偏振器件是否相对线偏振光处于消光位置； 假设偏振器件的透光轴方向为竖直方向，则水平转动偏振器件，使偏振器件 相对线偏振光处于消光位置，即偏振器件的透光轴与入射线偏振光偏振矢量 方向垂直；采用自准直经纬仪对偏振器件A部分的侧面自准测量，得到方位 角θ1；

3)保持自准直经纬仪方位不变，将偏振器件自身翻转180°，使此时的 入射线偏振光依次穿过偏振器件的A、C部分；

再次水平转动偏振器件，使偏振器件相对线偏振光处于消光位置；并由 所述自准直经纬仪对偏振器件A部分的侧面自准测量，得到方位角θ2；

4)按照计算得到线偏振光偏振矢量的方位角

上述偏振器件的水平转动可以由一维转台实现，转台转轴与水平面垂直。

在上述步骤2)和步骤3)中，具体可以通过设置一个与偏振器件固连的 基准反射面，实现自准直经纬仪对偏振器件A部分的侧面自准测量。

上述偏振器件的消光比最好不大于10^-5；一维转台的角度分辨率不大于 0.2″。

一种实现上述检测方法的测量装置，包括偏振器件、基准棱镜、自准直 经纬仪、带动偏振器件水平转动的一维转台和沿透光轴依次设置于偏振器件 出射光路上的聚光镜和光电探测器，采用电控系统指示偏振器件是否转动到 消光位置；其中，自准直经纬仪用于对偏振器件的侧面自准测量；所述基准 棱镜与偏振器件通过镜框固连使得偏振器件与基准棱镜翻转后定位可靠，从 而实现测量基准棱镜的方位以代替测量偏振器件的侧面方位；

所述的偏振器件是由三块材料参数完全相同的方解石晶体胶合而成的一 体件，其中，位于中间的方解石晶体记为A，位于两侧的方解石晶体分别记为 B、C；则A具有上、下通光面，B、C均为楔形且B具有下通光面、C具有上 通光面；B、C分别与A形成的斜向胶合面相互平行。

上述偏振器件的消光比最好不大于10^-5；一维转台的角度分辨率不大于 0.2″。

上述偏振器件与基准棱镜具体可以通过紧固螺钉装配于同一镜框中。

上述偏振器件的所有通光面的外表面均可以镀有减反射膜，使得反射率 不高于0.7％。

本发明中设计的线偏振光偏振矢量方位的测量装置，由于采用了三块相 同参数的方解石晶体胶合而成的偏振器件，配以高精度转台及电控处理系统， 其检测精度可以控制在10″以内；同时具有原理简单、操作方便等优点；另 外，增加了基准棱镜5、聚光镜2，增强了工程化应用的能力。

附图说明

图1为传统的线偏振光偏振矢量方位测量方法示意图。

图2为本发明的检测装置的结构示意图。

图3为本发明的偏振器件的结构以及检测原理示意图(若将图3的坐标 系移入图2，则图2的偏振器件是沿Z轴转动。)

附图标号说明：

1-偏振器件；  2-聚光镜；  3-光电探测器；  4-基座； 5-基准棱镜；  6-紧固螺钉；  7-电控系统；  8-仪器罩；  9-入射线偏 振光。

具体实施方式

一种线偏振光偏振矢量方位的测量方法，包括以下步骤：

1)偏振器件及光电探测器件的相对位置见图3；

2)使一束线偏振光通过偏振器件的A、B部分，被光电接收器接收。转 动偏振器件，使偏振器件相对线偏振光处于消光位置，此时可认为偏振器件A 部分的透光轴与入射线偏振光偏振矢量方向垂直。采用高精度自准直经纬仪 对偏振器件A部分的侧面自准测量，得到方位角θ1；

3)将偏振器件绕Y轴翻转180°，使入射线偏振光穿过偏振器件的A、C 部分，转动偏振器件，使偏振器件相对线偏振光处于消光位置。再次用同一 高精度自准直经纬仪对偏振器件A部分的侧面自准测量，得到方位角θ2；

4)按照公式计算得到线偏振光偏振矢量的方位角

偏振器件1依据格兰泰勒偏振器原理设计，由三块材料参数完全相同的 光学级方解石晶体胶合而成。A部分是一整块材料，材料均匀性好，无双折射。 偏振器件1采用光学级方解石晶体。偏振器件1消光比为10^-5。偏振器件B部 分与A部分胶合面的空气隙无杂质，厚度均匀。C部分与A部分胶合面的空气 隙无杂质、厚度均匀。偏振器件B部分的通光面、A部分的上下通光面、C部 分的通光面镀减反射膜，要求反射率不高于0.7％。

偏振器件的水平转动可由高精度一维转台实现，将偏振器件安装于转台 台面上，转台转轴与水平面垂直。转台角度分辨率不大于0.2″。

偏振器件两次通光的顺序不是唯一的：可以先通过A、B部分再通过A、C 部分，也可以倒序，但必须保证每次入射线偏振光先通过偏振器件A部分。

偏振器件在测量过程中，转动偏振器件到消光位置后，用高精度自准直 经纬仪测量A部分侧面的方位。测量完毕后，须保证自准直经纬仪方位稳定， 再次翻转偏振器件后，转动到消光位置，用同一台自准直经纬仪测量A部分 同一侧面的方位，计算得到线偏振光偏振矢量方位。

偏振器件在测量过程中，线偏振光的入射角在偏振器件的孔径角范围(取 决于偏振棱镜的设计参数)即可，使得线偏振光依次通过偏振器件的A、B部 分或者A、C部分。

如图2所示本发明的线偏振光偏振矢量方位的测量装置，由偏振器件1 及其镜框、聚光镜2及其镜框、光电探测器3、基座4、基准棱镜5、紧固螺 钉6、电控系统7及仪器罩8组成。偏振器件180°翻转时，需要拆卸偏振器 件镜框两边紧固螺钉。

基准棱镜5为二次反射型直角棱镜，直角棱镜弦面镀减反射膜，反射率 不大于0.7％。两个直角面镀内反射膜，反射率不低于95％。直角棱镜出射光 束与入射光束的方位偏差不大于5″。基准棱镜5正前方架设高精度自准直经 纬仪，经纬仪物镜光轴与基准棱镜5棱脊目视等高。测量过程中，自准直经 纬仪方位稳定可靠。

聚光镜2及镜框与基座过渡盘螺钉连接。光电探测器3及其处理电路板 置于聚光镜正下方。其余电控系统电路板置于仪器罩中。偏振器件1及镜框、 聚光镜2及镜框、光电探测器3、基准棱镜5、紧固螺钉6及电控系统置于基 座4上。基座下表面为研磨平面。

用测量基准棱镜的方位代替测量偏振器件A部分侧面的方位，既便于工 程化，且可将线偏振光偏振矢量方位与基准棱镜法平面之间建立固定的方位 角关系，便于工程化应用。因此，偏振器件1与基准棱镜5固连在一个镜框 结构中，一起翻转。聚光镜2及镜框作用是将偏振器件的出射光汇聚至光电 探测器上。电控系统主要用于判别是否到消光位置及到消光位置时的信号提 示。

目前常用的线偏振光偏振矢量方位的测量方法按照图1的示意图进行， 测量精度在0.1°左右。而采用本发明中提供的线偏振光偏振矢量方位的测量 装置，由于其偏振器件为三块相同材料的方解石晶体胶合而成，测量过程中 线偏振光两次穿过偏振器件的同一部分，通过高精度转台及电控系统得到偏 振器件与线偏振光的消光位置，其测量精度可以控制在10″以内，同时具有 测量原理简单，操作容易、工程化能力强等优点。本发明可用于方位垂直传 递装置中上下仪器互换性功能的实现。