一种弹光调制测旋光的装置及方法

摘要

本发明涉及一种弹光调制测旋光的装置及方法，属于弹光偏振调制的应用研究领域；提供一种实时、高速、高精度和高灵敏的光学旋光测量装置及方法；本发明是基于弹光偏振调制技术、差分平衡探测技术和数字锁相放大技术实现的，检测激光被扩束准直后经分光棱镜一分为二，一束光构成检测光路，另一束光构成参考光路，参考光路和检测光路光强相同时，差分输出携带旋光信息的调制交流信号，探测器输出直流信号，交流信号经前置放大后，经AD采集输入FPGA完成数字锁相，直流信号经低通滤波后，由AD采集输入FPGA，连同数字锁相数据传入计算机，最后，计算机完成旋光数据处理，存储和显示；本发明主要应用在弹光偏振调制的应用和旋光测量方面。

说明书

技术领域

本发明涉及弹光偏振调制的应用和旋光测量技术领域，更具体而言，涉及一种弹光调制测旋光的装置及方法，是一种实时、高速、高精度和高灵敏的光学旋光测量方法。

背景技术

近年来，旋光现象及其应用受到越来越广泛的研究，对于光学旋光的高精度和高灵敏度测量，在材料的旋光色散，旋光吸收和磁致旋光等领域具有重要意义。特别值得指出的是，新一代量子操控磁强计/惯性测量装置研制成功以来，对被操控量子产生的旋光测量直接决定了该新型陀螺仪的探测精度和灵敏度。

早期，消光法被运用于检测旋光，该方法虽然操作简单、成本低，但其测量灵敏度较低，并且每次测量需旋转检偏器，精度无法保证，也无法实现实时高速的旋光测量；因此，研究者们相继提出了声光调制、电光调制、Faraday磁光调制和弹光调制等光学偏振态调制的检测方法。鉴于弹光调制技术具有宽的光谱窗口、大的通光面积、大的视场角、较好的抗震性能、高的调制频率、高的调制纯度、高的调制精度和较好的调制稳定度。文献[High frequency polarization modulation method for measuring optical rotation[J],Applied Optics,1975,14(3):761-764]最早提出运用弹光调制方法测量光学旋光，1998年，美国Hinds公司的B L Wang，实现了灵敏度为0.001°的旋光测量[见文献：Measurement of circular and linear birefringence using the photoelastic modulator[J],Proc.of SPIE,1999,3535:294-301]，但上述方法均使用了模拟锁相放大器来获取旋光数据，不能够同时获取和观测多个倍频信号通道数据，实验成本昂贵，不便于工业化集成。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，本发明在利用弹光调制的优势基础上，结合差分平衡探测和数字锁相放大技术，提供一种实时、高速、高精度和高灵敏的光学旋光测量装置及方法，该旋光测量装置造价相对便宜，并且利于工业化集成。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种弹光调制测旋光的装置，包括检测激光、透镜、偏振分光棱镜、第一反射镜、起偏器、偏振片、弹光调制器、检偏器、第二反射镜、差分平衡探测模块、信号采集和数字锁相模块和计算机，所述差分平衡探测模块、信号采集和数字锁相模块和计算机依次连接；

所述差分平衡探测模块包括第一探测器和第二探测器，所述检测激光通过透镜后经偏振分光棱镜分为第一光束和第二光束，所述第一光束依次经起偏器、旋光待测样品、弹光调制器、检偏器后入射到第一探测器，所述第二光束依次经第一反射镜、偏振片、第二反射镜后入射到第二探测器；

所述信号采集和数字锁相模块包括FPGA和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，所述差分平衡探测模块通过前置放大器与第一采集单元连接，所述差分平衡探测模块通过低通滤波器与第二采集单元连接，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为0°和45°。

所述起偏器和检偏器均选用方解石格兰泰勒偏振棱镜。

所述检测激光选用632.8nm波长的氦氖激光光源。

所述弹光调制器为单压电石英驱动的长棒状弹光调制器，所述弹光晶体为各向同性的熔融石英，谐振频率为50kHz。

一种弹光调制测旋光的方法，检测激光通过透镜扩束准直后经偏振分光棱镜分为第一光束和第二光束；第一光束依次经起偏器、旋光待测样品、弹光调制器和检偏器后入射到第一探测器，构成检测光路；第二光束依次经第一反射镜、偏振片和第二反射镜后入射到第二探测器，构成参考光路；调节偏振片至参考光路与检测光路的光强相同时，通过差分平衡探测模块差分输出交流信号，第二探测器输出直流信号；交流信号经前置放大器放大后由第一采集单元采集传入FPGA实现数字锁相，并且弹光调制器的LC谐振高压驱动电路的输入信号由FPGA产生提供，使得锁相时的参考信号与弹光调制器的高压驱动信号能够同频同源，直流信号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，完成旋光数据的处理、存储和显示。

所述计算机采用Labview程序完成旋光数据的处理、存储，并作DA输出显示，实现实时监控。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：

1)本发明所采用的光学核心器件是弹光调制器，弹光调制器的调制精度和调制纯度较高，调制稳定性较好，调制频率高等优点，保证了旋光测量的精度和灵敏度；

2)本发明采用双光路探测的方法，除检测光路外，还引入参考光路，并运用差分平衡探测的方法输出检测信号，有效地消除了检测光信号的共模噪声，进一步提高了旋光测量的精 度和灵敏度；

3)本发明采用数字锁相放大技术提取有用的倍频信号，数字锁相由数据采集和数字锁相模块中的FPGA完成，并且弹光调制器的LC谐振高压驱动电路的输入信号由FPGA提供，保证了参考信号与调制基频信号同频，同源；

4)本发明由计算机完成锁相数据和直流信号数据的处理，最终求解得出旋光数据，进而进行存储和显示，此外，计算机还控制监控整个系统的工作状态，实时监控。

5)本发明测量精度较高，无运动部件，无需机械调节，工作稳定，成本低，利于工业自动化集成应用，为旋光测量及相关应用领域提供了新理论和新方法。

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为本发明的装置结构示意图。

图中：1为检测激光、2为透镜、3为偏振分光棱镜、4为第一反射镜、5为起偏器、6为偏振片、7为旋光待测样品、8为弹光调制器、9为检偏器、10为第二反射镜、11为差分平衡探测模块、12为前置放大器、13为低通滤波器、14为信号采集和数字锁相模块、15为计算机。

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，检测激光1经透镜2扩束准直后被偏振分光棱镜3分为第一光束和第二光束，第一光束依次通过起偏器5、旋光待测样品7、弹光调制器8和检偏器9被第一探测器(PD1)探测，构成检测光路，第二光束经第一反射镜4和第二反射镜10入射到第二探测器(PD2)，构成参考光路，并在参考光路中插入偏振片6，用于调节参考光强；当参考光路光强调节与检测光路直流光强相同时，差分平衡探测模块11，差分输出交流信号，第二探测器输出直流信号；前置放大器12将交流信号放大后输入信号采集和数字锁相模块14，完成弹光调制倍频信号的提取；直流信号经低通滤波器13滤波后，由AD2采集，并连同数字锁相数据传入计算机(PC)15，完成旋光数据的处理，存储和显示。

优选地，检测激光1选用单色性和相干性较好、造价便宜的632.8nm波长的氦氖激光光源。

优选地，检测光路中起偏器5和检偏器9均选用消光比较好的方解石格兰泰勒偏振棱镜。

优选地，检测光路中的弹光调制器8为单压电石英驱动的长棒状弹光调制器，弹光晶体为各向同性的熔融石英，谐振频率为50kHz，采用LC谐振高压驱动电路驱动。

检测光路中，起偏器5和检偏器9的偏振轴方向相对于弹光调制器8的调制快轴方向，分别取0°和45°，并取携带旋光信息的偶数倍频调制信号作为研究对象。

第一探测器(PD1)和第二探测器(PD2)构成差分平衡探测，当参考光路的光强调节到与检测光路的光强相同时，差分输出的信号仅为携带旋光信息的调制交流信号，检测激光的共模噪声被消除，并且第二探测器(PD2)可输出直流信号。

数据采集和数字锁相模块14中，AD1将放大后的交流信号采集传入FPGA实现数字锁相，其中弹光调制器8的LC谐振高压驱动电路输入信号由FPGA提供，使得锁相时的参考信号与弹光调制的高压驱动信号同频，同源；AD2将低通输出的直流信号采集，FPGA寄存，并同数字锁相信号送入计算机15；在计算机15中，编写Labview程序完成旋光数据的处理，存储，并作DA输出显示，实现实时监控。

运用Stokes参量和穆勒矩阵对上述光学系统进行分析。设通过起偏器5后的入射光Stokes参量为：

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

其中，I₀为检测激光通过起偏器后的总强度。旋光待测样品7、弹光调制器8和检偏器9的穆勒矩阵分别表示为：

$>M_{\theta }=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& cos2\theta & -\sin 2\theta & 0\\ 0& sin2\theta & \cos 2\theta & 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)---\left(2\right)$>

$>M_{PEM}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& cos\delta & sin\delta \\ 0& 0& -\sin \delta & cos\delta \end{array}\right)---\left(3\right)$>

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

(2)式中，通常规定样品旋光方向为左旋时，θ取正值，反之取负值。(3)式中，δ＝δ₀sinωt，δ₀为弹光调制器的调制幅值，ω为弹光调制的调制圆频率。

忽略检测激光通过系统时的光损失，则经检偏器9出射光Stokes参量为：

S_out＝M_AM_PEMM_θS_in  (5) 

将上述几式带入(5)式，求解得到第一探测器(PD1)探测的光信号为：

$>I=\frac{I_0}{2}(1+sin2\theta ·cos\delta )---\left(6\right)$>

通常，对于需高精度测量的旋光待测样品7来说并将(6)式中的cosδ＝cos(δ₀sinωt)利用第一类贝塞尔级数展开，可以得到：

$>I=\frac{I_0}{2}(1+2\theta ·(J_0\left({\delta }_0\right)+\underset{2k}{\Sigma }2J_{2k}\left({\delta }_0\right)·cos\left(2k\omega t\right)\left)\right)---\left(7\right)$>

其中，k为正整数，J₀为0阶贝塞尔级数，J_2k为2k阶贝塞尔级数。根据(7)式，旋光角出现在偶数倍频信号中，为了调制解调出测量的旋光角，我们将二倍频信号作为主要研究对象，并将弹光调制器8的调制幅值设置为2.405rad，使得J₀＝0，第二探测器(PD2)输出的电信号经低通滤波器13输出得到直流项：

$>V_{DC}=K_1\frac{I_0}{2}---\left(8\right)$>

其中，K₁是与探测器相关的光电转换系数。将差分输出的交流信号先进行前置放大，然后再运用锁相放大技术将二倍频信号项提取出：

$>V_{2f}=2\theta ·2J_2({\delta }_0=2.405)·K_2·K_1\frac{I_0}{2}---\left(9\right)$>

其中，K₂是由前置放大和锁相增益决定的系数。据(9)式可知，二倍频项与旋光角成正比，结合直流项(8)式，所以旋光角理论形式为：

$>\theta =\frac{1}{4K_2·J_2({\delta }_0=2.405)}·\frac{V_{2f}}{V_{DC}}---\left(10\right)$>

实际上，令(10)式中的系数项为采用标准的旋光样品定标得到。

数据采集和数字锁相模块14的FPGA给弹光调制器8的LC谐振高压驱动电路提供输入信号的同时，产生二倍频的参考信号。FPGA完成参考信号和采集的交流信号的乘，然后累加，输出给计算机15，并且FPGA控制直流信号的采集并寄存后传输给计算机15。在计算机15中编制Labview的控制程序完成旋光角的数据解调，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四倍频项，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。