一种在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置及方法

摘要

本发明公开了一种在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置及方法，利用设计的光路结构及偏振检测输出特性精确优化偏振器件的光轴位置，该方法涉及激光器、起偏器、光弹调制器、待测样品、四分之一波片和检偏器等光学器件以及光电探测器、锁相放大器和信号采集与处理系统等测量仪器。首先根据起偏器与检偏器透光轴正交消光的特性，确定检偏器的初始偏振轴位置；然后根据系统输出信号的误差特性，精确优化检偏器、光弹调制器的光轴位置，最终确定光弹调制器与起偏器及检偏器的相对角度。利用本方法，可在线高精度消除因器件安装偏差引入待测信号中的偏振及相位误差，提高检测系统信噪比，实现高精度微小光旋角的偏振检测。

说明书

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别是一种在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置及方法，可用于偏振光调制检测的器件安装误差抑制与补偿中。

背景技术

利用光弹调制器对线偏振光进行高频调制，有效提高了入射偏振光束偏振面微小旋转角的检测，隔离了低频、1/f、缓慢漂移带来的噪声。尤其在一些需要系统长期稳定的应用领域，调制检测系统自身的稳定性很重要。

光弹调制检测必不可少的关键器件有起偏器、光弹调制器和检偏器；以起偏器光轴位置为基准，起偏器、光弹调制器、检偏器光轴位置应该分别为0度、45度和90度，三者安装偏差带来的光轴偏差角会引入检测的偏振和相位误差，影响检测信号的精准度。当起偏器与光弹调制器光轴夹角偏离45度时会使检测信号的基频信号和二次谐波信号减小，降低信噪比，严重时甚至导致光弹调制检测方法的失效，因此在使用过程中应尽可能去除减小起偏器与光弹调制器光轴相对角度的误差。一般情况下是直接观测透过偏振器件的光强度，根据透过光强度的变化，通过调节偏振器件所在的光学镜架来确定其光轴所在位置，这种方法简单操作但是难以精确确定光轴所在方位，不能满足高精度光旋角偏振检测要求。

发明内容

本发明目的在于优化偏振调制检测器件的安装位置，消除起偏器、光弹调制器、检偏器安装误差，解决由其带来的引入检测系统相位和偏振误差以及检测信号信噪比降低的问题，提出一种在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置及的方法。该方法的装置包括光学模块和测量模块，通过设计的光路结构及偏振检测输出特性优化偏振器件光轴的位置，利用光轴正交消光的特性消除起偏器与检偏器安装误差，利用光弹调制检测二次谐波特性消除光弹调制器安装误差。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置，该装置包括光学模块和测量模块两部分，光学模块由沿系统光轴依次设置的激光器、起偏器、光弹调制器、四分之一波片、待测样品、检偏器，以及光弹控制器组成；测量模块由光电探测器、锁相放大器和信号采集与处理系统组成，上述元器件的位置关系如下：

所述的激光器出射的激光经过所述的起偏器变成线偏振光；从所述的起偏器出射的线偏振光依次通过所述的光弹调制器、四分之一波片、待测样品、检偏器的光学中心位置，出射光由所述的光电探测器接收；所述的光弹调制器与起偏器的光轴夹角为45度；所述的四分之一波片与起偏器的光轴夹角为0度；所述的检偏器与起偏器的光轴夹角为90度；所述的光弹控制器作用在光弹调制器上，使其对激光产生高频偏振调制作用；调制后的激光由所述的光电探测器转换为电信号输入到所述的锁相放大器；所述的锁相放大器的参考信号由所述的光弹控制器给出；所述的锁相放大器输出信号至所述的信号采集与处理系统。

所述的光弹控制器通过输入面板设定光弹调制器的峰值延迟量、调制频率和工作波长。

利用所述的在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的方法，包括：

步骤1、根据光轴正交消光的特性确定起偏器与检偏器的透光轴垂直正交；

步骤2、所述的光弹控制器通过输入面板设定光弹调制器的峰值相位延迟量，所述的光电探测器记录从检偏器出射的光束强度并转变为电信号，该电信号输出至所述的锁相放大器的信号输入端，所述的光弹控制器的输出端与锁相放大器的参考信号端相连，锁相放大器输出信号的二次谐波信号幅度如下：

V_2f是检测系统输出信号的二次谐波；I₀为激光器光强输出；α_m为光弹调制相位调制幅度；θ_m为光弹调制器主光轴与起偏器透光轴之间存在的安装偏差角，当二次谐波信号幅度取最大值时，偏差角θ_m为零，即精确修正了起偏器、检偏器透光轴与光弹调制器主光轴之间的相对角度。

具体实施步骤如下：

1.根据光轴正交消光原理优化所述的起偏器与检偏器透光轴相对位置，具体步骤如下：

①用BNC线将光电探测器与信号采集与处理系统相连，通过信号采集与处理系统中的前置放大器模块，将光电探测器输出的电流信号转换为电压信号，并通过信号采集与处理系统将电压信号显示出来；

②固定起偏器的光轴所在位置如图1所示，利用高精度旋转镜架精确调整检偏器透光轴位置使光电探测器输出信号最小，即消光位置，此时两者光轴之间夹角为90度；

2.根据偏振调制信号输出特性优化光弹调制器的主光轴与起偏器及检偏器透光轴之间精确的相对角度，具体步骤如下：

①将所述的光弹调制器和四分之一波片按照所述放入在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置中，通过BNC线将所述的光电探测器与锁相放大器连接，锁相放大器包含前置放大器可以将光电探测器输出的电流信号转换为电压信号，通过BNC线将所述的光弹控制器的参考频率输出端与锁相放大器的外部参考信号输入端相接，将所述的锁相放大器输出信号中的二次谐波分量通过BNC线输入到信号采集与处理系统；

②粗略调节光弹调制器光轴的位置如图1所示，使其与起偏器偏振轴夹角约为45度；

③打开所述的光弹控制器和锁相放大器，根据此时光路输出特点，即二次谐波输出信号幅度与光弹调制器主光轴和起偏器及检偏器透光轴相对角度的偏差角呈余弦关系，利用高精度旋转镜架精确调整光弹调制器透光轴位置使锁相放大器输出的二次谐波信号幅度最大，即优化光弹调制器与起偏器和检偏器透光轴相对安装偏差角，此时光弹调制器主光轴与起偏器透光轴夹角45度，同时光弹调制器主光轴与检偏器透光轴夹角也为45度。

本发明的技术效果如下：

1.不需要增加额外的器件和装置，只需要在最基本的光弹调制检测系统中就可以实现器件安装位置的优化。

2.本方法操作简单，易于实现，精度高，能有效地消除检测光路中偏振器件安装偏差带来的相位与偏振误差，提高信号强度，实现高精度偏振检测。

附图说明

图1为本发明一种在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置结构框图；

图2为本发明实施方法步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明一种在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置及方法实施结构框图。由图1可见，一种在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置，该装置包括光学模块和测量模块两部分，光学模块由沿系统光轴依次设置的激光器1、起偏器2、光弹调制器3、四分之一波片4、待测样品5、检偏器6以及光弹控制器8；测量模块由光电探测器7、锁相放大器9和信号采集与处理系统10组成，上述元器件的位置关系如下：

所述的激光器1出射的激光经过所述的起偏器2变成线偏振光；从所述的起偏器2出射的线偏振光依次通过所述的光弹调制器3、四分之一波片4、待测样品5、检偏器6的光学中心位置，出射光由所述的光电探测器7接收，光电探测器7选用的是THORLABS公司的SM1PD1A；所述的光弹调制器3与起偏器2的光轴夹角为45度，光弹调制器选用的是HINDS instrument公司的PEM-100；所述的四分之一波片4与起偏器2的光轴夹角为0度；所述的检偏器6与起偏器2的光轴夹角为90度；所述的光弹控制器8作用在光弹调制器3上，使其对激光产生高频偏振调制作用；调制后的激光由所述的光电探测器7转换为电信号通过BNC连接线传输到所述的锁相放大器9的1号信号输入端；所述的锁相放大器9使用的是ZURICH instruments公司的HF2LI，其参考信号由所述的光弹控制器8给出；所述的锁相放大器9输出信号通过BNC连接线传输至所述的信号采集与处理系统10；所述的信号采集与处理系统10中包含显示屏，可以实时观察所测信号的大小；信号采集与处理系统10中安装有锁相放大9的控制程序，可以用来设定锁相放大器9的各项参数。

所述的光弹控制器通过输入面板设定光弹调制器的峰值延迟量、调制频率和工作波长。

所述的部分光学器件光轴角度为：以起偏器2光轴位置为基准，即起偏器2光轴为0度，光弹调制器3光轴角度为45度，四分之一波片4光轴角度为0度，检偏器6光轴角度为90度。

利用所述的在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的方法，具体实施步骤如下：

1.根据光轴正交消光原理优化所述的起偏器2与检偏器6透光轴相对位置，具体步骤如下：

①用BNC线将光电探测器7与信号采集与处理系统10相连，通过信号采集与处理系统10中的前置放大器模块，将光电探测器7输出的电流信号转换为电压信号，并通过信号采集与处理系统10将电压信号显示出来；

②固定起偏器2的光轴所在位置如图1所示，利用高精度旋转镜架精确调整检偏器6透光轴位置，观察光电探测器7输出信号大小变化，当光电探测器7输出信号最小时，即到达消光的位置，此时起偏器与检偏器光轴之间夹角为90度，固定好检偏器光轴的位置；

2.根据偏振调制信号输出特性优化光弹调制器3的主光轴与起偏器及检偏器透光轴之间精确的相对角度，具体步骤如下：

①将所述的光弹调制器3和四分之一波片4按照所述放入在线消除光弹调制微小光旋角检测中偏振器件安装误差的装置中，通过BNC线将所述的光电探测器7与锁相放大器9连接，锁相放大器9包含前置放大器可以将光电探测器7输出的电流信号转换为电压信号，通过BNC线将所述的光弹控制器8的参考频率输出端与锁相放大器9的外部参考信号输入端相接，将所述的锁相放大器9输出信号中的二次谐波分量通过BNC线输入到信号采集与处理系统10；

②粗略调节光弹调制器3光轴的位置，如图1所示，使其与起偏器2偏振轴夹角约为45度；

③打开所述的光弹控制器8和锁相放大器9，设定好光弹调制器的峰值延迟量、调制频率和工作波长等参数以及锁相放大的放大倍数、滤波频率、通道选择等参数；根据此时光路输出特点，即二次谐波输出信号幅度与光弹调制器3主光轴与起偏器2透光轴相对角度的偏差角呈余弦关系的特点，利用高精度旋转镜架精确调整光弹调制器3透光轴位置使锁相放大器9输出的二次谐波信号幅度最大，即优化光弹调制器与起偏器透光轴相对安装偏差角，固定好光弹调制器的光轴位置，此时光弹调制器3主光轴与起偏器2透光轴夹角45度，同时光弹调制器3主光轴与检偏器6透光轴夹角也为45度。

本发明的工作原理如下：

起偏器2与光弹调制器3光轴之间存在小的误差角，假设这个微小误差角为θ_m；从激光器输出的激光经过起偏器后振动矢量为A为振幅；I₀＝A²，I₀为检测激光器输出光强；光弹调制器的相位随时间变化为δ(t)＝α_msin(ω_mt)，α_m为相位调制幅度，ω_m是光弹调制器的调制频率；起偏器、光弹调制器、检偏器的琼斯矩阵分别为：

过检偏器输出的光矢量E为：E＝G_JPG'_PEMG_QPE₁；

光强为：

将δ(t)＝α_m>mt)带入上式，并利用贝塞尔公式展开：

其中二次谐波信号幅度为：

在一次实验中，检测激光器输出光强I₀与相位调制幅度α_m都是常数，则二次谐波信号的大小是关于起偏器2与光弹调制器3光轴夹角误差角θ_m的带偏置的余弦函数，偏置大小为函数曲线关于y轴对称；当误差角θ_m为0°时，该余弦函数取得最大值即二次谐波信号最大。根据二次谐波的这个特性，调节光弹调制器的光轴方向，使二次谐波信号最大时，误差角为0°，即消除了起偏器与光弹调制器之间的误差角。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。