[發明專利]雙折射光楔光軸方向的多入射角偏振干涉測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201310746711.9
• 申請日: 2013-12-25
• 公開（公告）號: CN103712781A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 劉鐵根;江俊峰;劉琨;尹金德;鄒盛亮;王雙;秦尊琪;吳振海
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

1.一種雙折射光楔光軸方向的多入射角偏振干涉測量裝置，其特征在于，該裝置包括激光光源（1）、光衰減器（2）、擴束鏡（3）、起偏器（4）、雙折射光楔（5）、樣品測試臺（6）、檢偏器（7）、面陣探測器（8）以及信號處理系統（9）；其中：

激光光源（1），用于提供該裝置的輸入光源，采用空間相干性好的可見光波段激光器，包括He-Ne激光器和半導體激光器；

光衰減器（2），用于降低激光能量，控制激光光源功率穩定，避免面陣探測器飽和；

擴束鏡（3），用于激光擴束，保證激光光源平行出射，獲得覆蓋雙折射光楔橫向尺寸的空間相干激光光斑；

起偏器（4），用于激光光束起偏，透光軸方向與水平基準成45°；

樣品測試臺（6），用于放置待測的雙折射光楔（5）和控制雙折射光楔入射角，測試臺可圍繞與放置其平面垂直的軸旋轉，實現至少三種不同角度入射至雙折射光楔表面產生偏振干涉；

檢偏器（7），用于實現偏振干涉，透光軸方向與水平基準成45°，同時與起偏器相垂直或平行；

面陣探測器（8），包括CCD和CMOS探測器，用于接收偏振干涉圖信號；

信號處理系統（9），包括圖像采集卡和計算機，用于采集偏振干涉圖信號，計算機根據測量算法進行處理，計算出雙折射光楔光軸三維方向；

激光光源（1）輸出激光平行入射，經光衰減器（2）降低激光能量時，控制激光功率穩定避免探測器飽和；擴束鏡（3）對激光進行擴束，獲得覆蓋雙折射光楔橫向尺寸的空間相干激光光斑，經偏振器（4）起偏，透光軸方向與水平基準成45°，在樣品測試臺（6）上放置被測雙折射光楔5，通過調節樣品測試臺（6），旋轉雙折射光楔（5），從而實現不同角度入射光楔表面產生偏振干涉，通過雙折射光楔（5）后的光束在檢偏器（7）后實現偏振光干涉，采用面陣探測器（8）接收偏振干涉圖并傳入到信號處理系統（9）中。

2.一種雙折射光楔光軸方向的多入射角偏振干涉測量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

激光光源（1）輸出激光平行入射，經光衰減器（2）降低激光能量時，控制激光功率穩定避免探測器飽和；擴束鏡（3）對激光進行擴束，獲得覆蓋雙折射光楔橫向尺寸的空間相干激光光斑，經偏振器（4）起偏，透光軸方向與水平基準成45°，在樣品測試臺（6）上放置被測雙折射光楔（5），通過調節樣品測試臺（6），旋轉雙折射光楔（5），從而實現不同角度入射光楔表面產生偏振干涉，通過雙折射光楔（5）后的光束在檢偏器（7）后實現偏振光干涉，采用面陣探測器（8）接收偏振干涉圖并傳入到信號處理系統（9）中；在每一個入射角下，記錄一幅偏振干涉圖，當采集得到三個不同入射角的偏振干涉圖，在信號處理系統（9）中對偏振干涉信號進行灰度變換和hough變換處理，提取偏振干涉圖的亮條紋，計算出干涉條紋間距，通過三個角度入射構成的聯立光程差方程組，求解出雙折射光楔光軸的三維方向；

所述雙折射光楔通過三個角度入射構成聯立光程差方程組的過程如下：

建立相鄰亮條紋間距h與晶體楔面厚度t對應關系式：

偏振干涉中相鄰亮條紋光程差δΔ＝λ，從而得到偏振干涉光相鄰條紋光程差δΔ公式：

δΔ=δd·nre-sinθ(δxe-δzetanθro)-noδzecosθro=λ---(1)]]>

式（1）中，θ為入射角度，n_re為e光光線在其傳播方向上的折射率；θ_ro為o光光線與晶體表面法線的夾角；δd為相鄰e光在雙折射光楔中傳播的路程差；δx_e為相鄰e光在x軸方向上的傳播路程差；δz_e為相鄰e光在z軸方向上的傳播路程差；

當入射角θ不變時，n_re、θ_ro不變，只有δd、δx_e、δz_e改變。

選取0°、30°、45°三個不同入射角，得到方程組：

δΔ1=δd1·nre1-δxe1-noδze1=λδΔ2=δd2·nre2-12(δxe2-0.39δze2)-n0δze2=λδΔ3=δd3·nre3-22(δxe3-0.514δze3)-noδze3=λ---(2)]]>

而

式（3）中，分別為楔面與x、y、z軸的的夾角，α、β、γ為雙折射光楔光軸與x、y、z軸的的夾角，θ_ke為e光光波矢量與晶體表面法線的夾角，M₁、M₂為相應的系數。