[發(fā)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

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• 申請日: 2013-12-25
• 公開（公告）號: CN103712781A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)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(tǒng)（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(wěn)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)（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(jù)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(wěn)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(jié)樣品測試臺（6），旋轉雙折射光楔（5），從而實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)（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(wěn)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(jié)樣品測試臺（6），旋轉雙折射光楔（5），從而實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)（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(tǒng)（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(lián)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(lián)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(shù)。