申请/专利权人：中国科学院武汉物理与数学研究所

申请日：2019-01-17

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN109708852B

主分类号：G01M11/02

分类号：G01M11/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2019.05.28#实质审查的生效;2019.05.03#公开

摘要：本发明公开了一种测量超高偏振消光比的装置及其方法，涉及偏振光学、激光技术及干涉测量领域。本发明是：待测激光光源（00）、12波片（10）、电光晶体（20）、检偏器（40）、光电探测器（50）、混频解调器（70）和数据处理器（80）依次连通，实现光到电的转换并进行数据测量及处理；温控器（30）和电光晶体（20）连接，实现对电光晶体（20）的温度控制；信号源（60）分别与电光晶体（20）和混频解调器（70）连接，给电光晶体（20）和混频解调器（70）提供高频信号。本发明利用了偏振光的干涉特性，采用了高频电光调制解调技术，避开了低频噪声干扰，以及结合特殊设计的测量和数据处理方法，实现了低噪声、高精度的偏振消光比测量。

主权项：1.一种测量超高偏振消光比的实验装置，其特征在于：包括待测激光光源00、12波片10、电光晶体20、温控器30、检偏器40、光电探测器50、信号源60、混频解调器70和数据处理器80；待测激光光源00、12波片10、电光晶体20、检偏器40、光电探测器50、混频解调器70和数据处理器80依次连通，实现光到电的转换并进行数据测量及处理；温控器30和电光晶体20连接，实现对电光晶体20的温度控制；信号源60分别与电光晶体20和混频解调器70连接，给电光晶体20和混频解调器70提供高频信号。

全文数据：测量超高偏振消光比的实验装置及其方法技术领域本发明涉及偏振光学、激光技术及干涉测量领域，尤其涉及一种测量超高偏振消光比的实验装置及其方法。背景技术消光比的测量属于偏振参数测量的内容，其测量精度将影响到利用偏振器件对各种光辐射的偏振性质进行测量和鉴别的检测精度，以及影响利用偏振器件对其他具有偏振变换性质的光学器件的偏振响应的检测和分析。所以，随着偏振光学、激光技术、精密光学零件制造及干涉测量科学的发展，超高偏振消光比的精确测量显得尤为重要。对于偏振分光器件消光比的测量，一般是利用双镜测试法和高消光比测试法等手段，但是上述方法普遍存在着消光比测量不确定度大且无法测量百万甚至更高量级的消光比。发明内容本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种测量超高偏振消光比的实验装置及其方法。本发明的目的是这样实现的：利用偏振光的干涉特性，采用高频电光调制解调技术，避开光电探测中的低频噪声干扰，以及结合特殊设计的测量和数据处理方法，最终实现低噪声、高精度的偏振消光比测量。一、测量超高偏振消光比的实验装置简称装置本装置包括待测激光光源、12波片、电光晶体、温控器、检偏器、光电探测器、信号源、混频解调器和数据处理器；待测激光光源、12波片、电光晶体、检偏器、光电探测器、混频解调器和数据处理器依次连通，实现光到电的转换并进行数据测量及处理；温控器和电光晶体连接，实现对电光晶体的温度控制；信号源分别与电光晶体和混频解调器连接，给电光晶体和混频解调器提供高频信号。二、测量超高偏振消光比的实验方法简称方法本方法包括下列步骤：①待测激光光源、12波片、电光晶体、检偏器、光电探测器、混频解调器和数据处理器依次连通，并将检偏器固定于某一角度；温控器和电光晶体连接；信号源分别与电光晶体和混频解调器连接,并提供频率f为几MHz到几十MHz的信号给电光晶体和混频解调器；②在电光晶体主轴附近选定12波片待调整的角度θ1…θi…θN；③将12波片的光轴与电光晶体主轴的夹角调到θi；④连续改变温控器的温度控制点，即连续改变电光晶体的温度；⑤在数据处理器处测得一组电压随晶体温度的变化曲线，得到曲线的幅值Vi；⑥如果12波片的旋转次数还未到N次时，继续上述步骤；直到i＝80时，即停止转动；⑦取这些曲线的幅值Vi与相对应的角度θi进行拟合，得Vi-θi曲线；⑧定出Vi-θi曲线中电压的最小值Vmin；⑨由公式即可得出消光比；其中ρ为消光比，G为解调过程的等效转换系数，P为电光晶体20出射端的光功率，J1M为一阶贝塞尔函数，M为电光调制中寻常光o和非寻常光e的调制指数之差。三、本发明具有以下优点和积极效果：①本发明利用了偏振光的干涉特性，去测量一束具有极高偏振纯度的激光中混入的微小的正交偏振光的强度；②本发明采用了高频电光调制解调技术来测量消光比，避开了光电探测中低频噪声对测量的影响，提高了测量精度；③本发明结合了特殊设计的测量和数据处理方法。具体来说，如果采用单次测量，则需要将激光偏振态严格对准晶体主轴，在实际调整中难度较大，且对调整结构的稳定性要求极高，而本发明通过在晶体主轴附近选取多个角度进行多次重复测量和数值拟合确定信号极小值，实现了超高偏振消光比的测量；④高灵敏度的偏振干涉法，结合调制解调技术及多数据点拟合确定最终测量值，使得本方法特别适合测量具有超高消光比的偏振光或光学器件。本方法可广泛应用于偏振光学、激光技术及干涉测量等领域当中。附图说明图1是本装置的结构方框图；图中：00—待测激光光源；10—12波片；20—电光晶体；30—温控器；40—检偏器；50—光电探测器；60—信号源；70—混频解调器；80—数据处理器；图2是电光晶体20的通光面示意图；图中：a—电光晶体20的主轴方向；b—电光晶体20的通光面；c—12波片10的光轴方向；θ—电光晶体20主轴方向和12波片10光轴方向的夹角；图3是数据处理的工作流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明：一、装置1、总体如图1，本装置包括待测激光光源00、12波片10、电光晶体20、温控器30、检偏器40、光电探测器50、信号源60、混频解调器70和数据处理器80；待测激光光源00、12波片10、电光晶体20、检偏器40、光电探测器50、混频解调器70和数据处理器80依次连通，实现光到电的转换并进行数据测量及处理；温控器30和电光晶体20连接，实现对电光晶体20的温度控制；信号源60分别与电光晶体20和混频解调器70连接，给电光晶体20和混频解调器70提供高频信号。2、工作原理：本发明利用电光晶体20的双折射效应所产生的寻常光o和非寻常光e之间的干涉，测量一束具有极高偏振纯度的激光中混入的微小的正交偏振光的强度，达到测量超高消光比的目的；采用高频调制解调技术避开光电探测中低频噪声干扰。如图2，θ为电光晶体20主轴方向和12波片10光轴方向的夹角。通过多点测量和数值拟合确定信号极小值的方法来进一步提高测量精度：当待测激光光束通过电光晶体20时，会因为电光晶体20的双折射效应产生寻常光o和非寻常光e，寻常光o和非寻常光e是偏振方向相互垂直的两束偏振光，这两束光在通过电光晶体20后面一个检偏器40后发生干涉，这一干涉效应的大小直接反映寻常光o和非寻常光e的相对强度；通过对电光晶体20施加高频信号，对干涉进行调制，然后在光电探测器50后进行解调，可以避免低频噪声对测量的影响；更进一步，通过连续改变温控器30的温度控制点，得到混频解调70处解调电压随晶体温度变化的曲线，由该曲线的幅值V就可确定寻常光o和非寻常光e的相对强度；由于在实际测量中很难一次将待测激光的偏振方向与电光晶体20的主轴对准，因此在电光晶体20主轴附近选取多个角度θi，在每个角度都测量解调电压随温度变化的幅值Vi，再通过拟合Vi-θi曲线就可定出最小值Vmin,由Vmin就可最终确定消光比。3、功能部件1待测激光光源00是一种通用激光器，如Nd：YAG激光器；为整个装置提供待测光。212波片10是一种常用的光学器件；被固定在具有旋转功能的光学调整架上，并且可以记录所旋转过的角度；其作用在于改变待测光的偏振角度但不改变待测光的光强。3电光晶体20为单轴电光晶体，其材质可为掺杂氧化镁的铌酸锂晶体MgO:LiNbO3；其作用是产生偏振方向互相垂直的两束偏振光。4温控器30是一个控温精度很高的温控器，其控温精度在mK量级；该温控器由前端放大器、PID控制器和功率推动放大器等部分构成；其作用在于对电光晶体20进行温度控制。5检偏器40是一种常用的偏振器件，如格兰泰勒棱镜、格兰汤普森棱镜或沃拉斯通棱镜等；其被固定在具有旋转功能的光学调整架上，其作用在于使电光晶体20出射的偏振方向互相垂直的两束偏振光发生干涉。6光电探测器50是一种光电二极管，选用型号为在滨松购买的s1223；其作用在于探测通过检偏器40的出射光，将光信号转化为电信号。7信号源60为一个双通道的信号发生器，选用型号为FeelTech-FY2300H；其作用在于产生两路相同的信号分别提供给电光晶体20和混频解调器70。8混频解调器70是一种商用混频器，购买于Mini-Circuits，型号为ZAD-1-1；其作用在于将光电探测器50的交流信号和信号源60产生的本地振荡信号进行混频解调，并将解调后的信号输出到数据处理器80。9数据处理器80为一台计算机；其作用在于通过计算机中的Labview程序测量实验数据，并用origin软件进行数据处理。二、方法如图3，数据处理的工作流程是：A、开始-301；B、搭建实验装置-302；C、在电光晶体20主轴附近选定12波片10待调整的角度θ1…θi…θN-203；D、i＝1-304；E、将12波片的角度调到θi-305；F、连续改变电光晶体的温度-306；G、测量解调电压随温度随温度变化的曲线，得到信号的峰值Vi-307；H、判断i是否达到N-308，是则进入下一步骤，否则经过i+1时-313跳转到步骤E；I、作Vi-θi曲线-309；J、定出曲线中电压最小值-310；K、得到消光比-311；L、流程结束-312。

权利要求：1.一种测量超高偏振消光比的实验装置，其特征在于：包括待测激光光源00、12波片10、电光晶体20、温控器30、检偏器40、光电探测器50、信号源60、混频解调器70和数据处理器80；待测激光光源00、12波片10、电光晶体20、检偏器40、光电探测器50、混频解调器70和数据处理器80依次连通，实现光到电的转换并进行数据测量及处理；温控器30和电光晶体20连接，实现对电光晶体20的温度控制；信号源60分别与电光晶体20和混频解调器70连接，给电光晶体20和混频解调器70提供高频信号。2.基于权利要求1所述装置的测量超高偏振消光比的实验方法，其特征在于：①待测激光光源00、12波片10、电光晶体20、检偏器40、光电探测器50、混频解调器70和数据处理器80依次连通，并将检偏器40固定于某一角度；温控器30和电光晶体20连接；信号源60分别与电光晶体20和混频解调器70连接,并提供频率f为几MHz到几十MHz的信号给电光晶体20和混频解调器70；②在电光晶体20主轴附近选定12波片10待调整的角度θ1……θi·……θN；③将12波片10的光轴与电光晶体20主轴的夹角调到θi；④连续改变温控器30的温度控制点，即连续改变电光晶体20的温度；⑤在数据处理器80处测得一组电压随晶体温度的变化曲线，得到曲线的幅值Vi；⑥如果12波片10的旋转次数还未到N次时，继续上述步骤；直到i＝80时，即停止转动；⑦取这些曲线的幅值Vi与相对应的角度θi进行拟合，得Vi-θi曲线；⑧定出Vi-θi曲线中电压的最小值Vmin；⑨由公式即可得出消光比；其中ρ为消光比，G为解调过程的等效转换系数，P为电光晶体20出射端的光功率，J1M为一阶贝塞尔函数，M为电光调制中寻常光o和非寻常光e的调制指数之差。3.按权利要求2所述的测量超高偏振消光比的实验方法，其特征在于数据处理的工作流程是：A、开始301；B、搭建实验装置302；C、在电光晶体主轴附近选定12波片待调整的角度θ1…θi…θN203；D、i＝1304；E、将12波片的角度调到θi305；F、连续改变电光晶体的温度306；G、测量解调电压随温度随温度变化的曲线，得到信号的峰值Vi307；H、判断i是否达到N-308，是则进入下一步骤，否则经过i+1时313跳转到步骤E；I、作Vi-θi曲线309；J、定出曲线中电压最小值310；K、得到消光比311；L、流程结束312。

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