1 引 言
消光比的测量属偏光参数测量的部分内容,主要是对偏光镜本身的工作参数进行精确定标,消光比测量的精确程度将影响到利用偏光镜对各种光辐射的偏振性质进行测量和鉴别的检测精度,以及利用偏光镜对其他具有偏光变换性质的光学器件和仪器系统的偏振响应的检测和分析。随着激光技术和偏振光应用的不断发展,消光比的精确测量显得更为重要。
对于偏光镜消光比的测量人们曾做过一些工作,主要有双镜测试法及高消光比测试法等[1,2],但是上述方法存在着精度不高或是操作繁琐的不足。本文在传统的消光比测量的基础上提出了进一步提高精度的自动化测试系统,利用计算机进行步进电机的驱动和数据的采集与处理,克服了人工操作的麻烦和精度不高的缺点,实验操作简单、精度高,实现了光、机、电、算一体化的精密测量,并取得了良好的实验结果。
2 理论分析
2.1 消光比的一般测试方法[3,4]
通常偏光镜的消光比定义为
其中,T1为待测偏光镜在主透射方向的透射比,T2为待测偏光镜在主消光方向的透射比,通常T1 T2。显然,如果入射光是完全偏振光,则旋转待测偏光镜测量其主截面与入射光振动方向平行和垂直时的主透射光强,即可得到T1和T2,从而定出待测偏光镜的消光比。
实验原理如图1所示。通过调整和旋转起偏器P,使得从P透射出的光强强度最大。然后引入待测棱镜Px。以光线为轴不断地旋转,通过探测器的读值可以得到两个极值,即极大值T1和极小值T2。根据定义ρ=T2/T1,即可测定待测棱镜的消光比。
上述直接测量很难获得较高灵敏度和精度。
2.2 消光比自动测试系统
为了提高测量灵敏度和精度,我们提出了消光比自动测试方法,即在起偏镜和样品之前加一可变衰减器(由起偏镜P1和圆起偏镜P2组成),如图2所示。由两偏光镜P1,P2及1/4波片构成可变光强圆起偏器,本实验中衰减倍数可达10-5,即最大透过光强和最小透过光强之比为105,这样可保证待测镜最大与最小透射光强都落在探测器的线性范围之内,待测镜透射光强可由下式表示
式中I0为圆起偏镜P2的入射光强,T2(θ)为P2的透过率,θ为起偏镜P1与P2主透射方向的夹角,T2与T2′为P2的极大与极小透过率,即P2的最大衰减比为ρ′=T2′/T2,T3为起偏镜P3的透过率,同理T及T′分别为待测偏光镜P的极大及极小透过率,α为P3与P主透射方向的夹角。由(3)式可知,对应不同的θ值有不同的T2(θ),因此可测定可变衰减器的衰减曲线,当选取的P1,P2的最大衰减倍数更高时(< 10-7),可以选择适当的θ值,满足对不同的待测镜进行测量,但此时测试系统对环境电磁干扰及电源稳定性等将提出更高的要求。作为该研究的阶段性工作,目前我们采用的是最大衰减倍数,这主要是受软件编程等方面的限制,在随后的研究中将作进一步的完善,减小偏光镜转动步距(实验中为0.9°/步),选用精度更高的可变衰减器,修改程序实现某一θ角时测量,以达到更高的测量精度。
测量时,调整圆起偏镜P2的位置,使其透射光强最小,即T2(θ)取极小值T2′,调整起偏镜P3的位置使其主透射方向与待测偏光镜P主透射方向平行,测出通过待测镜P的极大透射光强Imax;然后再调整圆起偏镜P2的位置,使其透射光强最大,即T2(θ)取极大值T2,与之相对应,调整起偏镜P3的位置使其主透射方向与待测偏光镜P主透射方向垂直,测出通过P的极小透射光强Imin。从而就可以计算出待测偏光镜P的消光比
3 实验及结果
3.1 测试装置
测试装置如图3所示。该系统用He-Ne激光器做测试光源,波长为632.8 nm。激光经过两反射镜后,射入可变衰减器(由P1和P2组成),克服了传统衰减片衰减倍数一定,有时需多个不同衰减倍数的衰减片,且手动调节繁锁的缺点。经过起偏镜P3后准圆偏光变为偏振方向可变的线偏光。根据材料力学
可知,如果待测偏光镜表面受到挤压,就会在其内部产生一种应力,使晶体的内部结构发生微小变化,从而会影响到偏光镜消光比的测试值。为了消除这方面的不利因素,我们把待测镜平放于载物台,而让起偏镜P3绕轴线旋转以达到消光和通光的效果。由于理论设计中采用了彼此消光的方法,即P1,P2通光时,P3,P消光,P1,P2消光时,P3,P通光,从而使到达探测器的光强起伏不大,探测器可在线性范围内工作,所以经待测偏光镜P后,光强极弱,这给光信号的接收带来一定的困难,为此我们采用光电倍增管作探测器,将光信号转变为电信号。同时为了减少杂散光的影响,提高测量的信噪比,该系统采用相敏检测,在偏振镜前放置一斩光器,由斩光器斩光并与锁相放大器和光电倍增管配接,从而使系统具有很高的探测灵敏度。最后由微机进行A/D转换,使模拟量转换成数字量进行数据处理且自动显示,并由计算机控制步进电机来驱动圆起偏器P2和起偏器P3,从而使操作方便,且提高了转动角度的准确性,实现了智能化自动测量。
3.2 测试过程
分别打开激光器、斩光器、锁相放大器的电源。考虑到本测试系统探测器响应时间小于5ms,所以斩光器的斩光频率选用190 Hz左右,根据测试程序中设定的0～190 mV的测量范围,选取锁相放大器的放大倍数为100,灵敏度为1000 mV,预热10 min。开启计算机,调出步进电机驱动程序-和数据采集程序--。
打开步进电机的电源,运行驱动程序-,根据锁相放大器数字表和模拟表显示的数值,驱动步进电机,确定偏光镜P2的初始位置,使之与偏光镜P1处于消光状态,运行数据采集程序--,根据程序提示进行操作,放置待测偏光镜于载物台上,便可进行自动测试并显示测试结果。
3.3 实验结果
利用该系统对不同型号偏光镜的消光比进行测试,均获得比较满意的测量结果,消光比都优于10-6,实现了设计要求,测量结果如表1。
我们还对同一型号的偏光镜进行多次测试,测量结果如表2。
参考文献
1 Li Guohua, Zhao Mingshan, Wu Fuquanet al.. Study of a measurement system for high extinction ratio.Chinese J.Lasers(中国激光),1990,17(1):51～53 (in Chinese)
2 Li Guohua, Li Jizhong. Polarization Parameter Measuring Technology. Physical Experiment in ModernTimes--, 1993. 147～150 (in Chinese)
3 Jiang Minhua. Crystal Physics. Shangdong: Science Technology Publishing House of Shangdong, 1989.224～302 (in Chinese)
4 Li Jingzhen. Handbook of Optics. Shanxi: Science Technology Publishing House of Shanxi, 1984. 483～545 (in Chinese)
作者：王召兵1 李国华1 陆书龙1 孟祥省2(曲阜师范大学1激光所,2物理系 曲阜273165)
