激光回饋波片位相延遲測量的誤差源及消除

1、激光回饋波片位相延遲測量的誤差源及消除 摘 要:激光回饋是一種新型的波片位相延遲測量的方法。將波片放置在激光器與回饋鏡之間,可使激光回饋波形產(chǎn)生偏振 90 度旋轉(zhuǎn)(即跳變)現(xiàn)象,而兩偏振態(tài)所占的周期比(占空比)與波片的位相延遲相關(guān)。先測得占空比即可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)給出波片位相延遲。采用正 反向兩次掃描回饋鏡,兩次獲得并測出占空比,可以很好地消除由于兩偏振態(tài)損耗的波動(dòng)造 成的測量誤差,提高了該方法長期測量的穩(wěn)定性。測量的重復(fù)性達(dá)到 0.5 度。該方法結(jié)構(gòu)簡 單,在線測量精度高,滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要。 關(guān)鍵詞:激光回饋;波片位相差;偏振跳變 1. 引言 波片作為位相延遲器,在與偏振光有關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)中有

2、著廣泛的應(yīng)用,如外差激光干涉 儀,偏振光干涉系統(tǒng),偏光顯微鏡、橢偏儀、光隔離器、窄帶光濾波器、可調(diào)光衰減器、光 盤驅(qū)動(dòng)器光拾取頭等等,其中波片的位相延遲誤差會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響1。正是由于波片在實(shí) 際光學(xué)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,波片的測量技術(shù)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的測量方法有旋轉(zhuǎn)消光法、 電光調(diào)制法、磁光調(diào)制法等,這些方法本質(zhì)上都屬于消光法,需要測角機(jī)構(gòu),使得整個(gè)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)龐大,并且測角的精度會對測量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響2-6。新型的測量方法包括激光頻 率分裂法、激光回饋法等,激光頻率分裂法精度很高,結(jié)構(gòu)也很簡單,但是需要對波片鍍增 透膜,不適合實(shí)際生產(chǎn)的測量要求7。而激光回饋法中,待測波片在激光腔外,不需要

3、進(jìn)行 鍍膜處理,而且整個(gè)系統(tǒng)中不需要測角機(jī)構(gòu)以及高精度的檢偏器,結(jié)構(gòu)十分簡單,因而大大 簡化了測量的過程,很適合在線測量的需要。 激光回饋法是利用激光回饋中的偏振跳變現(xiàn)象,通過測量一個(gè)掃描周期中兩個(gè)偏振態(tài)的 占空比來實(shí)現(xiàn)對波片的測量。由于在長期的測量過程中,很難保證激光器對于兩個(gè)偏振態(tài)的 損耗完全相同,同時(shí),波片的傾斜會造成兩個(gè)偏振態(tài)的透過率不同,當(dāng)兩個(gè)偏振態(tài)的光強(qiáng)比 值發(fā)生變化時(shí),會造成上述占空比的變化,最終導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。本文提出了一種雙 向掃描測量的方法,可以從理論上完全消除這種誤差源,有效地提高了該方法長期測量的準(zhǔn) 確性。 測量裝置: 圖 1 激光回饋波片測量儀裝置圖 激光回饋波

4、片位相延遲法的測量裝置如圖 1 所示,反射鏡 m1、m2 及增透窗片 w 構(gòu)成 半外腔單縱模 he-ne 激光器,通過控制壓電陶瓷 pzt2 可以使激光器始終在中心頻率附近工 作;m3 為回饋鏡,反射率為 10%,由壓電陶瓷 pzt1 驅(qū)動(dòng),在計(jì)算器輸出的三角波信號的 驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng);wp 為待測波片,其快軸方向與激光器的本征偏振方向一致;d1 為光 電探測器,探測激光器的光強(qiáng)信號,經(jīng)放大器 apm 及 a/d 轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)處理;p 為檢 偏器,與光電探測器 d2 一起探測回饋信號的偏振信息。 在測量過程中,激光器保證始終工作在中心頻率處,出射的線偏振光的偏振方向與波片 的快軸方向重合,

5、pzt1 推動(dòng)回饋鏡 m3 來改變外腔腔長,則我們通過探測器 d2 可以探測 到偏振跳變的波形,根據(jù)激光回饋偏振跳變的理論,當(dāng)回饋腔中存在雙折射元件的時(shí)候,回 饋波形會產(chǎn)生偏振跳變現(xiàn)象,如圖 2 所示。 2. 偏振跳變原理及誤差源分析 2.1 o, e 光等效反射率及跳變原理 關(guān)于激光回饋偏振跳變理論已有文章做過詳細(xì)的論述8。這里對該理論進(jìn)行簡化性的論 述。 我們把 m2 及回饋鏡 m3 等效為 f-p 腔,由于回饋鏡的反射率很低,所以我們只考慮 m3 的一次反射。記 m2 的反射系數(shù)為 r2 ,透射系數(shù)為 t2 ,回饋鏡 m3 的反射系數(shù)為 r3 ,由 多光束干涉理論我們可以得到此 f-p

6、腔的等效反射系數(shù)為 其等效反射率為: 由于 r3 很小,可以忽略二階項(xiàng),于是等效反射率可簡化為 r ? r ? 2 ? r ? r ? t 2 ? 而等效腔鏡反射率的變化,將直接影響光強(qiáng)信號。所以當(dāng)外腔沒有雙折射元件的時(shí)候,隨著回饋鏡的移動(dòng),光強(qiáng)呈現(xiàn)為隨 l 變化的余弦波形。 當(dāng)外腔存在雙折射元件時(shí),設(shè) o 光方向?yàn)?x 方向,e 光方向?yàn)?y 方向。雙折射元件產(chǎn)生 的位相差為? ,則此時(shí) x、y 兩個(gè)方向上的等效反射率不一樣,分別為 圖 2 激光回饋偏振跳變波形 當(dāng)激光的偏振方向?yàn)?x 方向時(shí),x 偏振態(tài)的等效反射率 r( x? x ) ? r( x ) 2?3 ,此時(shí)由于 y 偏振光 沒有

7、出射,并未進(jìn)入到外腔,所以其等效反射率 r ? r2 ;當(dāng)激光的偏振方向?yàn)?y 方向 時(shí),由于 x 偏振光沒有出射,并未進(jìn)入到外腔,因此 x 偏振態(tài)的等效反射率 r ? r2 ,y 偏振光的等效反射率 r ( y? y ) ? r( y ) 2?3 。 對于激光器而言,出射激光的偏振方向取決于兩個(gè)偏振態(tài)各自的損耗。而激光器的損耗與腔 鏡的反射率密切相關(guān),反射率越大,其損耗越小。假設(shè)初始激光器的偏振態(tài)為 x,l 的初始 位置位于 a 點(diǎn),因此,從圖 3 中我們可以看出,在 ab 段,r ( x- x ) r( x- ,出射光保持為x 偏振態(tài);在 b 點(diǎn)以后, r ( x- x ) (略,想看可以

8、看pdf原文) 2.2 遲滯效應(yīng)的影響 當(dāng) l 向相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí),按照前邊的分析方法,可以得到光強(qiáng)信號及對應(yīng)的偏振態(tài)。 我們可以得到:l 正向運(yùn)動(dòng)和反向運(yùn)動(dòng)時(shí),等效反射率所走過的路線不一樣,偏振態(tài)跳變的 方向也不一樣,如圖 4 所示:當(dāng) l 正向運(yùn)動(dòng)時(shí),由 x 偏振態(tài)跳變到 y 偏振態(tài),x 偏振態(tài)所占 周期比大;而當(dāng) l 反向運(yùn)動(dòng)時(shí),則是由 y 偏振態(tài)跳變到 x 偏振態(tài),y 偏振態(tài)所占周期比大。 這就是激光回饋偏振跳變現(xiàn)象中的遲滯效應(yīng)。 我們利用這種偏振跳變的現(xiàn)象,可以實(shí)現(xiàn)對波片位相延遲的測量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,我 3? 4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖 6 為實(shí)際測量過程中的波形圖。我們可以看到,x 偏振態(tài)

9、和 y 偏振態(tài)的最大光強(qiáng)明顯 不同,這也就說明,在整個(gè)回饋系統(tǒng)中,兩偏振態(tài)的損耗是不同的。在長時(shí)間的測量過程中, 這種差異也會隨之變化,這就對系統(tǒng)長期測量的一致性產(chǎn)生影響。通過同時(shí)測量上升沿和下 降沿的周期比,并對兩個(gè)比值進(jìn)行平均,可以有效的提高長期測量的穩(wěn)定性。 圖 7 為波片測量儀對一波片連續(xù) 8 小時(shí)測量的結(jié)果。我們可以看到,上升沿的測量結(jié)果 整體上是上升的,同時(shí),對應(yīng)的下降沿的測量結(jié)果整體趨勢是下降的,因此,通過對二者進(jìn) 行一個(gè)平均處理,補(bǔ)償后的測量值沒有明顯的傾斜方向,這也就保證了該系統(tǒng)長期測量結(jié) 果的一致性。 由于在實(shí)際測量中,我們使用的是壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)裝置,來推動(dòng)回饋鏡正向移動(dòng)和反 向移動(dòng),而壓電陶瓷存在著遲滯效應(yīng),縮短時(shí)的曲線線性度不是很好,會對測量結(jié)果造成影 響。我們可以通過以后的工作改進(jìn)系統(tǒng),改變驅(qū)動(dòng)的形式來消除這部分造成的誤差。 5. 結(jié)論 本文通過對偏振跳變原理的分析、以及對基于該原理的波片測量方法的理解,提出了一 種對該測量方法的改進(jìn)措施。這種改進(jìn)措施利用了偏振跳變原理中的遲滯效應(yīng)和偏振態(tài)的改 變,對上升沿測量值和下降沿測