激光回馈波片位相延迟测量的误差源及消除方法讲解

作者：刘名，张书练，刘维激光回馈波片位相延迟测量的误差源及消除方法 08-07-20 14:28:00 新 编辑： Studa_hasgo122摘 要：激光回馈是一种新型的波片位相延迟测量的方法。将波片放置在激光器 与回馈镜之间，可使激光回馈波形产生偏振 90 度旋转（即跳变）现象，而两 偏振态所占的周期比（占空比）与波片的位相延迟相关。先测得占空比即可由 计算机自动给出波片位相延迟。采用正 反向两次扫描回馈镜，两次获得并测出 占空比，可以很好地消除由于两偏振态损耗的波动造 成的测量误差，提高了该 方法长期测量的稳定性。测量的重复性达到 0.5 度。该方法结构简 单，在线 测量精度高，满足工业化生产的需要。关键词：激光回馈；波片位相差；偏振跳变1. 引言 波片作为位相延迟器，在与偏振光有关的光学系统中有着广泛的应用，如外差 激光干涉 仪，偏振光干涉系统，偏光显微镜、椭偏仪、光隔离器、窄带光滤波 器、可调光衰减器、光 盘驱动器光拾取头等等，其中波片的位相延迟误差会对 系统产生影响 1 。正是由于波片在实 际光学系统中的广泛应用，波片的测量 技术显得尤为重要。传统的测量方法有旋转消光法、 电光调制法、磁光调制法 等，这些方法本质上都属于消光法，需要测角机构，使得整个系统 结构庞大， 并且测角的精度会对测量结果产生很大的影响 2-6 。新型的测量方法包括激光 频 率分裂法、激光回馈法等，激光频率分裂法精度很高，结构也很简单，但是 需要对波片镀增 透膜，不适合实际生产的测量要求 7 。而激光回馈法中，待 测波片在激光腔外，不需要进行 镀膜处理，而且整个系统中不需要测角机构以 及高精度的检偏器，结构十分简单，因而大大 简化了测量的过程，很适合在线 测量的需要。 激光回馈法是利用激光回馈中的偏振跳变现象，通过测量一个扫描周期中两个 偏振态的 占空比来实现对波片的测量。由于在长期的测量过程中，很难保证激 光器对于两个偏振态的 损耗完全相同，同时，波片的倾斜会造成两个偏振态的 透过率不同，当两个偏振态的光强比 值发生变化时，会造成上述占空比的变 化，最终导致测量结果产生误差。本文提出了一种双 向扫描测量的方法，可以 从理论上完全消除这种误差源，有效地提高了该方法长期测量的准 确性。 测量装置：1- a>di Ma因图1激光回馈波片测量仪装置图激光回馈波片位相延迟法的测量装置如图1所示，反射镜M1、M2及增透窗片W构成号,半外腔单纵模He-Ne激光器，通过控制压电陶瓷 PZT2可以使激光器始终在中 心频率附近工 作；M3为回馈镜，反射率为10%，由压电陶瓷PZT1驱动，在 计算器输出的三角波信号的 驱动下做往复运动；WP为待测波片，其快轴方向 与激光器的本征偏振方向一致；D1为光电探测器，探测激光器的光强信旦 经放大器APM及A/D转换后送入计算机处理；P为检 偏器，与光电探测器 D2 一起探测回馈信号的偏振信息。在测量过程中，激光器保证始终工作在中心频率处，出射的线偏振光的偏振方 向与波片的快轴方向重合，PZT1推动回馈镜M3来改变外腔腔长，则我们通 过探测器D2可以探测 到偏振跳变的波形，根据激光回馈偏振跳变的理论，当 回馈腔中存在双折射元件的时候，回馈波形会产生偏振跳变现象，如图 2所示。2.偏振跳变原理及误差源分析2.1 o, e光等效反射率及跳变原理关于激光回馈偏振跳变理论已有文章做过详细的论述8。这里对该理论进行简化性的论述我们把M2及回馈镜M3等效为F-P腔，由于回馈镜的反射率很低，所以我们 只考虑M3的一次反射。记M2的反射系数为r2 ，透射系数为t2 ，回馈镜M3的反 射系数为r3 ，由多光束干涉理论我们可以得到此 F-P腔的等效反射系数为其等效反射率为：由于r3很小，可以忽略二阶项，于是等效反射率可简化为R R 2 r r t 2而等效腔镜反射率的变化，将直接影响光强信号。所以当外腔没有双折射元件 的时候，随着回馈镜的移动，光强呈现为随 L变化的余弦波形。