激光回饋波片位相延遲測量的誤差源及消除方法

論文類別:理學論文 > 物理學論文
論文標簽:激光論文
論文作者: 劉名 張書練 劉維新
上傳時間:2008/7/20 14:28:00

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生偏振 90 度旋轉(即跳變)現象,而兩偏振態所占的周期比(占空比)與波片的位相延遲相關。先測得占空比即可由計算機自動給出波片位相延遲。采用正 反向兩次掃描回饋鏡,兩次獲得並測出占空比,可以很好地消除由於兩偏振態損耗的波動造 成的測量誤差,提高了該方法長期測量的穩定性。測量的重復性達到 0.5 度。該方法結構簡 單,在線測量精度高,滿足工業化生產的需要。


關鍵詞: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,在與偏振光有關的光學系統中有著廣泛的應用,如外差激光幹涉 儀,偏振光幹涉系統,偏光顯微鏡、橢偏儀、光隔離器、窄帶光濾波器、可調光衰減器、光 盤驅動器光拾取頭等等,其中波片的位相延遲誤差會對系統產生影響[1]。正是由於波片在實 際光學系統中的廣泛應用,波片的測量技術顯得尤為重要。傳統的測量方法有旋轉消光法、 電光調制法、磁光調制法等,這些方法本質上都屬於消光法,需要測角機構,使得整個系統 結構龐大,並且測角的精度會對測量結果產生很大的影響[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,結構也很簡單,但是需要對波片鍍增 透膜,不適合實際生產的測量要求[7]。而激光回饋法中,待測波片在激光腔外,不需要進行 鍍膜處理,而且整個系統中不需要測角機構以及高精度的檢偏器,結構十分簡單,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象,通過測量一個掃描周期中兩個偏振態的 占空比來實現對波片的測量。由於在長期的測量過程中,很難保證激光器對於兩個偏振態的 損耗完全相同,同時,波片的傾斜會造成兩個偏振態的透過率不同,當兩個偏振態的光強比 值發生變化時,會造成上述占空比的變化,最終導致測量結果產生誤差。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 確性。
測量裝置:
激光回馈波片位相延迟测量的误差源及消除方法
圖 1 激光回饋波片測量儀裝置圖
激光回饋波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 驅動,在計算器輸出的三角波信號的 驅動下做往復運動;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,探測激光器的光強信號,經放大器 APM 及 A/D 轉換後送入計算機處理;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,PZT1 推動回饋鏡 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,根據激光回饋偏振跳變的理論,當回饋腔中存在雙折射元件的時候,回 饋波形會產生偏振跳變現象,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
關於激光回饋偏振跳變理論已有文章做過詳細的論述[8]。這裏對該理論進行簡化性的論 述。
我們把 M2 及回饋鏡 M3 等效為 F-P 腔,由於回饋鏡的反射率很低,所以我們只考慮
M3 的一次反射。記 M2 的反射系數為 r2 ,透射系數為 t2 ,回饋鏡 M3 的反射系數為 r3 ,由 多光束幹涉理論我們可以得到此 F-P 腔的等效反射系數為
激光回馈波片位相延迟测量的误差源及消除方法
其等效反射率為:
激光回馈波片位相延迟测量的误差源及消除方法
由於 r3 很小,可以忽略二階項,於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,將直接影響光強信號。所以當外腔沒有雙折射元件的時候,隨著回饋鏡的移動,光強呈現為隨 L 變化的余弦波形。

免費論文下載中心 http://www.hi138.com 當外腔存在雙折射元件時,設 o 光方向為 x 方向,e 光方向為 y 方向。雙折射元件產生 的位相差為 ,則此時 x、y 兩個方向上的等效反射率不一樣,分別為

激光回馈波片位相延迟测量的误差源及消除方法
激光回馈波片位相延迟测量的误差源及消除方法
圖 2 激光回饋偏振跳變波形
激光回馈波片位相延迟测量的误差源及消除方法
當激光的偏振方向為 x 方向時,x 偏振態的等效反射率 R( x x )  R( x ) 23 ,此時由於 y 偏振光   沒有出射,並未進入到外腔,所以其等效反射率 R  R2 ;當激光的偏振方向為 y 方向 時,由於 x 偏振光沒有出射,並未進入到外腔,因此 x 偏振態的等效反射率 R  R2 ,y 偏振光的等效反射率 R ( y y )  R( y ) 23 。 對於激光器而言,出射激光的偏振方向取決於兩個偏振態各自的損耗。而激光器的損耗與腔 鏡的反射率密切相關,反射率越大,其損耗越小。假設初始激光器的偏振態為 x,L 的初始
位置位於 A 點,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;在 B 點以後,

R ( x- x )

(略,想看可以看pdf原文)
2.2 遲滯效應的影響
當 L 向相反方向運動時,按照前邊的分析方法,可以得到光強信號及對應的偏振態。 我們可以得到:L 正向運動和反向運動時,等效反射率所走過的路線不一樣,偏振態跳變的 方向也不一樣,如圖 4 所示:當 L 正向運動時,由 x 偏振態跳變到 y 偏振態,x 偏振態所占 周期比大;而當 L 反向運動時,則是由 y 偏振態跳變到 x 偏振態,y 偏振態所占周期比大。 這就是激光回饋偏振跳變現象中的遲滯效應。
我們利用這種偏振跳變的現象,可以實現對波片位相延遲的測量。根據實驗的結果,我
3
4. 實驗結果
圖 6 為實際測量過程中的波形圖。我們可以看到,x 偏振態和 y 偏振態的最大光強明顯 不同,這也就說明,在整個回饋系統中,兩偏振態的損耗是不同的。在長時間的測量過程中, 這種差異也會隨之變化,這就對系統長期測量的一致性產生影響。通過同時測量上升沿和下 降沿的周期比,並對兩個比值進行平均,可以有效的提高長期測量的穩定性。
圖 7 為波片測量儀對一波片連續 8 小時測量的結果。我們可以看到,上升沿的測量結果 整體上是上升的,同時,對應的下降沿的測量結果整體趨勢是下降的,因此,通過對二者進 行一個平均處理,補償後的測量值沒有明顯的傾斜方向,這也就保證了該系統長期測量結
果的一致性。 由於在實際測量中,我們使用的是壓電陶瓷作為驅動裝置,來推動回饋鏡正向移動和反
向移動,而壓電陶瓷存在著遲滯效應,縮短時的曲線線性度不是很好,會對測量結果造成影 響。我們可以通過以後的工作改進系統,改變驅動的形式來消除這部分造成的誤差。
5. 結論
本文通過對偏振跳變原理的分析、以及對基於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措施。這種改進措施利用了偏振跳變原理中的遲滯效應和偏振態的改 變,對上升沿測量值和下降沿測量值進行了平均化的處理,從而大大降低了兩偏振態損耗的 不同對測量結果造成的影響。從實驗結果我們也可以看到,激光器確實存在著兩偏振態損耗 隨時間變化的現象,從而使得長期測量的穩定性受到影響。而通過該改進方法,有效地提高 了長期測量結果的穩定性,從而大大增強了該波片測量方法的實用性。

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