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1、激光回馈波片位相延迟测量的误差源及消除方法摘 要：激光回馈是1 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
2、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
3、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10 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1 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1 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：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
4、测量装置如图1 所示，反射镜 M1、M2 及增透窗片 W 构成 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3 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 1 致； D1 为光 电探测器，探测激光器的光强信号，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 1 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
5、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 1 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 r
6、3 很小，可以忽略 2阶项，于是等效反射率可简化为 RR2rrt 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。当外腔存在双折射元件时，设o 光方向为 x方向， e光方向为y 方向。双折射元件产生的位相差为，则此时 x 、 y 两个方向上的等效反射率不1 样，分别为图 2激光回馈偏振跳变波形当激光的偏振方向为x 方向时， x 偏振态的等效反射率R( xx )R( x ) 23 ，此时由于 y偏振光没有出射，并未进入到外腔，所以其等效反射率RR2 ；当激光的偏振方向为 y 方向 时，由于 x偏振光没有出射，并未进入
7、到外腔，因此 x偏振态的等效反射率RR2，y 偏振光的等效反射率 R ( yy )R( y ) 23。 对于激光器而言，出射激光的偏振方向取决于两个偏振态各自的损耗。而激光器的损耗与腔 镜的反射率密切相关，反射率越大，其损耗越小。假设初始激光器的偏振态为 x ， L 的初始 位置位于 A点，因此，从图 3中我们可以看出，在AB 段， R ( x-x ) R( x-，出射光保持为x 偏振态；在 B 点以后，R ( x-x )（略，想看可以看 pdf 原文） 2.2 迟滞效应的影响 当 L 向相反方向运动时，按照前边的分析方法，可以得到光强信号及对应的偏振态。我们可以得到： L 正向运动和反向运动
8、时，等效反射率所走过的路线不1 样，偏振态跳变的方向也不 1 样，如图 4所示：当 L正向运动时，由x偏振态跳变到y偏振态， x 偏振态所占 周期比大；而当L 反向运动时，则是由y偏振态跳变到x偏振态， y 偏振态所占周期比大。这就是激光回馈偏振跳变现象中的迟滞效应。我们利用这种偏振跳变的现象，可以实现对波片位相延迟的测量。根据实验的结果，我34.实验结果图 6为实际测量过程中的波形图。我们可以看到，x 偏振态和 y偏振态的最大光强明显不同，这也就说明，在整个回馈系统中，两偏振态的损耗是不同的。在长时间的测量过程中，这种差异也会随之变化，这就对系统长期测量的1 致性产生影响。通过同时测量上升沿
9、和下 降沿的周期比，并对两个比值进行平均，可以有效的提高长期测量的稳定性。图 7为波片测量仪对1 波片连续 8小时测量的结果。我们可以看到，上升沿的测量结果整体上是上升的，同时，对应的下降沿的测量结果整体趋势是下降的，因此，通过对 2 者进 行 1 个平均处理，补偿后的测量值没有明显的倾斜方向，这也就保证了该系统长期测量结果的 1 致性。 由于在实际测量中，我们使用的是压电陶瓷作为驱动装置，来推动回馈镜正向移动和反 向移动，而压电陶瓷存在着迟滞效应，缩短时的曲线线性度不是很好，会对测量结果造成影响。我们可以通过以后的工作改进系统，改变驱动的形式来消除这部分造成的误差。5.结论 本文通过对偏振跳
10、变原理的分析、以及对基于该原理的波片测量方法的理解，提出了1 种对该测量方法的改进措施。这种改进措施利用了偏振跳变原理中的迟滞效应和偏振态的改变，对上升沿测量值和下降沿测量值进行了平均化的处理，从而大大降低了两偏振态损耗的 不同对测量结果造成的影响。从实验结果我们也可以看到，激光器确实存在着两偏振态损耗随时间变化的现象，从而使得长期测量的稳定性受到影响。而通过该改进方法，有效地提高 了长期测量结果的稳定性，从而大大增强了该波片测量方法的实用性。摘 要：激光回馈是1 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
11、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
12、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10 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1 个扫描周期中两个偏振
13、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 1 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：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 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PZ
14、T1 驱动，在计算器输出的3 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 1 致； D1 为光电探测器，探测激光器的光强信号，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 1 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
15、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 1 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 2阶项，于是等效反射率可简化为 RR2rrt 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。R ( x-x
16、 )（略，想看可以看pdf 原文） 2.2迟滞效应的影响当 L向相反方向运动时，按照前边的分析方法，可以得到光强信号及对应的偏振态。我们可以得到： L 正向运动和反向运动时，等效反射率所走过的路线不1 样，偏振态跳变的方向也不 1 样，如图 4所示：当 L 正向运动时，由 x 偏振态跳变到 y 偏振态， x 偏振态所占 周期比大；而当 L 反向运动时，则是由 y 偏振态跳变到x 偏振态， y 偏振态所占周期比大。这就是激光回馈偏振跳变现象中的迟滞效应。 我们利用这种偏振跳变的现象，可以实现对波片位相延迟的测量。根据实验的结果，我34.实验结果 图 6为实际测量过程中的波形图。我们可以看到，x
17、偏振态和 y偏振态的最大光强明显 不同，这也就说明，在整个回馈系统中，两偏振态的损耗是不同的。在长时间的测量过程中，这种差异也会随之变化，这就对系统长期测量的1 致性产生影响。通过同时测量上升沿和下 降沿的周期比，并对两个比值进行平均，可以有效的提高长期测量的稳定性。图 7为波片测量仪对 1 波片连续8 小时测量的结果。我们可以看到，上升沿的测量结果整体上是上升的，同时，对应的下降沿的测量结果整体趋势是下降的，因此，通过对 2 者进 行 1 个平均处理，补偿后的测量值没有明显的倾斜方向，这也就保证了该系统长期测量结果的 1 致性。 由于在实际测量中，我们使用的是压电陶瓷作为驱动装置，来推动回馈
18、镜正向移动和反 向移动，而压电陶瓷存在着迟滞效应，缩短时的曲线线性度不是很好，会对测量结果造成影响。我们可以通过以后的工作改进系统，改变驱动的形式来消除这部分造成的误差。5.结论 本文通过对偏振跳变原理的分析、以及对基于该原理的波片测量方法的理解，提出了1 种对该测量方法的改进措施。这种改进措施利用了偏振跳变原理中的迟滞效应和偏振态的改变，对上升沿测量值和下降沿测量值进行了平均化的处理，从而大大降低了两偏振态损耗的 不同对测量结果造成的影响。从实验结果我们也可以看到，激光器确实存在着两偏振态损耗随时间变化的现象，从而使得长期测量的稳定性受到影响。而通过该改进方法，有效地提高 了长期测量结果的稳定性，从而大大增强了该波片测量方法的实用性。