文档介绍：2013 年研究生公共实验课讲义实验 19 调制偏振光相位延迟测量实验引言在光学技术领域, 特别是在偏光技术应用中, 光学相位延迟器件是光学调制系统中的重要器件。这类器件是基于晶体的双折射性质, 利用光通过晶体可以改变入射光波的振幅和相位差的特点,改变光波的偏振态。相位延迟器件包括各种波片和补偿器, 和其它偏光器件相配合, 可以实现各种偏振态之间的相互转换、偏振面的旋转以及各类偏振光的调制, 广泛应用于光纤通讯、光弹力学、光学精密测量等领域中。相位延迟量是光学相位延迟器件的重要参数, 与器件的厚度、光学均匀性、应力双折射等诸多因素有关, 其精度直接关系到应用系统的质量, 因此准确的测定相位延迟量,提高其测量精度是非常有意义的,得到了越来越多的重视和研究。目前,对光学相位延迟量的测量方法有很多,包括半阴法、补偿法、电光调制法、机械旋光调制法、磁光调制法、相位探测法、光学外差测量法、分频激光探测法、分束差动法等等。测量方法的发展历程, 经历了由简单到复杂, 由直接测量到补偿法测量, 由标准波片补偿到电光、磁光补偿。补偿法的一个问题是补偿器本身会带来一定的误差,如: 标准波片“不标准”,电光补偿存在非线性性、补偿器光轴与测量光束不垂直等。本实验提出一种新的光学相位延迟量测量方法: 用调制偏振光准确判断极值点位置, 用索列尔- 巴比涅相位补偿器进行相位补偿, 结合了补偿法和电光调制法的优点, 又降低了补偿器本身对结果的影响, 测量精度高, 适用范围广。一、实验目的 1、了解偏振光学理论 2、掌握索列尔- 巴比涅相位补偿器的应用 3、了解晶体电光调制理论 4、掌握相位延迟测量方法 5、设计系统并测量不同零级波片 6、设计光学相位延迟发生器二、实验原理 1 、调制原理在本实验中, 采用调制偏振光的方法准确判断极值点的位置。调制偏振光的产生,利用了介质的电光效应。各向同性介质在外电场作用下,表现出各向异性的双折射特性,透射光是一对振动方向相互垂直的线偏振光。通过调节外加电场大小, 可对偏振光的振幅或相位进行调制。由电场所引起的晶体折射率的变化,称为电光效应。根据前面实验中的电光效应理论, 如图 , 通常用折射率球来描述光在各向异性晶体中传播时折射率与光的传播方向、振动方向的关系。在主轴坐标中,折射率椭球及其方程为 x2y2z2 2?2?2?1 () n1n2n3 式中 n1、 n2、 n3 为椭球三个主轴方向上的折射率,称为主折射率。当晶体加上电场后, 折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化, 椭球方程变成 x2y2z22yz2xz2xy?2?2?2?2?2?1 () 2n11n22n33n23n13n12 晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种。纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的方向平行时产生的电光效应; 横向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应。通常 KD*P ( 磷酸二氘钾) 类型的晶体用它的纵向电光效应, LiNbO3 ( 铌酸锂) 类型的晶体用它的横向电光效应。例如, KD P 晶体沿光轴方向( z 方向)加外电场 Ez 后,从单轴晶体变成了双轴晶体, 折射率椭球与 xy 平面的交线由圆变成了主轴在 450 方向上的椭圆( 图 )。沿z 轴传播一对正交的本征模, 分别在?、? 方向偏振, 折射率由() 式表示。 13n??no?no?63Ez,2 13 () n??no?no?63Ez,2 n??ne 图 折射率椭球交线变化图当光波在 z 方向传播的距离为 L 时,两个本征模的相位差为??2? ??n??n??L?2? ?3no?63EzL?2? ?3no?63V () 可见,沿?、? 方向振动的出射偏振光其相位差和外加电压 V 的大小成正比, 可通过调节外加电场大小的方式实现偏振光的调制。晶体作为调制器,其 Jones 矩阵在?、? 系可写为?i? 2???e W??0? 2 、测量原理测量系统如图 所示。 1 ?0? () ???ie2?? PA图 测量系统图 L: 光源;P: 起偏器;E: 电光调制器, 即电光晶体, 通过调制信号源 M 加上调制信号;S: 待测波片;C: 索列尔- 巴比涅相位补偿器;A 为检偏器; D ,光探测器,接收光,并经过滤波放大等处理后,最终结果显示在示波器 O 上。 y图 感生主轴与 xy 轴关系系统的方位坐标规定为:光束传播方向为 z 轴,起偏器、检偏器的透振方向沿 x 轴,电光调制器加电后的感生轴?、? 方向和待测波片及补偿器的快慢轴方向一致,和 x 轴成 45 度角(见图 )。索列尔- 巴比涅相位补偿器的作用类