GB/T26827-2011
波片相位延迟测量装置的校准方法
Calibrationmethodformeasurementequipmentofwaveplatephaseretardation
- 中国标准分类号（CCS）N30
- 国际标准分类号（ICS）37.020
- 实施日期2011-12-01
- 文件格式PDF
- 文本页数12页
- 文件大小401.72KB
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波片相位延迟测量装置的校准方法
国家标准 GB/T26827一2011 波片相位延迟测量装置的校准方法 Calibrationmethodformeasurementequipmentofwaveplatephaseretardation 2011-07-29发布 2011-12-01实施 国家质量监督检监检疫总局 发布 国家标准花管理委员会国家标准
GB/T26827一2011 目 次 前言 范围 规范性引用文件 术语和定义 测量原理 校准方法 5.1 概述 校准装置 校准 6.！绝对校准法 6.2 比较校准法 校准结果形式 6.3 附录A(资料性附录)校准装置的说明 A.1基于激光频率分裂原理的波片相位延迟基准测量装置 A.2标准波片 晶体石英最大双折射率An,计算用表(A=儿一n,为24.8下由分析式得到的计算值 A.3
GB/T26827一2011 前 言 本标准的附录A为资料性附录
本标准由机械工业联合会提出
本标准由全国光学和光子学标准化技术委员会(SAC/TC103)归口
本标雅主要起草单位，清华大学 本标准主要起草人:张书练、刘维新、丁铭
GB/T26827一2011 波片相位延迟测量装置的校准方法 范围 本标准规定了对波片相位延迟测量装置进行校准的术语和定义、测量原理、校准方法和校准
本标准适用于对各种原理的波片相位延迟测量装置的精度进行校准
规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款
凡是注日期的引用文件,其随后所有 的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准
然而,鼓励根据本标准达成协议的各方研 究是否可使用这些文件的最新版本
凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准
GB/T13962光学仪器术语 GB/T15313激光术语 术语和定义 GB/T13962,GB/T15313中确立的以及下列术语和定义适用于本标准
phaseretardationm 波片相位延迟测量装置 measurememtequipmemtofwar aeplale 采用各种原理对波片的相位延迟进行在线或非在线测量的光学系统
3.2 波片相位延迟基准测量装置 ofwave bemchmarkmeasurememtecquipment platephaseretardatiom 采用激光频率分裂原理对波片相位延迟进行测量的装置,用来标定波片的相位延迟,其测量结果是 可以溯源到激光波长的基准值
波片相位延迟基准测量装置的详细说明参见A.1
波片相位延迟标准测量装置stamdardmeasurementequpmentofwavepatephasertardatim 由波片相位延迟基准测量装置校准过的波片相位延迟测量装置,其对波片相位延迟的测量结果可 以用来校准其他的波片相位延迟测量装置
3 标准波片 standardwaveplate 由波片相位延迟基准测量装置测定的波片
标准波片的详细说明参见A.2
3.5 激光频率分裂laserfrequeneyspliting 单模驻波复须激光器中,由于谐振腔内双折射的存在，一个激光纵模分裂成频率不同的两个模式同 时振荡的现象
6 33 模式跳变nmodejumping 当激光器两振荡模式之间存在较强的模式竞争,调节激光器的谐振腔长时,振荡的模式转为熄灭， 熄灭的模式转为振荡的变化
3.7 频差调谐frequeney dirlerencetuning 调节激光器谐振腔长,激光器频率分裂产生的两正交偏振模式之间的频率差出现的周期性变化
GB/r26827一2011 测量原理 根据激光原理,驻波激光器的纵模频率按式(1)计算 y 2" 式中: 真空中光速,单位为毫米每秒(mm/s); 谐振腔内光路上平均折射率; 谐振腔长,单位为毫米(mm). 纵模级数,为数值很大的正整数
而相邻级纵模,,的频差即纵模间隔A按式(2)计算 2 2nl 如图1所示,当在谐振腔内放人双折射元件时,激光器会形成长度不相等的两个物理腔长nL. 对 应的振荡纵模将发生分裂,原来每一个纵模变成偏振方向相互正交、频率不相等的两个纵模(频率)
同 时,两个分裂模的偏振方向和双折射元件的两个本征方向一致
如图2所示，一个纵模分裂成的两个模 ,和,称为同级分裂模,其频差为上;面和;为相邻两个纵模都分裂后的两个相邻的分裂模,称为 相邻级分裂模,其频差为y'
并且相邻级分裂模的偏振态相互垂直,在图2中用实线和虚线表示, G;为激光增益曲线
双折射 腔镜M 微光器 增透面 腔镜M 元件 图1激光谐振腔内放入双折射元件产生频率分裂示意图 G4 o光 o光 e光 e光 A 图2双折射元件引起的激光频率分裂和调谐激光腔长测量分裂频差大小 设放人腔内的双折射元件引起o光和e光的光程差为心,则分裂模的频差按式(3)计算 = -》=,一 式中 -激光频率,单位为赫兹(Hz)
若放人腔内的双折射元件是波片,则将式(3)与激光纵模间隔式(2)相比.并根据波长频率关系c一 入y,而波片的相位延迟与光程差满足=2r/a(a为波片工作波长),则得到波片的相位延迟表示为 弧度值或角度值按式(4)计算 兴 p= ×180” 学只-
GB/T26827一2011 并且,波片相位延迟式的等同量 光程差心按式(5)计算: =- 5 - 从式(4)和式(5)可以看出由频率分裂原理测量得到的波片相位延迟与激光器的谐振腔长无显式关 系,只要测得分裂出的频差A及纵模间隔4,即可得到波片的相位延迟量中
其中》和4可以通过测 量两正交模式形成的光拍的频率得到
基于频率分裂原理测量波片相位延迟的装置是基准测量装置
校准方法 5.1概述 校准方法可以分为绝对校准法和比较校准法,这两种方法都是静态校准
5.1.1绝对校准法 用波片相位延迟基准测量装置测量一组标准波片的相位延迟,测量结果作为该标准波片的基准值
将同一组标准波片放人待校准的波片相位延迟测量装置,以标准波片的基准值为基准,按技术要求和操 作步骤对待校准装置的输出值进行校准
5.1.2比较校准法 将一组不同相位延迟的波片放人波片相位延迟标准测量装置进行测量,然后将同一组波片依次放 人待校准波片相位延迟测量装置中,对待校准波片相位延迟测量装置进行校准
5.2校准装置 校准装置主要包括波片相位延迟基准测量装置和标准波片
校准 绝对校准法 6.1.1环境条件 应在下列条件下进行校准 a温度:20士1"C; b)相对湿度:小于60%
6.1.2测量装置 波片相位延迟基准测量装置，一组标准波片
校准步骤 6.1.3.1准备工作 开启波片相位延迟基准测量装置和待校准波片相位延迟测量装置,预热时间不少于30n min
清洗好标准波片,并在实验室恒定温度下平衡1h以上 6.1.3.2 甜量标准诚片基准值 6.1.3.2.1点通光标准波片测量 将待测标准波片放人波片相位延迟基准测量装置中,使其通光口径位于光路中,并按要求调整波片 的快慢轴方向
按操作步骤测量标准波片的相位延迟,反复测量五次,取算术平均值,作为该标准波片相位延迟基 准值
最后记录每个标准波片的基准值
6.1.3.2.2面通光标准波片测量 面通光标准波片需要给出整个通光面上的相位延迟平均值作为实际值
测量时选择通光口径范围 内五个测量点,其分布如图3所示
移动波片相位延迟基准测量装置中波片架的导轨,使五个测量点依 次位于激光路径上,按6.1.3.2.1给出的测量标准波片步骤,对每个测量点测量五次,取算术平均值作 为该测量点的相位延迟
重复上述过程,直到五个测量点测量完毕
求五个测量点的算术平均值,作为
GB/r26827一2011 该面通光标准波片相位延迟的实际值
最后记录每个标准波片的测量值 图3面通光波片的五个测量点示意图 6.1.3.3不同波长下标准波片相位延迟折算 如果待校准的波片相位延迟测量装置工作波长同样为632.8nm,则不需要进行不同波长下波片相 位延迟转换;否则查晶体石英材料在待校准波片测量装置工作波长下和同样温度条件下的最大双折射 率,按式(6)将标准波片的相位延迟基准值转换成待校准波片测量装置工作波长下的相位延迟量 (6 N+祟-"二(.+)-(+" 式中 -标准波片级次 N 标准波片的相位延迟,单位为弧度 -632.8nm工作波长,单位为纳米(nm); -待校准波片测量装置工作工作波长,单位为纳米(nm); -632.8nm波长下晶体石英的主折射率和最大双折射率; ne、Ma,An -待校准波片测量装置工作工作波长下晶体石英的主折射率和最大双折射率
nn、An 得到N.为折算后波片级次,对应于计算值整数部分,中为折算后相位延迟,对应于计算值的小数部 分
对于查波片的最大双折射率时波长或温度值不一致的情况,可以采用线性插值法求得新波长下的 最大双折射率
晶体石英在不同波长下的最大双折射率An见A.3
6.1.3.4用待校准波片装置测量标准波片相位延迟 人待校准波片相位延迟测量装置中测量,其操作流程按照测量装 将校准后的一组标准波片依次放 置说明书进行
每个标准波片测量五次,取算术平均值作为测量结果中,并记录 6.1.3.5数据处理 将待校准波片相位延迟测量装置测得的标准波片相位延迟少同波片相位延迟基准测量装置测量 得到折算后的相位延迟更相减,其差值为待校谁波片测量装置的示值误差
记录一组校准被片(分别 编号为1,2,)j.n)校准时得到的中,和更.值,并以中.,为横坐标,以中.,为纵坐标依次计算 区间[虫-)虫]内的三次样条插值丽数,可以得到整个测量区间上的拟合公式.即作为待校准波 片装置的校准公式
校准过的波片测量装置测量的波片相位延迟处于校准点区间内时,可以将测量值 代人校准公式得到实际值
对于响应曲线为线性的测量装置,还可以由校准公式计算其线性度
比较校准法 6.2 将上述绝对校准法校准过的 片 相位延迟标准测量装置作为传递标准,可以对一般的工业用波片 相位延迟测量装置进行比较法校准
比较校准法试验条件和校准步骤见6.1,其中作为测量值传递的波片可以选用一组相位延迟各不 相同的普通波片
将待测波片放人波片相位延迟标准测量装置,按使用说明测量其相位延迟,得到五次 测量结果取算术平均值作为基准值
然后将波片放人待校准波片相位延迟测量装置测量,取五次测量 结果的平均值
如果波片相位延迟标准测量装置的工作波长和待校准波片相位延迟测量装置工作波长 不一致,需要采用6.1.3.3所述方法,对传递波片的延迟量进行折算后再进行比较
所得的结果可以采
GB/T26827一2011 用6.1.3.5的方法进行数据处理 6.3校准结果形式 校准过程中,波片相位延迟基准测量装置和待校准波片相位延迟测量装置对单个波片的测量结果 可以按表1记录
单个波片相位延迟多次测量值/(e 波片相位延迟 测量平标准差测量温 系统不 (测量次序) 测量装置 确定度 均值 度/C Qlo 波片相位延迟基准 测量装置 待校准波片相位延迟 测量装置" 对于测量一组标准波片,对待校准波片相位延迟测量装置的多个测量值进行校准的情况,可以按 表2记录
表2 不同标准波片测量结果的平均值/()波片编号 波片相位延迟测 测量时温 量装置 度/C 10 波片相位延迟基准 测量装置 待校准波片相位延迟 测量装置
GB/r26827一2011 附 录A 资料性附录 校准装置的说明 A.1基于激光频率分裂原理的波片相位延迟基准测量装置 A.1.1系统组成 波片相位延迟基准测量装置基于激光频率分裂原理,主要包括以下部分(见图A.1): 光电池 Wollastor 校倍 计算机 控制 腔镜M 电箱 t N 激光器 ”送" 待测波片 温度 传8米 波片架 谁 附加波 腔镜M 千 偏撮片 雪崩 光电管APp 烦率计 高蟋放 M 大模块 图A.1波片相位延迟基准测量装置示意图 a)光学测量单元 由激光增益管和一个独立反射镜组成的半外腔氮须激光器构成
其中独立反射镜由压电陶瓷驱 动
放置待测波片和附加波片的两个波片架安装在x、Y两维导轨上,置于增益管和独立反射镜之间
波片架工作表面与光束垂直,并以激光器一个偏振方向为轴,沿另一个与之正交的偏振方向旋转至使其 面法线与光线成夹角0约为15'
b 光强探测单元 包括一个渥拉斯顿棱镜和两个光电探测器
激光器一端输出光经渥拉斯顿棱镜后按正交偏振态分 成两束,分别由两个光电探测器接收其光强信号
频差测量单元 主要由一个偏振片,光电探测器和高频放大模块组成
激光另一端输出光经过通光方向与波片快 慢轴方向成45角放置的偏振片后产生光拍,由光电探测器接收拍频信号,并输人高频放大模块中进行 处理,放大后的信号输人频率计读出频差值
d)数据采集和程序控制部分 包括控制电箱和计算机
控制电箱接收光强探测信号,并将计算机给出的电压信号放大后驱动压 电陶瓷;计算机通过数据采集端口记录激光光强，给出压电陶瓷控制信号,并控制整个波片测量流程,实 现自动测量
为检测波片测量时的温度,在波片架附近安装有温度传感器(PT100)测量环境温度
GB/T26827一2011 1.2基本方法 A
调节激光器腔长,根据波片产生频差大小不同,会出现三种情况,采用不同的计算 频率分裂直接法:如果放人谐振腔内的波片产生频率分裂量约大于40MHz,调谐激光腔长时在出 光带宽内始终有两个模式振荡
此时首先测量同级分裂极我粗必,形成的拍频心;然后沿腔长缩短 向改变腔长,测量相邻级分裂模站,和-'形成的拍频山y'
则根据=上十山y',代人式虫-兴贾得到的 波片相位延迟重按式A.1)计算 ×180” A.1 7 Av十Av AvA 附加波片偏置法;如果放人谐振腔的半/全波片产生频率分裂量约为20MHa40MHz,激光腔长 调谐过程中激光会出现模式跳变现象,处于模式竟争状态的两分裂模没有共存区
可以首先在谐振腔 内放人已知快轴方向的附加波片(非半/全波片,如可以是四分之一波片,采用频率分裂直测法测量其 相位延迟中.;再将待测半/全波片放人腔内并使其快轴方向与附加波片的快轴方向平行,测得共同作用 下的相位延迟中;最后,共同作用下的相位延迟减去附加波片的相位延迟可以得到待测波片的相位延 迟重按式(A.2)计算: 重=更一更十T=p 更
十180” A.2 纵模间隔比较法:如果半/全波片产生的频率分裂量小于20MHz,则调谐激光腔长时两分裂模中 会只有一个模式始终振荡
但激光器在双纵模状态时,相邻三个纵模形成的两个模间隔并不等于空腔 T,可以得到波片的 时的纵模间隔4,而是其中一个为4,=4十Av,另一个为4
=4一Av
代人式中 相位延迟中按式(A.3)计算 2A 2A -×180 A.3 云工" 十 A.1.3测量步骤 测量过程由计算机程序自动控制,步骤如下 首先采用纵模间隔比较法测量未放人待测波片时由激光腔内自身的残余应力等双折射造成的 相位延迟,并作为波片相位延迟基准测量装置零点误差A中记录
将待测波片放人波片相位延迟基准测量装置的波片架上,其通光口径位于光路中,且快慢轴 平行于激光偏振方向
调谐激光器腔长,并记录o光和e光的光强调谐曲线
如果没有出现模式跳变现象,则测量先 后两个等光强点上两振荡模式的频差和g,相加后按以下两种情况进行判断 第一种情况;若相加结果约为一倍纵模间隔大小,则用频率分裂直测法代人式(A.1)计算波片 的相位延迟必; 第二种情况:若相加结果约为两倍纵模间隔大小,则用纵模间隔比较法代人式(A.3)计算波片 相位延迟
如果步骤e)中出现模式跳变现象,则将附加波片按步骤b)的方法放人激光谐振腔,使附加被片 的快轴平行于待测波片的快轴方向,采用附加波片偏置法代人式(A.2)计算波片相位延迟中 测量控制程序自动判定得到的波片测量值更,并补偿系统误差
A.1.4误差分析和系统性能指标 对规定置信度的不确定度X,按式(A.4)计算 A.4 Xa，=1/e十e
十e十e十e 式中 补偿系统零点误差后的残差; 补偿波片面法线绕波片快轴旋转后的残差; e
GB/r26827一2011 -激光波长偏离中心波长引起的不确定系统误差; 激光频差调谐引人的随机误差; -附加波片偏置法测量时两波片快轴夹角造成的不确定系统误差,其他测量方法时为零 -对于规定置信度与测量次数n按学生分布的置信系数; 测量次数
为满足校准其他波片相位延迟测量装置的要求,波片相位延迟基准测量装置需要满足如下要求 a)开机后系统稳定时间不少于301 mln; 单次测量时间不超过30s; b 激光器残余应力等造成的零输出相位误差小于0.05"; c) 测量分辨率达到10'以上 d 测量不确定度;对多级波片优于入/10000,对零级波片优于入/20000
e 标准波片 标准被片由晶体石英制成.,石英材料制作采用GB7885一28规定的质趾要求检验
加工被片时 应保证晶体光轴平行于波片表面,偏差小于0.1 ,厚度为d约为1mm的多级波片,厚度不同对应相 标准石英波片的加工满足直径为15-战 mm 位延迟不同;两表面平行度容限一";表面平面度的容限<入/16(波长为入=632.8nm),且表面镀 632.8nm波长下的减反膜,透过率优于99.5% 为避免装夹时产生应力,标准波片采用与其尺寸相匹配的金属盒封装
金属盒内表面贴弹性塑料 膜片将波片和金属隔离,以减小封装产生的附加应力并防止波片滑动
按通光口径的大小,标准波片分 为点通光标准波片和面通光标准波片,其中点通光标准波片的金属盒开直径为2mm的圆形通光孔,以 确定校准时前后两次测量对应标准波片同一个点;面通光标准波片在金属盒表面开直径为10mm的通 光孔,适用于宽光束波片测量装置的校准
同时根据晶体生长取向和波片加工时切割方向给出波片快 轴方向,用竖线标记于标准波片金属盒外侧
校准时标准波片应给出测量结果,其各项指标包括: a)标称波长入;采用波片相位延迟基准测量装置测量标准波片,标称波长为632.8nm; b) 多级波片级数N,;一般采用螺旋测微器测出的波片厚度可以折算出,并可以保证精确到 0.5级; 波片相位延迟基准值虫:;采用波片相位延迟基准测量装置测得的标准波片精度应优于 入/10000(对应于多级波片); 校准时波片温度值T
:在标准波片测量结果中同时给出附近环境温度值,其测量精度优 dD 于O.04C
A.3晶体石英最大双折射率An.计算用表(An,=n一n.为24.8c下由分析式得到的计算值》 晶体石英最大双折射率An计算见表A.1
表A.1 波长/am 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0,40 0.45 An 0.0130 0,0096 0.0214 0,011l1 0.0103 0.0098 0.0094 0.55 波长/m" 0.50 0.60 0.65 0.70 0.80 0.90 0.0092 0.0092 0,0091 0.0090 0.0090 0.0089 0.0088 An
GB/T26827一2011 表A.1续) 波长/4m 1.00 1.10 1.20 l.30 1.40 1.50 1.60 An 0.0088 0.0087 0.0087 0.0086 0.0085 0.0085 0.0084 1.70 1.8o 1.90 2.00 波长/4m 2.10 2.20 2.30 0.0084 0.0083 0.008" 0.0081 0.0081 0.008o 0.0079 An 波长/um 40 2 2.50 2.60 0.0078 0.0077 0,0076 An
波片相位延迟测量装置的校准方法GB/T26827-2011
波片是一种能够改变线偏振光或圆偏振光偏振状态的光学元件，在光学测量、通信等领域有着广泛的应用。在实际应用过程中，波片的相位延迟往往需要进行测量和校准，以确保测量结果的准确性。
GB/T26827-2011标准中详细规定了波片相位延迟测量装置的校准方法，下面分两步介绍。
第一步：波片位置调整
首先，将待校准的波片放在波片架上，将测量装置的光源对准波片。然后，调整波片架的角度和位置，使得波片与光源之间的距离保持一致，并保证光线垂直射入波片。
第二步：相位延迟测量
在完成波片位置调整后，即可进行相位延迟测量。具体操作如下：
- 使用测试激光器产生单色激光，并将其输入到测量装置中。
- 打开测量装置上的相位延迟方位调节旋钮，调节至测试光线通过波片前后所经过的光程相等。
- 记录此时测量装置上的相位延迟读数。
- 将波片翻转180度，重复上述步骤，并记录新的相位延迟读数。
根据上述操作，可以得到两组相位延迟读数，分别对应波片的两种偏振状态。通过计算两组读数的差值，即可得到波片的相位延迟值。如果需要更高精度的测量结果，则需要进行多次测量取平均值。
需要注意的是，在进行波片相位延迟测量时，需要保证光源的稳定性和光线的垂直入射。此外，测量装置的精度和灵敏度也会对测量结果产生影响。
综上所述，GB/T26827-2011标准中规定的波片相位延迟测量装置的校准方法可以有效地提高波片相位延迟测量的准确性，为光学测量和通信领域的应用提供了重要的参考依据。
波片相位延迟测量装置的校准方法的相关资料
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