第３ ３卷，第１期 ２ ０ １ ３年１月 光谱学与光谱分析 Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．１，ｐｐ２７５—２７７ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｊａｎｕａｒｙ，２０１３ 基于椭偏光谱仪的石英波片光轴方位探测 张蓓蓓，韩培高 ，付世荣，朱久凯，闫珂柱 山东省激光偏光与信息技术重点实验室，曲阜师范大学激光研究所，山东曲阜２７３１６５ 摘要波片的光轴方向是波片应用中最重要的参数之一。在椭偏光谱仪透射模式下，利用琼斯矩阵对波 片旋转过程中Ｐ和Ｓ两方向上位相的变化进行分析，设计了一种判断石英波片光轴方向的新方法。应用此 方法判断光轴方向，具有光路结构简单，检测速度快的特点，且具有很好的实用性。 关键词光谱；波片；光轴；相位差 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—０５９３（２０１３）０１—０２７５—０３ 中图分类号：０４３９ 引 言 Ｘｅｌａｍｐ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ Ｓａｍｐｌｅ Ａｎａｌｙｚｉｎｇ Ａｒｍ Ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐ ＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ 随着偏光技术的发展，石英波片作为各类光学仪器的基 本器件，已经被广泛应用。光轴方向是波片的一个重要参 量，波片在使用中必须先确定光轴方向。目前波片光轴方位 的判断方法有多种，例如：相位比较法［】］、相位调制法［ 、 迈克尔逊干涉法［５］、旋转波片法［６］、菲涅尔菱体法［７ｊ、调制 光谱法等。相位比较法和相位调制法只能大概准确方位；迈 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ０ｐ— ｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｑｕａｒｔｚ ｃｒｙｓｔａｌ ｂｙ ｔｈｅ ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ 为进一步确定此时波片光轴方向为Ｐ方向或ｓ方向，需 取出检偏器，调节起偏臂中起偏器起偏方向为４５。，旋转波 片，观察波片在Ｐ和ｓ两方向上位相差的变化情况，根据相 位差变化情况的不同，判断波片光轴的具体方向。 ／——＼、 克尔逊干涉法、旋转波片法、菲涅尔菱体法和调制光谱法能 够准确判断光轴方位，但是过程比较麻烦。 基于椭偏光谱仪的水平透射模式，利用琼斯矩阵对波片 旋转过程中Ｐ和Ｓ两方向上位相差的变化进行分析，设计了 一 种判断石英波片光轴方向的新方法。应用此方法判断光轴 方向，具有光路结构简单，检测速度快的特点，并且具有很 ／ｆ 、 、、、、 ｌ、、、 ＼ 、 ． 好的实用性。 １椭偏光谱仪判断石英晶体光轴的原理 图１为椭偏光谱仪探测石英晶体光轴方向的光路结构示 意图。实验采用了法国ＪｏｂｉｎＹｖｏｎ公司生产的ＵＶＩＳＬ型的 椭偏光谱仪，在椭偏光谱仪透射模式下，先将起偏臂中起偏 器起偏方向调为０。，即透振方向为竖直方向（Ｐ方向），把检 偏器放入光路中，调节其透振方向使光路消光，此时透振方 向为水平（Ｓ方向），然后把石英波片放人起偏臂和检偏臂中 间，使光线垂直于石英波片表面入射，旋转波片使光路再次 消光，此时波片光轴方向处于Ｐ方向或者Ｓ方向。 收稿日期：２０１２—０６—２９，修订日期：２０１２—１０－０５ Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｖｉｅｗ ｏｆ ｉｎｄｉｃａｔｒｉｘｉｓ ｉｎ ｉｎｖｅｒｓｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｚ ａｘｉｓ 以Ｐ方向为Ｘ轴，Ｓ方向为 轴，光线传播方向为 轴， 建立坐标系，图２为逆着 轴方向的光率体截面图，ｙ为波 片旋转后光轴与Ｐ方向的夹角，光路的琼斯矩阵如下 基金项目：国家自然科学基金项目（１１１０４１６０），山东省自然科学基金项目（ＺＲ２０Ｏ９ＧＬＯ１Ｏ）资助 作者简介：张蓓蓓，女，１９８７年生，曲阜师范大学激光研究所硕士研究生 ＊通讯联系人 ｅ－ｍａｉｌ：７４１０６７７１６＠ｑｑ．ｃｏｒｎ ｅ－ｍａｉｌ：ｐｇｈａｎ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｒｎ；ｙａｎｋｅｚｈｕ＠１２６．ｃｏｒｇｉ ２７６ 光谱学与光谱分析 第３３卷 ［ 翰一 ｃｏ ｓ！？ｙ－ｓｉｎ），７［ ０］・ ［ ｃｏｓ！ｓ？ ｏｉｎＳ，？ｙ ７［ｃｏｉ坩ｓＯ－－ 。ｓｉ ｎ０７［－１。Ｉ７Ｊ一 ∞线如图４实线所示（ 一ｙ±９０。），此时在中心Ｏ。位置出现极大 值，即波片光轴为水平方向时，相位差出现极大值，当石英 波片旋转时Ｐ和Ｓ两方向上的相位差随着旋转角度的增大 而变小。 ４ Ｋ Ｉ（１一 十 ＋（＋０ １ ｃ ∞ｏｓ２ ，？－ ｓｉｎ啦２，７） ｅｅ］ ｌ（１） ２结果与讨论 ｃｏｓ ２７，ｙ ｓｉｎ２７，） 其中Ｅ和 分别表示通过石英波片后的ｚ和Ｙ方向偏振 的电场强度，Ｋ为包含各器件矩阵因子的比例系数，０为起 偏臂中起偏器透振方向与竖直方向的夹角为４５。， 为石英 按照图ｌ中的光路，放入检偏器，把波片固定在带刻度 的圆盘上，由ＳＣ３ＯＯ系列位移台控制箱控制石英波片转动， 波片本身的相位延迟量。 可令 （１＋ｃｏｓ２７，＋ｓｉｎ２ｙ）一ａ （１一ｃｏｓ２７，－ｓｉｎ２），）一ｂ （１一ｃｏｓ２７，＋ｓｉｎ２７，）一Ｃ （１＋ｃｏｓ２７，－ｓｉｎ２７，）一ｄ 式（１）可变为 ［ｌ ｉ＆ Ｉ］ 一 ［４一Ｉ ：ｃ ］＋ ｌ ［ ｉ］＝ Ｋ［； 辜 ］ 可得 ｂｓｉｎｗ ｇａ一 赢 ｔｖ３一再ｄｓｉｎ９ ｄｃ。ｔｇｃａ— 一 相位差公式如下 ａ— —ａｒｃｔｇ 看 一 盯吐ｌｒｃｔ ｒ— ｇ 干 面 一］ ｌ（２） 其中 一Ｔ２ｈＡｎｄ一—＿一 ３６０。ｎ （３）Ｌｓ） 式中，ｎ为整数， 的取值范围为Ｏ。～３６Ｏ。，石英波片的厚度 为６４７肚ｍ，所用波长为２．７８ ｅＶ。 采用的是＿８ Ａｎ一０．０１４ ３６—２．６３１ １１ Ｘ １０一 ＋５．６２４ ２７×１０ 一 ６．７８７ ２５×１０ 。＋４．７５３ ８８×１０一ｌ ——１．９６８ ０９× １Ｏ一 ＋４．４１５ ６４×１０ —４．１４１ ３５×１０— 把已知量代入（３）式可得 ，将 代人式（２）可得，相位差ａ～ 是以波片光轴与Ｐ方向的夹角），为变量的函数，可以利用 ｍａｔｌａｂ作出光轴竖直方向时相位差随ｙ的理论变化曲线。 若石英波片在消光位置时光轴沿Ｐ方向，撤掉检偏器， 调节起偏臂中起偏器起偏方向为４５。，旋转波片，椭偏仪检 测到的Ｐ和ｓ两方向上的位相差将发生变化，７－Ａ理论曲线 如图３实线所示，在中心Ｏ。位置时有极小值，即光轴在竖直 方向时Ｐ和Ｓ两方向上相位差最小，当石英波片旋转时Ｐ和 Ｓ两方向上的相位差随着旋转角度的增大而变大。 若石英波片在消光位置时光轴沿Ｓ方向，撤掉检偏器， 调节起偏臂中起偏器起偏方向为４５。，旋转波片， ＿△理论曲 旋转石英波片至消光位置，然后撤出检偏器，将起偏臂中起 偏器起偏方向调至４５。。 左右旋转石英波片，得到７－Ａ曲线，如图３中虚线所示， 曲线显示，在中心ｏ。位置时Ｐ和Ｓ两方向上的位相差有最小 值，与琼斯矩阵分析的理论曲线整体趋势相符，此情况对应 的是光轴方向为垂直方向。 使石英波片自消光位置开始，顺时针或者逆时针转动 ９Ｏ。后，以此位置为中心位置左右转动石英波片。得到姚曲 线，如图４中虚线所示，在中心０。位置时Ｐ和ｓ两方向上的 位相差有最大值，与琼斯矩阵分析的理论曲线整体趋势相 符，此情况对应的是光轴方向为水平方向。０／Ｑ０焉ｐ腭罾 器Ｉｌ 。，ａｕｇ ｐ朋 ５ Ｏ ５ 勰 勰 Ｏ ５ Ｏ ５ ．２０－１５ —１０ ．５ ０ ５ ｌ０ ｌ５ ２Ｏ ％Ａｎｇｌ￣￣ Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃｌｌｌｗｅ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｅｌ／ｌｖｖｅ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｗｈｅｎ ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ｉｓ ｉｎ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ％Ａｎｇｌｅ／。 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃＵｒＶＥ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｉｄｆｅｒｅｎｃｅｗｈｅｎ ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓｉｓｉｎ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 从图３和图４理论和实验曲线可以看出，实验曲线和理 论曲线整体相差大约一度，具体的误差是由理论作图时公式 中含有波片厚度和双折射率的值，存在波片厚度测量误差以 及采用双折射率经验公式导致的误差。另外实验室环境温度 的波动也会导致实验曲线的偏移，但实验曲线和理论曲线整 体变化趋势相同。 ａＪ∞嚣 ＾第１期 光谱学与光谱分析 ２７７ 此方法利用椭偏光谱仪测量波片旋转过程中Ｐ和ｓ两 至Ｐ或Ｓ方向，顺时针和逆时针旋转石英波片，利用椭偏仪 方向上位相差在光轴水平和垂直方向时分别为极大和极小值 检测Ｐ和Ｓ两方向上位相差的变化趋势，快速检测波片光轴 的特点，可以实现对波片光轴方向的快速检测，不仅可以用 是位于Ｐ或Ｓ方向上。此方法具有光路结构简单，易操作的 来判断石英波片的光轴方向，亦适用于其他单轴晶体波片光 特点，可实现对单轴晶体波片光轴方向的快速检测。 轴方向的判断。 ３结论 基于椭偏光谱仪的透射模式，利用检偏器调节波片光轴 ［１］ ＣＨＥＮＧ Ｘｉａｏ－ｔｉａｎ，ＬＩ Ｙｉｎ－ｚｈｕ，ＬＩＵ Ｃｈｅｎｇ，ｅｔ ａｌ（程笑天，李银柱，刘诚，等）．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊ．Ｌａｓｅｒ（中国激光），２００３，３０（７）：６５１ ［２３ ＷＡＮＧ ＧｕＦｘｉａ，ＸＵ Ｃｈａｎｇ－ｊｉｅ，ＷＡＮＧ Ｑｉｎｇ－ｓｏｎｇ（汪桂霞，徐昌杰，王青松）．Ｌａｓｅｒ ８Ｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ（激光与红外），２００６，３６（８）：６９９． ［３３ Ｙｕ Ｃｈｕｎ－ｒｉ（余春日）．Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（激光技术），２００３，２７（４）：３８３ ［４３ ＹＡＮ Ｍｉｎｇ，ＧＡＯ Ｚｈｉ－ｓｈａｎ（严明，高志山）．Ｊ．Ｏｐｔｏｅｌｅｔｒｏｎｉｃｓ・Ｌａｓｅｒ（光电子・激光），２００５，１６（２）：１８３． ［５３ ＲＥＮ Ｈｏｎｇｑｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｊｉｕ－ｙａｎｇ，ＬＯＵＬｉ—ｒｅｎ，ｅｔ ａｌ（任洪亮，王久扬，楼立人，等）．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊ．Ｌａｓｅｒｓ（中国激光），２００８，３５（２）：２４９ ［６３ ＷＡＮＧｗｅｉ，ＬＩＧｕｏ－ｈｕａ，ｗＵＦｕ－ｑｕａｎ，ｅｔ ａｌ（：Ｅ伟，李国华，吴福全，等）．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊ．Ｌａｓｅｒｓ（中国激光），２００３，３０（１２）：１１２１． ［７］ ＷＡＮＧ Ｊｉ－ｍｉｎｇ，ＬＩ Ｇｕｏ－ｈｕａ（￣吉明，李国华）．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ（光学技术），２００２，２８（３）：２４５，２４９． ［８３ ＳＯＮＧ Ｌｉａｎ－ｋｅ，ＨＡ０ Ｄｉａｎ－ｚｈｏｎｇ（宋连科，郝殿中）．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ（光学技术），２００５，３１（５）：６７９． Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｘｉｓ ｏｆ Ｑｕａｒｔｚ ｗａｖｅ Ｐｌａｔｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｐｅｃｔｒ０ｓｃ０ｐｉｃ Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ ＺＨＡＮＧ Ｂｅｉ－ｂｅｉ，ＨＡＮ Ｐｅｉ－ｇａｏ ，ＦＵ Ｓｈｉ－ｒｏｎｇ，ＺＨＵ Ｊｉｕ－ｋａｉ，ＹＡＮ Ｋｅ－ｚｈｕ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｓｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｑｕｆｕ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ ｔｙ，Ｑｕｆｕ ２７３１６５，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ，ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ Ｊｏｎｅｓ ｍａｔｒｉｘ ｔｏ ａｎａｌｙｓｅ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｐ ａｎｄ Ｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ，ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ｏｆ ｑｕａｒｔｚ ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈ— ｏｄ ｈａｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ｔｈｅ ｊｕｄｇｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈｕｓ ｇｏｔ ａ ｇｏｏｄ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ；Ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ；Ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓ；Ｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ （Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｊｕｎ．２９，２０１２；ａｃｃｅｐｔｅｄ Ｏｃｔ．５，２０１２） ＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ
