ICS37.020 N30 中华人民共和国国家标准 GB/T26827—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 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会发布目 次 前言 Ⅲ ………………………………………………………………………………………………………… 1 范围 1 ……………………………………………………………………………………………………… 2 规范性引用文件 1 ………………………………………………………………………………………… 3 术语和定义 1 ……………………………………………………………………………………………… 4 测量原理 2 ………………………………………………………………………………………………… 5 校准方法 3 ………………………………………………………………………………………………… 5.1 概述 3 …………………………………………………………………………………………………… 5.2 校准装置 3 ……………………………………………………………………………………………… 6 校准 3 ……………………………………………………………………………………………………… 6.1 绝对校准法 3 …………………………………………………………………………………………… 6.2 比较校准法 4 …………………………………………………………………………………………… 6.3 校准结果形式 5 ………………………………………………………………………………………… 附录A(资料性附录) 校准装置的说明 6 ………………………………………………………………… 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 6 …………………………………………… A.2 标准波片 8 ……………………………………………………………………………………………… A.3 晶体石英最大双折射率Δnλ计算用表(Δnλ=ne-no为24.8℃下由分析式得到的计算值)8…… ⅠGB/T26827—2011 前 言 本标准的附录A为资料性附录。 本标准由中国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。 本标准主要起草单位:清华大学。 本标准主要起草人:张书练、刘维新、丁铭。 ⅢGB/T26827—2011 波片相位延迟测量装置的校准方法 1 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。 2 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 3 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。 3.1 波片相位延迟测量装置 measurementequipmentofwaveplatephaseretardation 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 benchmarkmeasurementequipmentofwaveplatephaseretardation 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。 3.3 波片相位延迟标准测量装置 standardmeasurementequipmentofwaveplatephaseretardation 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。 3.4 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 laserfrequencysplitting 单模驻波氦氖激光器中,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。 3.6 模式跳变 modejumping 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 frequencydifferencetuning 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。 1GB/T26827—2011 4 测量原理 根据激光原理,驻波激光器的纵模频率νq按式(1)计算: νq=c 2nLq ………………………………(1) 式中: c———真空中光速,单位为毫米每秒(mm/s); n———谐振腔内光路上平均折射率; L———谐振腔长,单位为毫米(mm); q———纵模级数,为数值很大的正整数。 而相邻级纵模νq、νq+1的频差即纵模间隔Δ按式(2)计算: Δ=c 2nL………………………………(2) 如图1所示,当在谐振腔内放入双折射元件时,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 νq和ν′q称为同级分裂模,其频差为Δν;而ν′q-1和νq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Δν′。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。 图1 激光谐振腔内放入双折射元件产生频率分裂示意图 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 设放入腔内的双折射元件引起o光和e光的光程差为δ,则分裂模的频差Δν按式(3)计算: Δν=ν Lδ=ν′q-νq ………………………………(3) 式中: ν———激光频率,单位为赫兹(Hz)。 若放入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= λ·ν,而波片的相位延迟与光程差满足Φ=2π·δ/λ(λ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: Φ=Δν Δπ=Δν Δ×180° ………………………………(4) 2GB/T26827—2011 并且,波片相位延迟式的等同量———光程差δ按式(5)计算: δ=Δν Δλ 2………………………………(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Δν及纵模间隔Δ,即可得到波片的相位延迟量Φ。其中Δν和Δ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。 5 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入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入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 入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。 6 校准 6.1 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℃±1℃; 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。 6.1.3 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30min。 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 测量标准波片基准值 6.1.3.2.1 点通光标准波片测量 将待测标准波片放入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 3GB/T26827—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