基于数学模型分析的新型微纳光源测试

2018-09-29赵春芳贾明辉

实验室研究与探索 2018年8期

赵春芳, 贾明辉

(1. 包头铁道职业技术学院，内蒙古包头 014040； 2. 内蒙古民族大学数学学院，内蒙古通辽 028000)

0 引言

当前光学偏振在微纳领域已经有了广泛的应用，其中光束偏振状态是可控调制[1-3]的基础。因此，偏振调制器的性能是保证高精度测量的关键因素之一。相位连续控制液晶的可变相位延迟器(LCVR)具备了低驱动电压、无机械旋转、快速响应、小体积等优势[4-7]。然而，由于技术上的局限性，LCVR的性能通用性较差，环境温度对其性能有明显的影响，这限制了其在精密光学偏振测量中的应用。为了突破这一限制，LCVR的光电特性，特别是对特征轴的方位角和相位延迟谱的在线精确标定，一直是偏振测量方法[8-10]的重要内容。目前，LCVR光电特性的测试方法可分为：① 通过偏振测试仪器对LCVR的光电特性进行测试，该方法取决于测试仪器的性能，测量误差将直接进入LCVR[11-13]的测试系统中；此外，在测试完成后，LCVR需要重新安装到它的应用系统中，这不可避免地引入了二次装配错误，使得错误分析更加复杂。② 通过LCVR的在线自我检测系统，利用LCVR集成测试系统的部分结构来构建的；通过对LCVR的调制规则和最终输出强度的分析，计算LCVR的光电特性；这种基于LCVR的应用系统的测试方法，在不需要拆装的情况下进行测试，避免重复安装错误，同时，在应用系统调试过程中，简化了LCVR校准过程[14-15]。但是，现有的测试方法通常涉及多台设备，甚至需要旋转机械设备进行测试，在这一点上，测量结果要考虑其自身的缺陷、旋转和装配误差因素，如精度、误差分析更为复杂[16]。基于上述背景，本文提出了一种基于单偏振镜的新方法，设计的模型可以快速计算出LCVR的方位角和相位延迟值。为了验证该方法的有效性，建立了LCVR的光电特性测试系统，并进行了相关的实验和分析。

1 系统设计

测试系统示意图如图1所示，该测量方法使用两种偏振器件，即线性偏振器和LCVR。卤钨光源准直后的射线进入分束器,反射的光经分束器事件线性偏振镜和LCVR,平面镜反射后由LCVR和线性偏振镜进行分束,分束器的透射光强度信号由采集的光谱探测器和传送到计算机,计算机数据处理和控制电压LCVR，LCVR的旋转角度则由转盘控制。

图1 液晶相位延迟器光电特性测试系统示意图

2 方位角的实验分析与讨论

方位角的实验测量目标是方位角45°条件下不同波长下的LCV。考虑了在不同波长误差和装配误差下的LCVR方位角，利用上述的在线测试系统对转台角的角度进行测量。阵列检测器采用测试全光谱的光谱仪，它的波长分辨率为4～7 mm，因此可以用光谱波长的一对一实现检测像素，进而得到了波长的光强度信息，实验结果如图2所示。图2(a)为LCVR方位角约45°时，650 nm光强随电压变化曲线；(b)为2.64 V，650 nm光强随LCVR方位角(旋转台)变化曲线；(c)5波长、4温度测试LCVR，方位角45°对应的旋转台角度。由图2(a)可以看出，电压和延迟值呈非线性关系,LCVR方位角随电压变化是缓慢的, 由图2(b)可以得出，光的强度波谷对应的旋转角度, 单向重复实验使用转台最小增量运动是0.025，测试角度步长0.04。图2(c)表明了温度和转盘的微妙变化对方位角影响较为明显，造成这种原因是每个波长的最小光强度的测试电压是不同的，不同电压下的液晶分子的轴向方位是不同的。

3 相位的实验分析与讨论

LCVR通常被认为是轴向方位持续和相位延迟的理想偏振装置。下面对相位进行分析，考虑到在线快速测试的目的，采用LCVR固定方位角，波长采用650、700、750和800 nm的旋转角，与平均LCVR方位角45°相对应。在上述情况下，对LCVR进行了一系列的电压分析，并收集了相应电压的光强度谱，测试结果如图3所示。可以发现：当电压小于阀值(约0.55 V)时，液晶分子基本上没有偏转，因此此时每个波长的相位延迟不变；当电压大于阈值电压,相位随着电压的增加延迟值开始下降；电压大于3.5 V左右是电压产生的电场力平衡了液晶分子的复位力,因此相位延迟的变化值往往是缓慢的。上述结果表明，同样的电压，波长越短，相位延迟值越大；且测试系统的LCVR每个波长的延迟值均大于零。

图3 不同电压、波长对应的延迟值

图4分别为(a)相位延迟均值；(b)标准差；(c)相对标准差，这组结果是测试系统的重要参数。误差结果表明：系统能够通过电压控制液晶分子的折射率来实现对光的相位延迟，然而液晶分子是雪茄形状的，其折射率会随电压的改变而变化。当不加电压时，液晶分子平躺在与玻璃板平行的方向；加上电压时，液晶分子开始“站立起来”。当电压足够的时候，液晶分子可以旋转到与玻璃板垂直的方向。从图4依然能够可以看出：采用最小二乘拟合的光强度和相应的LCVR方位，可获得该电压的三角值；通过这种方式，可以测量该电压的LCVR方位和绝对值，但测量的绝对值也需要不可折叠。文中采用的这种方法需要很长时间来测量光源的稳定性、设备的旋转精度和旋转光束的旋转角度等，不是特别适合快速测量的目的。