专利名称：利用激光回馈高精度确定入射角的方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学检测技术，特别涉及一种利用激光回馈高精度确定入射角的方法及其应用。
背景技术：
光波导是集成光学中重要的基础性部件。建立在平面光波导技术之上的光器件，具有成本低、体积小、便于批量生产、稳定性好以及易于与其它器件集成等优点。目前，集成光学器件已在通讯、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要作用。平面光波导的折射率与薄膜厚度是设计与制作光波导器件的基础，因此，高精度检测平面光波导参数，具有十分重要的研究与应用价值。目前，能同时检测平面光波导的折射率与薄膜厚度的技术是棱镜耦合方法，棱镜耦合测量系统的基本构成如图1所示，其检测原理是采用棱镜耦合方法激发波导中的导模，进入棱镜的入射光在棱镜的底边发生反射后，从棱镜的另一边出射，由探测器测量反射光强；当光束在棱镜底边的入射角满足耦合条件时(此时该角称为同步角)，入射光能量转化为导模的能量，反射光强骤减，调节光束在棱镜表面的入射角，在入射光垂直于棱镜入射面后，开始测量光束在棱镜表面的入射角变化时的反射光强曲线，曲线上出现的一个波谷对应于平板波导中的一个导模，测量波谷处相应的入射角，可计算出相应导模的同步角与有效折射率；测量相邻三个导模的入射角，再利用波导本征值方程，可计算波导薄膜的折射率和厚度。这一测量技术中，初始角的确定是影响测量精度的一个重要因素之一。目前，各种实验室自建的棱镜耦合测试系统中，0°参考角的确定是以人眼观察由棱镜表面反射的光束的光斑是否进入了光源出射光栏来进行，这是一种简便的方法，但精度不高；在商品化的测试仪中，例如，美国的MetriconTM2010棱镜耦合仪和韩国的棱镜耦合仪SPA系列，都有配备了专用于确定0°参考角的自动校准系统，因此明显增加了仪器的成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种利用激光回馈高精度确定入射角的方法，这种方法不需要0°参考角校准系统，但可以使入射角的检测精度达到仪器中相应转动部件的最小分辩角，从而既提高了检测精度，又可降低仪器的生产成本。
本发明的另一目的在于提供一种上述利用激光回馈高精度确定入射角方法的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现一种利用激光回馈高精度确定入射角的方法，具体是将一束激光从入射角大于或等于0°±4′的任意位置开始入射，让光源或平面界面相对入射点沿着入射角减小的方向连续转动通过0°位置，同时要求转动过程中入射光束保持在同一入射面内，且入射角变化范围包含了所需要测量的各角度；测定入射角变化时的反射光强曲线，将曲线在绘图软件中展开后，在对应于入射角为0°±4′附近的区间内，由于激光回馈(当一束激光被棱镜表面反射的光束能通过光栏进入激光器的谐振腔，将引起激光器输出光强与输出光频率的变化)使输出光强产生了细微的波动，将该区间内的最低波谷点确定为0°参考角；反射光强曲线上某点的转动步数相对于0°参考角的位移乘以步长角度值，即为曲线上该点相应的入射角。
由于光源输出光强的变化滞后于进入光源的反射光，对同一测量点，保持系统其它测试条件不变，对顺时针和逆时针方向转动得到的步数位移取平均值，平均步数位移乘以步长角度值，就是该点相应的入射角。
所述绘图软件为Excel、Origin、Matlab或其它具有类似功能的软件。
上述利用激光回馈高精度确定入射角的方法可应用于计算平板波导各导模的同步角及其有效折射率，由相邻三个导模的入射角和平板波导本征值方程，可计算波导薄膜的折射率和厚度。此外，在其它的一些光学检测仪器和设备中，也涉及入射角的测定，例如，椭偏仪、测角仪等，对此，本发明方法亦可有效地应用。因此，本发明在光学检测中有较好的应用价值。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果(1)精度高；利用本发明方法确定的0°参考角的精度可达到仪器相应转动部件的最小分辨角，因此能高精度的测定入射角。将本发明方法应用于上海交通大学提供的实验教学用的棱镜耦合系统中，折射率的测量精度可达到±0.0001；而对于同一测量系统，采用常规方法，即使是有经验的技术人员，测量精度也只能达到±0.001。(2)操作简单、方便；利用本发明方法并不需采用专门的0°参考角校准系统，操作步骤简捷，效率较高。(3)成本低；由于本发明方法可实现现有的0°参考角校准系统的功能，所以完全可替代其应用于可能使用的领域，从而可明显降低设备的生产及使用成本，经济性较好。(4)应用范围广；本发明可用于涉及入射角测定的技术领域，所以应用范围较广，市场前景较好。
图1是应用本发明的棱镜耦合测量平板波导同步角装置的结构示意图。
图2是探测器检测到的随入射角变化的反射光强曲线图(顺时针)。
图3是入射角0°±4′区域反射光强的变化曲线图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1图1示出了应用本发明的棱镜耦合方法测量平板波导同步角装置的具体结构，由图1可见，所述装置包括转动平台1、激光器2、偏振器3、光栏4、棱镜5、探测器6、A/D转换器7、计算机8、步进电机9等组件，在转动平台1上放置平板波导10(平板波导由衬底与附在上面的薄膜构成)上，激光器2发出的激光透过偏振器3及光栏4入射至棱镜5，由棱镜5反射后入射至探测器6，探测器6与A/D转换器7及计算机8相连接，带动平台1转动的步进电机9同时与计算机8相连接。利用前述装置实现本发明方法的具体步骤是操作人员通过计算机发出指令，让步进电机9控制平台1转动，平台1带动棱镜5可沿顺时针方向转动；细调放置棱镜5的平台1的俯仰，让反射光的入射角几乎为零，此时反射光能完全进入光栏4；棱镜5沿顺时针方向转动时，同时要求转动过程中入射光束保持在同一入射面内，探测器接收信号后，经数据处理后在计算机上显示反射光强曲线，如图2所示。图中O点附近波形的下陷区对应于反射光斑进入光栏的区间，该区间信号放大后的波形，如图3所示。棱镜的入射面与入射光垂直的更准确的位置就在图3中最低的波谷点O处；将反射光强曲线在Origin软件中放大后，读取O点处电极转动步数和某个波谷点处的步数，由这两个步数的代数和，即该波谷点的步数相对于O点的步数位移乘以步长角度值，即为该导模相应的入射角，由该入射角可以计算出该导模的同步角及其有效折射率；由相邻三个导模的入射角和平板波导本征值方程，可以求解出薄膜的折射率与膜厚。表1是实测的相邻三个导模的步数位移，测量了三次。
表1 实施例2本实施例除下述特征外同实施例1对同一测量点，保持与实施例1相同的测试条件，棱镜沿逆时针方向转动，表2是实测的上述相邻三个导模的步数位移，测量了三次。
表2 对同一模式的顺时针与逆时针转动的步数位移取平均值，平均步数位移乘以步长角度值，就是该点相应的入射角。本实施例通过双向测量，消除了由于光源输出光强的变化滞后于进入光源的反射光所带来的测量误差，因而结果更为精确。表3是步数位移的平均值和由此计算出的薄膜的折射率与膜厚(步长角度值，7.4013×10-4)。
权利要求
1.一种利用激光回馈高精度确定入射角的方法，其特征在于一束激光入射至平面界面，将激光光源或平面界面相对入射点沿着入射角减小的方向连续转动通过入射角0°位置，并在转动过程中保持入射光在同一入射面内，测量随入射角变化的反射光强曲线；将曲线在绘图软件中展开后，在对应于0°附近的区间内，激光回馈使输出光强产生细微的波动，将该区间内的波谷点确定为0°参考角；然后将反射光强曲线上某点的转动步数相对于0°参考角的位移乘以步长角度值，即为曲线上该点相应的入射角。
2.根据权利要求1所述的利用激光回馈高精度确定入射角的方法，其特征在于激光入射到平面界面时，从入射角大于或等于±4′的任意位置开始入射。
3.根据权利要求1所述的利用激光回馈高精度确定入射角的方法，其特征在于对同一测量点，保持其它测试条件不变，对顺时针和逆时针方向转动得到的步数位移取平均值，平均步数位移乘以步长角度值，就是该点相应的入射角。
4.根据权利要求1所述的利用激光回馈高精度确定入射角的方法，其特征在于所述绘图软件为Excel、Origin、Matlab。
5.根据权利要求1～4任一项所述的利用激光回馈高精度确定入射角的方法应用于计算平板波导各导模的同步角及其有效折射率，利用平板波导本征值方程，计算波导薄膜的折射率和厚度。
全文摘要
本发明提供一种利用激光回馈高精度确定入射角的方法，将激光光源或平面界面相对入射点沿入射角减小的方向连续转过入射角0°位置，并在转动中保持光束在同一入射面内，测量随入射角变化的反射光强曲线；将曲线在绘图软件中展开，在0°附近的区间内，激光回馈使输出光强产生细微波动，将最低波谷点确定为0°参考角；然后将曲线上某点的转动步数相对于0°参考角的位移乘以步长角度值，即为该点相应的入射角。本发明方法可应用于计算平板波导各导模的同步角及有效折射率，利用相邻三个导模的入射角和平板波导本征值方程，可以计算波导薄膜的折射率和厚度。本发明具有测量精度高，操作简易，成本低的优点，可用于涉及入射角测定的技术领域，应用范围较广。
文档编号G01B11/06GK1804586SQ200510100839
公开日2006年7月19日 申请日期2005年10月28日 优先权日2005年10月28日
发明者张小康, 廖常俊, 刘颂豪 申请人:华南师范大学, 华南理工大学