一种基于双光束差分消除光弹调制器及环境影响的检测装置与方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于双光束差分消除光弹调制器及环境影响的检测装置和检测方法。该装置包括光学模块和测量模块两部分，光学模块由激光器、起偏器、分束器、光弹调制器、检偏器组成；测量模块由两个光电探测器、锁相放大器和数字信号处理系统组成。本发明特征在于两束状态相同的光通过同一个光弹调制器后经光电探测器转化成电信号，通过锁相放大器和数字信号处理系统解算分别得到对应两束光束的调制幅度和残余应力双折射角，将解算的两路信号进行差分处理，消除了光弹调制器件自身及环境变化带来的不稳定因素。利用本发明后在光弹调制检测中能大幅提高检测信噪比及信号的稳定性。
【专利说明】-种基于双光束差分消除光弹调制器及环境影响的检测装 置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学检测领域，特别是一种基于双光束差分消除光弹调制器及环境影 响的检测装置与方法。 技术背景
[0002] 利用光弹调制器对线偏振光进行高频调制，有效提高了入射偏振光束偏振面微小 旋转角的检测，隔离了低频、1/f、缓慢漂移带来的噪声。尤其在一些需要系统长期稳定的应 用领域，调制检测系统自身的稳定性很重要。
[0003] 光弹调制检测中调制器的性能直接影响检测信号的输出。而光弹调制器残余应力 引起的双折射是反应光弹调制器性能的主要指标，在系统测量过程中其容易受外界环境如 温度、振动等的影响，导致测试信号随之变化出现不稳定因素，因此在使用过程中应予以去 除。
[0004] 在 SPIE 文献（Baoliang(Bob)Wang, Emily Hinds and Erica Krivoy，Basic Optical Properties Of The Photoelastic Modulator Part II :Residual Birefringence in the Optical Element, 2009. 746110-746110-8)中提到光弹调制器由于材料及结构特 性不可避免存在应力双折射。这种应力将直接影响器件中光束传播特性及调制性能，在文 献中并没有提到去除光弹调制器残余应力双折射的方法。然而在微弱信号检测时，由于光 弹调制器应力双折射随环境变化带来的影响较为显著却不容忽视，本发明旨在解决光弹调 制器件自身及环境变化带来测试信号的不稳定性。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于解决光弹调制器件带来检测信号不稳定问题，提出一种基于双光 束差分消除光弹调制及环境影响的检测装置与检测方法。该装置包括光源模块和测量模 块，将入射光弹调制器的两路信号解算得到同一位置处器件的残余角，进行差分处理，有效 消除了调制器件自身及环境带来的影响。
[0006] 为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
[0007] -种基于双光束差分消除光弹调制器及环境影响的检测装置，包括光学模块和测 量模块两部分，光学模块由激光光源、起偏器、激光功率稳定模块、消偏振分光棱镜、二分之 一波片、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、光弹调制器、光弹控制器和检偏器组成；测 量模块由第一光电探测器、第二光电探测器、锁相放大器、和信号采集与处理系统组成。上 述元器件的位置关系如下：
[0008] 激光器出射的光经过起偏器变成线偏振光，通过激光功率稳定模块对激光功率进 行稳定控制；线偏振光经过消偏振分光棱镜将线偏振光等分成两束，其中第一光束直接通 过光弹调制器引入周期性的相位调制其峰值相位延迟量和工作波长由光弹控制器设定，经 光弹调制器相位调制后的光进入检偏器，经出射的光进入第一光电探测器记录第一光束光 强并转变为电信号输入锁相放大器；从消偏振分光棱镜出射的第二光束经过二分之一波片 对线偏振光的方向进行相位补偿，经过的光依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜 进入光弹调制器被调制，出射的光依次进入检偏器，经出射的光进入第二光电探测器；记录 第二光束光强并转变为电信号输入锁相放大器；由所述的光弹控制器给锁相放大器提供参 考信号并与其参考信号输入端相连；锁相放大器输出信号至信号采集与处理系统；
[0009] 所述起偏器的透光轴与光弹调制器振动轴方向呈45°夹角；光弹调制器的振动 轴与检偏器透光轴呈-45°夹角；起偏器透光轴与检偏器透光轴呈90°正交。
[0010] 所述的基于双光束差分消除光弹调制器自身及环境影响的检测装置消除光弹调 制器自身及环境影响的检测方法。其特征在于该方法包括以下步骤：
[0011] a.构建上述的基于双光束差分的光弹调制检测装置。调整经消偏振分光棱镜分出 的第一光束入射光弹调制器的位置与经过三个反射镜入射到光弹调制器的位置应在同一 位置；调整二分之一波片角度使经消偏振分光棱镜的第二束光束的偏振方向与第一光束一 致；通过光路中元器件的选择及角度调整使进入光弹调制器的第一光束及第二光束功率相 等。
[0012] b.所述的光弹调制器通过设定光弹控制器的面板参数确定其峰值相位延迟量，第 一光电探测器和第二光探测器将光信号转换为电信号并输入到锁相放大器，同时光弹控制 器将光弹调制器的参考信号输入到锁相放大器的参考信号输入端；通过锁相放大器及信号 采集与处理系统得到第一光束输出信号的基频分量V11和倍频分量V12，和第二光束输出信 号的基频分量V21及倍频分量V21 ;
[0013] c.第一光束及第二光束的基频分量和倍频分量进行解算得到下述表达式：
【权利要求】
1. 一种基于双光束差分消除光弹调制器及环境影响的检测装置，其特征在于其包括 光学模块和测量模块两部分，光学模块由沿系统光轴依次设置的激光器（1)、透光轴角度为 45°的起偏器（2)、激光功率稳定模块（3)、消偏振分光棱镜（4)、二分之一波片（5)、第一反 射镜（6)、第二反射镜（7)、第三反射镜（8)、快轴角度为0°的光弹调制器（9)、光弹控制器 (10) 和透光轴角度为-45°的检偏器（11)组成；测量模块由第一光电探测器（12)、第二光 电探测器（13)、锁相放大器（14)和信号采集与处理系统（15)组成，上述元器件的位置关系 如下： 激光器（1)出射的光经过起偏器（2)变成线偏振光，利用从（2)出射的旁路光束和激 光功率稳定模块（3)实现激光功率的稳定控制；起偏器（2)沿系统主光轴透过的光进入消 偏振分光棱镜（4)，其光束被等分成两束，其中第一光束直接进入光弹调制器（9)引入周期 性的相位调制，该光弹调制器（9)的峰值相位延迟量和工作波长由光弹控制器（10)设定， 经光弹调制器（9)相位调制后的光进入检偏器（11)，经检偏器（11)出射的光进入第一光电 探测器（12);从消偏振分光棱镜（4)分出的第二光束经过二分之一波片（5)对线偏振光的 相位进行补偿，通过二分之一波片（5)的光依次经过第一反射镜（6)、第二反射镜（7)、第三 反射镜（8)进入光弹调制器（9)，经过光弹调制器（9)相位调制后的光进入检偏器（11)，经 检偏器（11)出射的光进入第二光电探测器（13);第一光电探测器（12)记录直接进入弹调 制器（9)经检偏器（11)出射的第一光束光强并转变为电信号输入锁相放大器（14);第二 光电探测器（13)记录经过第一反射镜（6)、第二反射镜（7)、第三反射镜（8)经光弹调制器 (9)进入检偏器（11)出射的第二光束光强并转变为电信号输入锁相放大器（14);由所述的 光弹控制器（10)给锁相放大器（14)提供参考信号；锁相放大器（14)输出信号至信号采 集与处理系统（15);所述起偏器（2)的透光轴与光弹调制器（9)振动轴方向呈45°夹角； 光弹调制器（9)的振动轴与检偏器（11)透光轴呈-45°夹角；起偏器（2)透光轴与检偏器 (11) 透光轴呈90°正交。
2. 利用权利要求1所述的基于双光束差分消除光弹调制器及环境影响的检测装置消 除光弹调制器及环境影响的检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： a. 构建上述的基于双光束差分消除光弹调制器及环境影响的检测装置；调整消偏振 分光棱镜（4)出射的第一光束入射光弹调制器（9)的位置与经过三个反射镜入射到光弹调 制器（9)的位置应在同一位置；调整二分之一波片（5)角度使第二光束的偏振方向与第一 光束一致；通过光路中元器件的选择及角度调整使得进入光弹调制器（9)的第一光束及第 二光束光功率相等； b. 所述的光弹调制器（9)通过设定光弹控制器（10)的面板参数确定其峰值相位延迟 量，第一光电探测器（12)和第二光探测器（13)将光束的光信号转换为电信号输入锁相放 大器（14)，同时光弹控制器（10)基频参考信号输入锁相放大器（14)的参考信号输入端； 通过锁相放大器（14)及信号采集与处理系统（15)得到第一光束的基频分量Vn和倍频分 量V12，和第二光束的基频分量V21及倍频分量V22 ; c. 对第一光束及第二光束的基频分量和倍频分量，进行如下的解算：
其中，1〇为消偏振分光棱镜等分的单束激光功率，Vi(aml)是第一光束信号调制幅度，Vi(ad是第一光束信号残余双折射角；V2(a&)是第二光束信号调制幅度，V2(a%)是第二 光束信号残余双折射角； 将得到的两路信号对应的残余双折射角进行差分处理如下， AV=V1(a〇1)-V2(a〇2) 由于此方法中两束状态相同的光通过同一个光弹调制器，理论上AV为0,然而实验中 两束光功率不能确保完全相等，解算的AV为接近零的常值，在检测中可通过信号处理方 法减掉得到消除了器件及环境影响的信号。
【文档编号】G01D5/30GK104406544SQ201410670079
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】房建成, 段利红, 胡朝晖, 李茹杰, 姜丽伟 申请人:北京航空航天大学