一種彈光調(diào)制測旋光的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設及彈光偏振調(diào)制的應用和旋光測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體而言，設及一種彈 光調(diào)制測旋光的裝置及方法，是一種實時、高速、高精度和高靈敏的光學旋光測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，旋光現(xiàn)象及其應用受到越來越廣泛的研究，對于光學旋光的高精度和高 靈敏度測量，在材料的旋光色散，旋光吸收和磁致旋光等領(lǐng)域具有重要意義。特別值得指出 的是，新一代量子操控磁強計/慣性測量裝置研制成功W來，對被操控量子產(chǎn)生的旋光測 量直接決定了該新型巧螺儀的探測精度和靈敏度。
[0003] 早期，消光法被運用于檢測旋光，該方法雖然操作簡單、成本低，但其測量靈敏 度較低，并且每次測量需旋轉(zhuǎn)檢偏器，精度無法保證，也無法實現(xiàn)實時高速的旋光測量； 因此，研究者們相繼提出了聲光調(diào)制、電光調(diào)制、Faraday磁光調(diào)制和彈光調(diào)制等光學 偏振態(tài)調(diào)制的檢測方法。鑒于彈光調(diào)制技術(shù)具有寬的光譜窗口、大的通光面積、大的視 場角、較好的抗震性能、高的調(diào)制頻率、高的調(diào)制純度、高的調(diào)制精度和較好的調(diào)制穩(wěn)定 度。文獻出ighfrequencypolarizationmodulationmethodformeasuringoptical rotation[J],AppliedOptics, 1975, 14(3) :761-764]最早提出運用彈光調(diào)制方法測量光 學旋光，1998年，美國Hinds公司的BLWang,實現(xiàn)了靈敏度為O.OOr的旋光測量[見 文獻：Measurementofcircularandlinearbirefringenceusingthephotoelastic modulator[J]，Proc.ofSPIE，1999, 3535:294-301]，但上述方法均使用了模擬鎖相放大器 來獲取旋光數(shù)據(jù)，不能夠同時獲取和觀測多個倍頻信號通道數(shù)據(jù)，實驗成本昂貴，不便于工 業(yè)化集成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足，本發(fā)明在利用彈光調(diào)制的優(yōu)勢基礎(chǔ)上，結(jié)合 差分平衡探測和數(shù)字鎖相放大技術(shù)，提供一種實時、高速、高精度和高靈敏的光學旋光測量 裝置及方法，該旋光測量裝置造價相對便宜，并且利于工業(yè)化集成。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種彈光調(diào)制測旋光的裝置，包括檢測激光、透鏡、偏振分光棱鏡、第一反射鏡、起 偏器、偏振片、彈光調(diào)制器、檢偏器、第二反射鏡、差分平衡探測模塊、信號采集和數(shù)字鎖相 模塊和計算機，所述差分平衡探測模塊、信號采集和數(shù)字鎖相模塊和計算機依次連接；
[0007] 所述差分平衡探測模塊包括第一探測器和第二探測器，所述檢測激光通過透鏡后 經(jīng)偏振分光棱鏡分為第一光束和第二光束，所述第一光束依次經(jīng)起偏器、旋光待測樣品、彈 光調(diào)制器、檢偏器后入射到第一探測器，所述第二光束依次經(jīng)第一反射鏡、偏振片、第二反 射鏡后入射到第二探測器；
[000引所述信號采集和數(shù)字鎖相模塊包括FPGA和第一采集單元和第二采集單元，所述 第一采集單元和第二采集單元分別與FPGA連接，所述差分平衡探測模塊通過前置放大器 與第一采集單元連接，所述差分平衡探測模塊通過低通濾波器與第二采集單元連接，所述 彈光調(diào)制器包括彈光晶體和LC諧振高壓驅(qū)動電路，所述彈光晶體通過LC諧振高壓驅(qū)動電 路與FPGA連接。
[0009] 所述起偏器和檢偏器的偏振軸方向相對于彈光調(diào)制器的調(diào)制快軸方向分別為0° 和 45。。
[0010] 所述起偏器和檢偏器均選用方解石格蘭泰勒偏振棱鏡。
[0011] 所述檢測激光選用632. 8nm波長的氮氛激光光源。
[0012] 所述彈光調(diào)制器為單壓電石英驅(qū)動的長椿狀彈光調(diào)制器，所述彈光晶體為各向同 性的烙融石英，諧振頻率為50曲Z。
[0013] 一種彈光調(diào)制測旋光的方法，檢測激光通過透鏡擴束準直后經(jīng)偏振分光棱鏡分為 第一光束和第二光束；第一光束依次經(jīng)起偏器、旋光待測樣品、彈光調(diào)制器和檢偏器后入射 到第一探測器，構(gòu)成檢測光路；第二光束依次經(jīng)第一反射鏡、偏振片和第二反射鏡后入射到 第二探測器，構(gòu)成參考光路；調(diào)節(jié)偏振片至參考光路與檢測光路的光強相同時，通過差分平 衡探測模塊差分輸出交流信號，第二探測器輸出直流信號；交流信號經(jīng)前置放大器放大后 由第一采集單元采集傳入FPGA實現(xiàn)數(shù)字鎖相，并且彈光調(diào)制器的LC諧振高壓驅(qū)動電路的 輸入信號由FPGA產(chǎn)生提供，使得鎖相時的參考信號與彈光調(diào)制器的高壓驅(qū)動信號能夠同 頻同源，直流信號經(jīng)低通濾波器濾波后由第二采集單元采集傳入FPGA寄存，并連同數(shù)字鎖 相數(shù)據(jù)傳入計算機，完成旋光數(shù)據(jù)的處理、存儲和顯示。
[0014] 所述計算機采用Ubview程序完成旋光數(shù)據(jù)的處理、存儲，并作DA輸出顯示，實現(xiàn) 實時監(jiān)控。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明所具有的有益效果為：
[0016] 1)本發(fā)明所采用的光學核屯、器件是彈光調(diào)制器，彈光調(diào)制器的調(diào)制精度和調(diào)制純 度較高，調(diào)制穩(wěn)定性較好，調(diào)制頻率高等優(yōu)點，保證了旋光測量的精度和靈敏度；
[0017] 。本發(fā)明采用雙光路探測的方法，除檢測光路外，還引入?yún)⒖脊饴罚⑦\用差分平 衡探測的方法輸出檢測信號，有效地消除了檢測光信號的共模噪聲，進一步提高了旋光測 量的精度和靈敏度；
[001引扣本發(fā)明采用數(shù)字鎖相放大技術(shù)提取有用的倍頻信號，數(shù)字鎖相由數(shù)據(jù)采集和數(shù) 字鎖相模塊中的FPGA完成，并且彈光調(diào)制器的LC諧振高壓驅(qū)動電路的輸入信號由FPGA提 供，保證了參考信號與調(diào)制基頻信號同頻，同源；
[0019] 4)本發(fā)明由計算機完成鎖相數(shù)據(jù)和直流信號數(shù)據(jù)的處理，最終求解得出旋光數(shù) 據(jù)，進而進行存儲和顯示，此外，計算機還控制監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實時監(jiān)控。
[0020] 5)本發(fā)明測量精度較高，無運動部件，無需機械調(diào)節(jié)，工作穩(wěn)定，成本低，利于工業(yè) 自動化集成應用，為旋光測量及相關(guān)應用領(lǐng)域提供了新理論和新方法。
【附圖說明】
[0021] 下面通過附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0022] 圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖中；1為檢測激光、2為透鏡、3為偏振分光棱鏡、4為第一反射鏡、5為起偏器、6 為偏振片、7為旋光待測樣品、8為彈光調(diào)制器、9為檢偏器、10為第二反射鏡、11為差分平 衡探測模塊、12為前置放大器、13為低通濾波器、14為信號采集和數(shù)字鎖相模塊、15為計算 機。
【具體實施方式】
[0024] 下面實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
[0025] 如圖1所示，檢測激光1經(jīng)透鏡2擴束準直后被偏振分光棱鏡3分為第一光束和 第二光束，第一光束依次通過起偏器5、旋光待測樣品7、彈光調(diào)制器8和檢偏器9被第一探 測器（PDl)探測，構(gòu)成檢測光路，第二光束經(jīng)第一反射鏡4和第二反射鏡10入射到第二探 測器（PD2)，構(gòu)成參考光路，并在參考光路中插入偏振片6,用于調(diào)節(jié)參考光強；當參考光路 光強調(diào)節(jié)與檢測光路直流光強相同時，差分平衡探測模塊11，差分輸出交流信號，第二探測 器輸出直流信號；前置放大器12將交流信號放大后輸入信號采集和數(shù)字鎖相模塊14,完成 彈光調(diào)制倍頻信號的提??；直流信號經(jīng)低通濾波器13濾波后，由AD2采集，并連同數(shù)字鎖相 數(shù)據(jù)傳入計算機（PC) 15,完成旋光數(shù)據(jù)的處理，存儲和顯示。
[0026] 優(yōu)選地，檢測激光1選用單色性和相干性較好、造價便宜的632. 8nm波長的氮氛激 光光源。
[0027] 優(yōu)選地，檢測光路中起偏器5和檢偏器9均選用消光比較好的方解石格蘭泰勒偏 振棱鏡。
[002引優(yōu)選地，檢測光路中的彈光調(diào)制器8為單壓電石英驅(qū)動的長椿狀彈光調(diào)制器，彈 光晶體為各向同性的烙融石英，諧振頻率為50kHz，采用LC諧振高壓驅(qū)動電路驅(qū)動。
[0029] 檢測光路中，起偏器5和檢偏器9的偏振軸方向相對于彈光調(diào)制器8的調(diào)制快軸 方向，分別取0°和45°，并取攜帶旋光信息的偶數(shù)倍頻調(diào)制信號作為研究對象。