一種基于雙pem的中紅外波片位相延遲精確測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及中紅外波片位相延遲的測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙PEM的中紅外波片位相延遲精確測量方法，是一種采用兩個彈光調(diào)制器差頻調(diào)制、可實現(xiàn)低速、高精度的中紅外位相延遲測量方法；將中紅外激光器、起偏器、PEM1調(diào)制器、被測中紅外波片、PEM2調(diào)制器、檢偏器、紅外點探測器依次排列構(gòu)成測量光路，雙PEM驅(qū)動控制電路將PEM1調(diào)制器和PEM2調(diào)制器差頻調(diào)制降低調(diào)制頻率，使紅外點探測器可進行有效探測，并將差頻信號提供給數(shù)字鎖相放大器，數(shù)字鎖相放大器對紅外點探測器獲得的調(diào)制信號進行鎖相放大，獲得鎖相頻率信號的幅值，最后通過計算機數(shù)據(jù)處理獲得被測中紅外波片的位相延遲；本發(fā)明主要應(yīng)用在中紅外波片方面。
【專利說明】
-種基于雙PEM的中紅外波片位相延遲精確測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及中紅外波片位相延遲的測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體而言，設(shè)及一種基于雙 陽M的中紅外波片位相延遲精確測量方法，是一種采用兩個彈光調(diào)制器差頻調(diào)制、可實現(xiàn)低 速、高精度的中紅外位相延遲測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 波片在許多領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，波片位相延遲測量精度直接決定了待測量 的測量精度。但在中紅外波片還沒有測量精度較高的可行方法，但中紅外波片在一些領(lǐng)域 有很大的應(yīng)用潛力，比如近年來太陽磁場觀測拓展到8~14皿中紅外波段，期望利用中紅外 波段可獲得更大的Zeeman裂距的優(yōu)勢，通過直接測量裂距獲得磁場信息。然而中紅外波段 太陽磁場精確測量首先面臨的挑戰(zhàn)便是中紅外波段波片位相延遲精確測量的問題。該波段 偏振測量方法無論在國內(nèi)還是國外都鮮有報導(dǎo)，因而目前沒有成熟的測量技術(shù)方法作為參 考。由于中紅外波段還沒有像可見光和近紅外波段有成熟的補償器件和電光調(diào)制器件，因 此目前該測試系統(tǒng)只能依靠旋轉(zhuǎn)波片法和光譜掃描法進行位相延遲測量。其中光譜掃描法 通常在測量1/2波片時具有較高精度，而旋轉(zhuǎn)波片方法在元件旋轉(zhuǎn)過程中會有很多不確定 因素可導(dǎo)致光強測量的誤差，從而影響測量的精度。而中紅外波段存在光源信號較弱，背景 噪聲高，探測器的探測率低，加之肉眼不可見等不利因素，使得誤差分析更加困難。
[0003] 近年來逐步發(fā)展并完善的彈光調(diào)制技術(shù)(photoelastic-modulator，PEM)，可為中 紅外波段高精度位相遲測量方法提供新的思路。但是目前應(yīng)用PEM進行高精度位相延遲測 量方法主要采用單個陽M，通過鎖相獲得被測位相延遲，但由于陽M調(diào)制頻率快(數(shù)十KHz-數(shù) 百K化），調(diào)制光信號頻率又是TOM調(diào)制頻率的數(shù)倍，運樣中紅外的探測器無法有效探測，運 也限制了該方法在中紅外波片位相延遲的高精度探測。為此本發(fā)明考慮到PEM的優(yōu)點和中 紅外探測器的速度等問題，提出采用兩個陽M差頻調(diào)制的方法降低調(diào)制頻率，同時實現(xiàn)中紅 外波片位相延遲的高精度測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有單陽M調(diào)制速度快，無法應(yīng)用于中紅外波片位相延遲的測量中，為此提出 采用兩個PEM差頻調(diào)制的方法降低調(diào)制頻率，通過鎖相實現(xiàn)中紅外波片位相延遲的高精度 測量。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0006] -種基于雙陽M的中紅外波片位相延遲精確測量方法，將中紅外激光器、起偏器、 陽Ml調(diào)制器、被測中紅外波片、PEM2調(diào)制器、檢偏器、紅外點探測器依次排列構(gòu)成測量光路， 雙陽M驅(qū)動控制電路將PEMl調(diào)制器和PEM2調(diào)制器差頻調(diào)制降低調(diào)制頻率，使紅外點探測器 可進行有效探測，并將差頻信號提供給數(shù)字鎖相放大器，數(shù)字鎖相放大器對紅外點探測器 獲得的調(diào)制信號進行鎖相放大，獲得鎖相頻率信號的幅值，最后通過計算機數(shù)據(jù)處理獲得 被測中紅外波片的位相延遲。
[0007]所述獲得鎖相頻率信號的幅值是指獲得I倍差頻幅值J/,-/，和2倍差頻幅值/w,-/,,， 上述中，fi和f 2分別為PEMl調(diào)制器和PEM2調(diào)制器的調(diào)制驅(qū)動頻率。
[000引將1倍差頻幅值和2倍差頻幅值/2,,,_,,>相除來消除中紅外光源自身不穩(wěn)對測 量的影響。
[0009]在未放入被測中紅外波片時，通過測量光路獲得1倍差頻幅值和2倍差頻幅值 載杳-戈;，在加入被測中紅外波片后，通過測量光路獲得1倍差頻幅值和2/Va倍差頻幅 值^/,-/?,,，結(jié)合未放入的被測中紅外波片和放入被測中紅外波片的1倍差頻幅值和2倍差頻 幅值可準確獲得被測中紅外波片位相延遲，W克服陽Ml調(diào)制器和陽M2調(diào)制器的調(diào)制相位延 遲幅值S OPEMl和S 0PEM2無法精確測量的缺陷。
[0010] 具體為：
[0011] 步驟1、首先在未放置被測中紅外波片時測得：
[0012]
[0013] 費幅值-/，和2倍差頻幅值與</,_/，）：
[0014]
[0015] I到被測中紅外波片位相延遲。
[0016] 所述陽Ml調(diào)制器和陽M2調(diào)制器的彈光晶體采用砸化鋒晶體。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：
[0018] 1、通過兩個陽M差頻調(diào)制減低了調(diào)制頻率，使得普通中紅外探巧職都能有效探測； [0019] 2、采用砸化鋒的陽M，保證在中紅外波段有良好的透過率；
[0020] 3、采用同時鎖相1倍差頻幅值和2倍差頻幅值的方式，通過相除消除中紅外光源自 身不穩(wěn)對測量的影響；
[0021] 4、通討在沒放晉被測中紅外波片時測量1倍差頻幅值和2倍差頻幅值的方法，精確 巧。寺
，解決Sopemi和S〇pem2無法精確獲得對測量的影響。
【附圖說明】
[0022] 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。
[0023] 圖1為本發(fā)明的連接示意圖。
[0024] 圖中：1為中紅外激光器、2為起偏器、3為PEMl調(diào)制器、4為被測中紅外波片、5為 陽M2調(diào)制器、6為檢偏器、7為紅外點探測器、8為數(shù)字鎖相放大器、9為雙陽M驅(qū)動控制電路、 10為計算機。
【具體實施方式】
[0025] 下面實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
[0026] 參閱圖1，一種基于雙TOM的中紅外波片位相延遲精確測量裝置，測試系統(tǒng)由中紅 外激光器1、起偏器2、陽Ml調(diào)制器3、被測中紅外波片4、陽M2調(diào)制器5、檢偏器6、紅外點探測 器7、數(shù)字鎖相放大器8、雙PEM驅(qū)動控制電路9和計算機10構(gòu)成。中紅外激光器1依次通過起 偏器2、PEM1調(diào)制器3、被測中紅外波片4、陽M2調(diào)制器5、檢偏器6和紅外點探測器7構(gòu)成測量 光路;根據(jù)雙陽M驅(qū)動控制電路9提供的雙陽M差頻信號，數(shù)字鎖相放大器8對紅外點探測器7 獲得的調(diào)制信號進行鎖相放大，最后通過計算機10數(shù)據(jù)處理獲得被測中紅外波片的位相延 遲。
[0027] 此實施例中，PEMl和陽M2的彈光晶體采用中紅外透過率較高的砸化鋒晶體。
[002引此實施例中，PEMl和PEM2的調(diào)制頻率分別為f 1 = 50 .化Hz、f2 = 50.0 K化，1倍差頻 (f廣f2) = 100化，2倍差頻2(f廣f2) = 200Hz，較原陽Ml和PEM2各種的驅(qū)動頻率降低2個數(shù)量 級。
[0029] 此外，PEMl和陽M2的調(diào)制頻率可W根據(jù)探測器響應(yīng)速度和實際要求合理選擇。
[0030] Wx軸方法為參考0°方向，具體的方案如下：
[0031] 中紅外激光1經(jīng)過整個測量光路調(diào)制后的Stokes參量Snut為：
[0032] S〇ut=Mp2MpEM2MxMpEMlMpiSin (3)
[0033] 其中，Sin= [ Iin ,Qin ,Uin ,Vin，]T, Sout= [lout ,Qout ,Uout ,Vout，]T;Mp1、MpEM1、Mx、MpEM2 和 Mp2分別為起偏器2、PEM1調(diào)制器3、被測波片4、PEM2調(diào)制器5和檢偏器6對應(yīng)的米勒矩陣：
[0034]
[0036] 其中，Sx為被測中紅外波片位相延遲量，Sopemi和S〇pem2分別為陽Ml和PEM2的調(diào)制相 位延遲幅值，fi和f 2分別為PEMl和PEM2的調(diào)制驅(qū)動頻率。
[0037] 由于探測器只能獲得Stokes參量Sout中的Iout，因此探測器探測光強并Bessel函數(shù) 展開為： (4)
[00；3 引
[0039] 其中，m為奇數(shù)，n為偶數(shù)，Jx(y)是對應(yīng)y下的第X級Bessel函數(shù)，A = 0.5@nl=n2 = 〇，其他情況4=1。
[0040] 由于高頻調(diào)制信號中紅外探測器7難W探測，而雙TOM測量并不需要高頻部分，因 此(4)省去高頻后為：
[0041] C5)
[0042] 由（5)可知，調(diào)制后1倍差頻(。寸2)幅值J/,-/;和2倍差頻2(。寸2)幅值分別 為：
[0043；
[0044] 此實施例中，調(diào)制后的1倍差頻(f廣f 2 ) = 1 OOHz幅值為I IQQHz，2倍差頻2 (f廣f 2 )= 200化的幅值為I200HZ。
[0045] 其中，為盡可能提高1倍差頻(。寸2)幅值和2倍差頻2(。寸2)幅值苗/,-/，；，進 而提高探測靈敏度和信噪比，提高測量精度，本方法中S日PEMl和S日PEM2的值優(yōu)選2~3之間的 值。
[0046] 根據(jù)(6)式，通過數(shù)字鎖相放大器8可獲得兩和-M，為了消除中紅外光源自 身不穩(wěn)對測量的影響，采用1倍差頻幅值和2倍差頻幅值相除來消除，由（6)式可得： 閨
(7)
[0048]公式(7)是測量中紅外波片位相延遲的公式。
[0049] 但是，由于SopEMi和S〇pem2無法精確獲得，因此公式(7)中的
無法 準確得到，為了消除該影響，先在沒放置被測中紅外波片4時測量一下，根據(jù)(7)式可獲得沒 有被測中紅外波片4時：
[00加 ] / ; (8)
[0化1]其中，滬/,-&和/%/,-刺分別為沒放置被測中紅外波片4時1倍差頻幅值和2倍差頻幅 值。
[0052] 根據(jù)(7)式和(8)式可得被測中紅外波片位相延遲為：
[0化引
巧)
[0054] 此實施例中，可根據(jù)公；!^
得到被測中紅外波片位相延 遲。
[0055] 上面僅對本發(fā)明的較佳實施例作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施例， 在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可W在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各 種變化，各種變化均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于雙PEM的中紅外波片位相延遲精確測量方法，其特征在于：將中紅外激光 器、起偏器、PEM1調(diào)制器、被測中紅外波片、PEM2調(diào)制器、檢偏器、紅外點探測器依次排列構(gòu) 成測量光路，雙PEM驅(qū)動控制電路將PEM1調(diào)制器和PEM2調(diào)制器差頻調(diào)制降低調(diào)制頻率，使紅 外點探測器可進行有效探測，并將差頻信號提供給數(shù)字鎖相放大器，數(shù)字鎖相放大器對紅 外點探測器獲得的調(diào)制信號進行鎖相放大，獲得鎖相頻率信號的幅值，最后通過計算機數(shù) 據(jù)處理獲得被測中紅外波片的位相延遲。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙PEM的中紅外波片位相延遲精確測量方法，其特征 在于:所述獲得鎖相頻率信號的幅值是指獲得1倍差頻幅值和2倍差頻幅值心上 述中，f 1和f 2分別為ΡΕΜ1調(diào)制器和ΡΕΜ2調(diào)制器的調(diào)制驅(qū)動頻率。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于雙PEM的中紅外波片位相延遲精確測量方法，其特征 在于:將1倍差頻幅值^-A和2倍差頻幅值4 (:/1:-/2)相除來消除中紅外光源自身不穩(wěn)對測量的 影響。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙PEM的中紅外波片位相延遲精確測量方法，其特征 在于：在未放入被測中紅外波片時，通過測量光路獲得1倍差頻幅值/ :?-Α和2倍差頻幅值 ，在加入被測中紅外波片后，通過測量光路獲得1倍差頻幅值和2倍差頻幅值 ，結(jié)合未放入的被測中紅外波片和放入被測中紅外波片的1倍差頻幅值和2倍差頻幅 值可準確獲得被測中紅外波片位相延遲，以克服PEM1調(diào)制器和PEM2調(diào)制器的調(diào)制相位延遲 幅值δ QPEM1和δ QPEM2無法精確測量的缺陷。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于雙ΡΕΜ的中紅外波片位相延遲精確測量方法，其特征 在于，具體為： 步驟1、首先在未放置被測中紅外波片時測得：步驟2、加入被測中紅外波片測得1倍差頻幅值和2倍差頻幅值22(/l_,/i:);:步驟3、gI到被測中紅外波片位相延遲。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙PEM的中紅外波片位相延遲精確測量方法，其特征 在于:所述PEM1調(diào)制器和PEM2調(diào)制器的彈光晶體采用硒化鋅晶體。
【文檔編號】G01M11/02GK105954014SQ201610560092
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月15日
【發(fā)明人】張瑞, 王志斌, 李克武, 李曉, 張志勇, 解琨陽, 薛鵬
【申請人】中北大學(xué)