一種高能量利用率的線偏振光產生裝置及其應用制造方法及圖紙

本實用新型專利技術公開了一種基于線偏振光源的高能量利用率的線偏振光產生裝置及其應用，包括：一個線偏振光源101，四分之一波片103、四分之一波片104、安裝在中空旋轉器105中的線偏振器102。其中，四分之一波片103與線偏振光源101機械固定,其方位角C1與線偏振光源11的偏振面方位角L夾角為C1-L=[0.5*(k2+k1)+0.25]*π；四分之一波片104的方位角C2與線偏振器102的方位角P的夾角為P-C2=[0.5*(k2-k1)+0.25]*π，二者同步旋轉,其中k1取值為-1,0,1中任意一個整數；k2取值為-2，-1,0,1中任意一個整數。本方法的優點是，無論線性起偏器102方位角如何設置，始終可以保持光源能量利用率接近100％。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及偏振光學領域，尤其是一種基于線偏振光源的高能量利用率的線偏振光產生裝置及其應用。
技術介紹
偏振是光波的基本特性之一，偏振光學系統是利用光波偏振特性及其與物質偏振調制相互作用的一類光學系統〔參考文獻I :R.M.A· Azzam and N. M. Bashara, Ellipsometryand Polarized Light, lstedition, Ams t er dam : Nor th~Ho 11 and publishingcompany, 1977, 1-486〕。典型偏振光學系統包括透射式偏振系統、散射式偏振系統、反射式橢偏系統等。偏振光學系統的應用非常廣泛。比如，透射式偏振測量系統可以測量光波的偏振態、光學器件的二向色性、波片的位相延遲等。再比如，基于反射式偏振測量的橢偏儀·是對材料表面和界面進行表征的一種重要方法，是納米薄膜樣品表征的重要手段，可同時獲得納米膜層的厚度和折射率等參數，并具有如下優點非接觸、無破壞性、可達到原子層量級的分析靈敏度、幾乎可適用于任何的材料等〔參考文獻2 :Har land G. Tompkins andEugene A. Irene, Handbook of ellipsometry,New York:WiIIiam Andrew Inc. ,2005〕。可用于人工生物膜、新型傳感器、半導體集成電路、光量子器件、生物芯片、高密度存儲等納米薄膜實用化材料和表面器件。典型的偏振光學系統(見圖I)一般依次包括偏振光產生裝置I、樣品2、偏振光檢測裝置3。其中，偏振光產生裝置I用于產生偏振態已知的橢圓偏振光(如線偏振光、圓偏振光、一般的橢圓偏振光等)，樣品2對入射光的偏振態通過透射、反射、折射、散射等方式進行調制，偏振光檢測裝置3用于檢測經樣品2調制作用后光波的偏振態。系統的檢測過程為偏振光產生裝置I產生偏振態已知的特定橢圓偏振光；經樣品2調制后，偏振光的偏振態發生變化，這種變化與樣品2的性質相關；利用偏振光檢測裝置3把調制后的光波偏振態檢測出來；建立樣品和偏振態變換的物理模型，采用數學方法解出樣品2的相關性質(如，二向色性、折射率、消光系數等)。在上述系統中，典型的偏振光產生裝置I (如圖2所示)至少包含一個線偏振光產生裝置10，有些系統還包含相位延遲器11。在線偏振光產生裝置10中，包括了光源101和線偏振器102，經線偏振器102出射的光是線性偏振光；如果偏振光產生裝置I中還包含了相位延遲器11，那么可以根據設置在相位延遲器11出射端產生特定的橢圓偏振光。由此可見，在偏振光產生裝置I中，由光源101和線偏振器102組成的線偏振光產生裝置10是共同的部分，也是基礎部分。在線偏振光產生裝置10中，光源101用于產生具有一定能量和光譜分布的光束。按出射光偏振態光源101可分為自然光源、部分偏振光源、完全偏振光源等三種形式。其中隨機偏振分布的自然光源幾乎不存在，常見的是具有一定偏振優勢的部分偏振光源。隨著光源技術的發展、尤其是半導體技術的發展，出現了包括激光在內的具有高線性偏振度的偏振光源，特征是出射光是線性偏振光，其消光比一般大于100:1。此類光源包括偏振激光器、偏振激光二極管等，當然也包括了由非偏振光源和偏振片復合而成的線偏振光源。這類線偏振光源目前應用非常廣泛，比如在橢偏儀中，采用線偏振激光器的激光橢偏儀就是一類重要儀器形式。為了以下討論方便，做如下約定 線偏振光源101的光能量為Itl,線偏振光源101的方位角定義為其出射線偏振光的偏振面相對于參考零位的逆時針方向的夾角，記為L。 線偏振器102的方位角定義為其透光軸相對于參考零位的逆時針方向的夾角，記為P。 線偏振光源101與線偏振器102的夾角記為0=p-L。當偏振器件圍繞光軸旋轉時，方向的規定為迎著光傳播的方向觀察，當逆時針轉動是方位角為正，順時針轉動為負。 波片的方位角定義為快軸與參考零位的夾角。當把如上所述的線偏振光源101應用于線偏振光產生裝置10時，考察一下能量利用問題。根據馬呂斯定理，經線偏振器102后的光能量為I = IciC0s2Qo根據系統工作期間線偏振光源101和線偏振器102的夾角Θ是否改變，分以下情況討論(1)θ保持不變。由此可見，在系統工作過程中，由線偏振器102出射的光能量保持恒定，如果Θ古0，那么I古Itl，即線偏振光產生裝置10不能充分利用線偏振光源101的能量，為了充分利用線偏振光源101的能量，使用中要調節Θ =0 ；(2) Θ改變。常見的現象是線偏振器102要改變方位角，然而線偏振光源101由于機械結構、器件重量等原因不便與前者同步所致。此時I = IoCOS2 Θ會隨著Θ的變化而變，這意味著在系統工作期間，由線偏振器102出射的光能量無法保持恒定，對于很多偏振系統，尤其是精密定量測量系統來說，這是要極力避免的。為了更進一步說明上述的(2)中的情況，在此給出兩種典型的系統(a)在起偏器-樣品-補償器-檢偏器結構或起偏器-補償器-樣品-檢偏器結構的橢偏儀中，采用消光法進行橢偏角￥和△測量時，需要反復調節起偏器和檢偏器的方位角，最終達到消光。在此系統中，線偏振光源101不能轉動，在測量過程中，隨著線起偏器102的方位角不斷地變換，Θ會發生變化，導致了進入后續探測系統的光能量不能保持恒定，這對信號的消光判斷會造成一定的困難，甚至導致無法進行測量；(b)在起偏器-樣品-檢偏器結構旋轉起偏器的橢偏儀中，采用起偏器旋轉方法測量V和△測量時。線偏振光源101不能轉動，線起偏器102連續旋轉，每旋轉到一個方位角，系統采集數據。在此過程中，也會遇到如上相同的問題，導致無法進行高準確性的測量，因此此類橢偏儀應用極少。由此可見，在線性偏振產生裝置10中，面臨的要解決的有兩大問題(I)如何最大程度地利用線偏振光源101的光能量；(2)隨著線偏振器102與線偏振光源101之間方位角的相對轉動，由線偏振器102出射的光的能量保持恒定。上述問題對于定量測量系統尤其是弱信號探測系統來說，尤為重要。為了解決上述問題提高能量利用率，目前采用了如下方法采用半波片，放置在線偏振光源101和線偏振器102之間，其快軸平分線偏振光源101偏振面和線偏振器102透光軸的夾角。如果在系統工作時，當線偏振器旋轉時，此半波片需要安裝在一個與線性偏振器成1:2角度比例的中空旋轉器上，從而實現能量的充分利用。顯然，這種結構增加了系統的結構和控制的復雜性，也影響了系統可靠性。
技術實現思路
針對現有技術存在的問題，本技術的目的在于提供一種機構簡單、易于實現，可以把線性偏振光源的光能量利用率提高到接近100%的高能量利用率的線偏振光產生裝置，本技術的另一目的是提供一種上述專利的應用。為實現上述目的，本技術一種高能量利用率的線偏振光產生裝置，包括—個線偏振光源(101)，用于產生線性偏振光波；一個線偏振器(102)，用于把任意光波變換成線性偏振光波； 在二者之間，還包括一個四分之一波片(103)，緊隨線偏振光源(101)設置，并與線偏振光源(101)機械固定，其方位角C1與線偏振光源(101)出射的偏振光偏振面方位角L的夾角設置為C1-L = P2 + +-V I 2 4 J⑴—本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高能量利用率的線偏振光產生裝置，其特征在于，該線偏振光產生裝置包括：一個線偏振光源（101），用于產生線性偏振光波；一個線偏振器（102），用于把任意光波變換成線性偏振光波;在二者之間，還包括：一個四分之一波片（103），緊隨線偏振光源（101）設置，并與線偏振光源（101）機械固定，其方位角C1與線偏振光源（101）出射的偏振光偏振面方位角L的夾角設置為：C1-L=(k1+k12+14)π---(1)一個四分之一波片（104），位于四分之一波片103和線偏振器102之間，并與線偏振器（102）機械固定，其快軸的方位角為C2與線偏振器（102）的方位角P的夾角設置為:P-C2=(k2-k12+14)π---(2)在以上式（1）和式（2）中，k1取值為？1、0、1中任意一個整數；k2取值為？2、？1、0、1中任意一個整數。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：孟永宏，
申請(專利權)人：北京量拓科技有限公司，
類型：實用新型
國別省市：