数字显示精测双折射仪的研制与性能分析

　　1　引　言

　　近年来,对于材料的双折射和玻璃应力的测试要求越来越高。这些材料的特点是:应力分布不是剧烈变化,但精度要求却很高。为此研制了数字显示精测双折射仪。数字显示精测双折射仪是用光电检测,自动伺服的方法来测试材料的双折射或玻璃的应力。它具有操作方便,精度高,仪器稳定的特点。该仪器测光程差的精度为0.4nm,灵敏度与重复性都优于0.1nm。下面介绍该仪器。

　　2　仪器工作原理

　　任意一束光,都可以用坐标系的两个分量表示(正交的或非正交的)。在笛卡尔直角坐标系中,它可表示为

令若x=实数,为线偏振光;x=纯虚数,为圆偏振光。

　　当光通过一个光学系统(元件)时,偏振状况发生的变化可以用光学系统(元件)的琼斯矩阵来表示,即

　　如果一个光学元件,有两个正交的特征值,即偏振光通过此元件,此元件在两种位置时,偏振态不发生改变,则此光学元件可写为。

　　光在行进的过程中,如果坐标系旋转了α角(人对着光线,α为逆时针时,为正),则可用旋转矩阵R(α)表示

可以证明:

　　仪器的基本排列

　　用矩阵来表示上述元件:

　　(1)起偏器:,其中P表示起偏器,O表示输出,t、e表示透光—消光坐标系。

　　(2)样品:假定样品的两个主应力是正交的。，其中S表示样品,or表示样品主应力的直角坐标系。

　　(3)补偿器:，其中C表示补偿器,f、s表示补偿器快慢轴坐标系。

　　而，其中TC表示补偿器快轴与慢轴透过率之比,δ表示补偿器快慢轴引起的位相差。

　　(4)检偏器:。

　　先计算补偿器的输出：

（5）

　　可以证明,当实数,所以可以得出如下结论:

　　(1)当样品的主应力方向和入射的偏振光方向成45°时;

　　(2)补偿器的快(慢)轴方向与入射的偏振光方向一致时;

　　(3)当补偿器为1/4波片时,从补偿器出射的是线偏振光。

　　再来计算检偏器的输出

（6）

　　在理想情况下,检偏器应该完全消光,即

        （7）

　　如果令,而且只关心样品的位相差δ,且P=0,补偿器做成1/4波片,即,且则可求得:

由于

式中:λ——所用单色光源波长,在该仪器中为589nm。所以,光程差:

此式就是该仪器的计算公式。

　　3　仪器光电瞄准原理

　　为了提高仪器的瞄准精度,减少人为误差,仪器采用了光电瞄准。综上所述,只要适当调整1/4波片方位,从1/4波片出射的为线偏振光,此光经过法拉第线圈调剂制成50Hz信号。当检偏器与此光正交时,光电倍增管接受到的信号为法拉第线圈的调制频率的两倍(见图3中丙曲线)。伺服电机不动,当检偏器有任何偏离时,光电倍增管就会接受到与法拉第线圈调制频率相同的信号(见图3中乙曲线),此信号经过放大,就会使伺服电机转动,带动检偏器,使它与从1/4波片出射的光自动正交,达到消光位置。