光学器件相位延迟量的测量装置及其测量方法技术领域
本发明涉及精密测量领域，特别是光学器件相位延迟量的测量装置及其测量方
法。
背景技术
半波片、四分之一波片等光学器件作为精密仪器的重要组成部分，在精密测量、激
光技术等领域有重要的应用。其相位延迟量与标称值是否一致对仪器性能影响较大，因此
精确测量半波片、四分之一波片的相位延迟量具有重要的意义。
相位延迟器件通常采用具有双折射效应的材料制作而成，其相位延迟量与2π(ne-
no)d/λ成正比，其中ne、no为晶体材料中非常光与寻常光的折射率，d为波片厚度，λ为所使用
的光波长。过往的许多专家、学者提出了不同的测量方案，专利号为ZL201320548522.6，实
用新型名称为”一种激光频率法测量波片相位延迟的装置”，利用波片放入激光谐振腔内可
以产生激光频率分裂的原理，使激光器的一个振荡频率变为两个振荡频率，这两个频率之
间的频率差正比于波片的相位延迟。测量两个分裂频率的频率差来得到波片相位延迟的大
小。专利号为ZL201210073614.3，发明名称为“一种测量光学器件相位延迟角度的方法”，利
用椭圆偏振光通过不同相位延迟角度的光学器件时，其透射或反射偏振光的长轴方向会有
所不同，通过测量透射或反射光的长轴方位角度来反推出待测器件的相位延迟量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学器件相位延迟量的精确测量装置。跟现有的测试
方案不一样的地方在于，直接探测线偏振光经过光学器件快轴、慢轴后的相位差，所探测的
相位差即为光学器件的相位延迟量。该测量装置可以测量光学器件任意波段的相位延迟
量，具有结构简单紧凑，使用方便，抗环境干扰能力强，易于集成、相位延迟量测量精确的特
点。
本发明的技术解决方案如下：
一种光学器件相位延迟量的测量装置，其特点在于：包括双频He-Ne激光器，在该
双频He-Ne激光器发出的两频(f1、f2)激光方向是第一偏振分光镜，其中水平偏振的f1激光
经过第一偏振分光镜透射传播，竖直偏振的f2激光经过第一偏振分光镜反射传播，沿f1光依
次是第一半波片、第一45°高反镜、第二偏振分光镜、第二偏振片、第二光电探测器，沿f2光
依次是第二半波片、第二45°高反镜、第二偏振分光镜、第一偏振片、第一光电探测器，所述
第一半波片的快轴安装方向与水平面成22.5°夹角，所述第二半波片的快轴安装方向与水
平面成67.5°夹角，所述第一偏振片和第二偏振片的通光方向与水平面成45°夹角。
利用上述光学器件相位延迟量的测量装置进行光学器件相位延迟量的测量方法，
包括下列步骤：
1)将待测光学器件放置在所述的第一半波片至第二偏振分光镜之间的光路中，并
使所述的待测器件的快轴平行于水平面，慢轴垂直于水平面；
2)启动所述的双频He-Ne激光器，所述的第一光电探测器和第二光电探测器分别
获得拍频信号E9，拍频信号E11如下：
E9＝A"B′cos[(ω1-ω2)t-(k1-k2)z-(φ1-φ2)-(Ф1-Ф2)-δ"]
E11＝A′B"cos[(ω1-ω2)t-(k1-k2)z-(φ1-φ2)-(Ф1-Ф2)-δ′]；
3)比较光电探测器输出信号E9和E11，可得出δ＝δ′-δ"的大小，此即为待测光学器
件的相位延迟量；即通过比较第一光电探测器和第二光电探测器响应的光拍频信号的相位
差，即可得到待测器件的相位延迟量；
4)待测光学器件的相位延迟量与2π(ne-no)d/λ成正比，其中ne、no为晶体材料非常
光与寻常光的折射率，d为器件厚度，λ为入射光波长。
5)当待测光学器件的使用波长与双频He-Ne激光器波长不一致时，满足以下关系
δreal＝δmea*λHe-Ne/λreal
式中，δreal为光学器件实际相位延迟量，δmea为测量出来的相位延迟量，λHe-Ne为双
频He-Ne激光器波长，λreal为待测光学器件实际使用波长。
本发明可以测量光学器件任意波段的相位延迟量，具有结构简单紧凑，使用方便，
抗环境干扰能力强，易于集成、相位延迟量测量精确的特点。
附图说明
图1是本发明光学器件相位延迟量测量装置的光路图
图2：光学器件相位延迟量测量方法示意图
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图2，对本发明实施例中的技术方案进行完整、详细
的描述。
先请参阅图1，由图可见，本发明光学器件相位延迟量的测量装置，包括双频He-Ne
激光器1，在该双频He-Ne激光器1发出的两频(f1、f2)激光方向是第一偏振分光镜2，其中水
平偏振的f1激光经过第一偏振分光镜2透射传播，竖直偏振的f2激光经过第一偏振分光镜2
反射传播，沿f1光依次是第一半波片3、第一45°高反镜4、第二偏振分光镜7、第二偏振片10、
第二光电探测器11，沿f2光依次是第二半波片5、第二45°高反镜6、第二偏振分光镜7、第一
偏振片8、第一光电探测器9，所述第一半波片3的快轴安装方向与水平面成22.5°夹角，所述
第二半波片5的快轴安装方向与水平面成67.5°夹角，所述第一偏振片8和第二偏振片10的
通光方向与水平面成45°夹角。
具体测量步骤如下：
1)将待测光学器件(12)放置在所述的第一半波片3至第二偏振分光镜7之间的光
路中，并使所述的待测器件12的快轴平行于水平面，慢轴垂直于水平面；
双频He-Ne激光器1发出的两频率光(f1f2)经过第一偏振分光镜2，其中水平偏振的
f1光经过第一偏振分光镜2透射传播，竖直偏振的f2光经过第一偏振分光镜2反射传播，两频
率光可由下式表示：
E1＝Acos(ω1t-k1z-φ1)
E2＝Bcos(ω2t-k2z-φ2)
其中，ω1＝2πf1,ω2＝2πf2,k1＝2π/λ1,k2＝2π/λ2,A、B分别为两频率光振幅，φ1、
φ2分别为量频率光初始相位。
f2光经过第二半波片5后，偏振方向与水平面成45°，经过第二45°高反镜6光路转
折90°入射至第二偏振分光镜7分成两个分量，其中水平偏振分量经过第二偏振分光镜7透
射至第一偏振片8入射至第一光电探测器9，设其为E3，竖直偏振分量经过第二偏振分光镜7
反射至第二偏振片10入射至第二光电探测器11，设其为E4，则E3、E4可由下式表示
E3＝B′cos(ω2t-k2z-φ2-Ф2-Ф′)
E4＝B"cos(ω2t-k2z-φ2-Ф2-Ф")
其中，B′、B"分别为两分量光传输至第一光电探测器后的振幅、第二光电探测器后
的振幅，Ф2为f2光经过第一偏振分光镜2后入射至第二偏振分光镜7所带来的相位变化，Ф′
为水平偏振分量经过第二偏振分光镜7透射后入射至第一光电探测器9所带来的相位变化，
Ф"为竖直偏振分量经过第二偏振分光镜7反射后入射至第二光电探测器11所带来的相位
变化。
f1光经过第一半波片3后其偏振方向与水平面成45°，经过待测光学器件12后再经
过第一45°高反镜4光路转折90°入射至第二偏振分光镜7分成两个分量，其中经过待测光学
器件快轴方向的分量经过第二偏振分光镜7透射至第二偏振片10入射至第二光电探测器
11，设其为E5，经过待测光学器件慢轴方向的分量经过第二偏振分光镜7反射至第一偏振片
8入射至第一光电探测器9，设其为E6，则E5、E6可由下式表示：
E5＝A′cos(ω1t-k1z-φ1-Ф1-Ф"-δ′)
E6＝A"cos(ω1t-k1z-φ1-Ф1-Ф′-δ")
其中，A′、A"分别为两分量光传输至光电探测器后的振幅，Ф1为f1光经过第一偏振
分光镜2后入射至第二偏振分光镜7所带来的相位变化，Ф′为待测光学器件12快轴方向分
量经过第二偏振分光镜7透射后入射至第二光电探测器11所带来的相位变化，Ф"为待测光
学器件慢轴方向分量经过第二偏振分光镜7反射后入射至第一光电探测器9所带来的相位
变化，δ′和δ"分别为f1光经过待测光学器件快轴和慢轴带来的相位变化。
入射至第一光电探测器9的E3、E6光分量进行拍频，其拍频信号记为E9，入射至第二
光电探测器11的E4、E5光分量进行拍频，其拍频信号记为E11。由于光频率较高，光电探测器
只能响应拍频量信号中的差频信号，则E9、E11可用下式表达
E9＝A"B′cos[(ω1-ω2)t-(k1-k2)z-(φ1-φ2)-(Ф1-Ф2)-δ"]
E11＝A′B"cos[(ω1-ω2)t-(k1-k2)z-(φ1-φ2)-(Ф1-Ф2)-δ′]
3)通过比较光电探测器输出信号E9和E11，可得出δ＝δ′-δ"的大小，此即为待测光
学器件的相位延迟量；
4)待测光学器件的相位延迟量与2π(ne-no)d/λ成正比，其中ne、no为晶体材料非常
光与寻常光的折射率，d为器件厚度，λ为入射光波长；
5)当所待测光学器件的使用波长与双频He-Ne激光器波长不一致时，满足以下关
系δreal＝δmea*λHe-Ne/λreal
式中，δreal为光学器件实际相位延迟量，δmea为测量出来的相位延迟量，λHe-Ne为双
频He-Ne激光器波长，λreal为待测光学器件实际使用波长。
实验表明，本发明可以测量光学器件任意波段的相位延迟量，具有结构简单紧凑，
使用方便，抗环境干扰能力强，易于集成、相位延迟量测量精确的特点。