GB/T 14077-1993 双折射晶体和偏振器件测试规范

　　UDC 681.785.3 N 05

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 14077—93

　　双折射晶体和偏振器件测试规范

　　Measurement specification for birefractance crystal and polarizer

　　1 9 9 3 - 0 2 - 0 6 发 布 1993-08-01实施

　　国 家 技 术 监 督 局 发 布

　　中华人民共和国国家标准

　　双折射晶体和偏振器件测试规范 GB/T 14077—93

　　Measurement specification for birefractance

　　crystal and polarizer

　　1 主题内容与适用范围

　　本标准规定了双折射晶体和透射型偏振器件在0.25～1.7 μm 光谱区内主要光学参数的测试方 法。

　　本标准适用于光学、光电子学和激光技术中对双折射晶体的光谱透射曲线和均匀性的测试，以及对 偏振器件的消光比、偏离角和光辐射损伤阈值的测试。

　　2 引用标准

　　GB 3102.6 光及有关电磁辐射的量和单位

　　3 晶体材料的光学参数测试

　　3.1 光谱透射曲线

　　3.1.1 测试装置

　　采用UV-VIS-IR 光谱光度计或者波长范围合适的类似装置。应附带一个样品夹持架，该架可绕其 水平轴旋转。

　　3.1.2 样品制备与测试

　　3.1.2.1 将冰州石晶体毛坯沿解理面(1011)剖开，并抛光成光学表面，其厚度应小于10 mm。

　　3.1.2.2 首先将测试装置的波长鼓调至550 nm 附近，然后将样品置于测量光束中，这时可看到分开 的两束光，这时转动夹持架，直到两束光都进入狭缝为止。

　　3.1.2.3 在200～2000 nm 波长范围内进行光谱扫描，获得一条完整的光谱透射曲线。

　　3.1.3 数据处理

　　在光谱透射图中，透射比大于或等于0.3的波长区，规定为该晶体的可应用光谱区。

　　3.2 光学均匀性

　　3.2.1 光学均匀性测试装置

　　测试装置使用如图1所示台曼-格林干涉仪，或等精度仪器。

　　国家技术监督局1993-02-06批准 1993-08-01实施

　　图 1 测试装置基本结构

　　3.2.2 测试装置各部件技术要求

　　3.2.2.1 波长为632.8nm 的 He-Ne 激光器。

　　3.2.2.2 经扩束器的光束应充满被测试样的通光面。

　　3.2.2.3 在观测面上的标准干涉条纹畸变(弯曲)应小于1/20λ。

　　3.2.3 测试方法

　　3.2.3.1 试样要求，将待测试样制成长方体，其光轴方向垂直于通光面，不垂直度应小于3′,两个通光 面细磨平行，平行度应小于1'。

　　3.2.3.2 贴置玻璃由K9 玻璃抛光制成。

　　其光学均匀性为△n<1×10-⁶, 通光面应满足：N≤0.1,△N≤0.05, 平行度小于2’。

　　3.2.3.3 选择浸液与试样折射率之差小于5×10-³。

　　3.2.3.4 调整干涉仪使其处于正常工作状态。

　　在两块贴置玻璃上均匀涂以浸液，并贴在晶体通光面上，然后放入测量光路。

　　3.2.3.5 调节载物台或晶体，使光束充满通光面，并与通光面垂直。

　　3.2.3.6 调节标准全反镜，如在视场中看到3～5根干涉条纹，则可根据条纹形状读出其弯曲量。

　　3.2.3.7 光学均匀性△n 与干涉条纹的弯曲量△m 之间的关系可由下式表示。

　　式中：λ——波长;

　　△S——试样的厚度差; S—— 试样的厚度;

　　△m——干涉条纹的弯曲量; n--—光学材料折射率。

　　3.2.3.8 干涉图计算举例：

　　……………………………

　　(1)

　　如图2所示，若干涉条纹规整，条纹间距为l,条纹弯曲l,则有

　　…………………………………

　　(2)

　　如图3所示，若干涉条纹基本规整，局部弯曲为1,条纹间距为L, 则有

　　……………………………………

　　(3)

　　如图4所示，若干涉条纹规整，但是l₁>l₂ 时，应取l₁ 舍 l₂, 则有

　　………………………………………

　　(4)

　　图 2 图 3 图 4

　　如图5所示，若干涉条纹一头宽，一头窄，且条纹不直时，需要计算弯曲量△m1和折射率梯度△m₂,

　　则

　　……………………………

　　……………………………

　　(5)

　　(6)

　　如图6所示，若干涉条纹疏密不同，且有局部弯曲时，这说明既有局部折射率偏差，又有折射率梯度

　　分布。这时需要计算弯曲量△m₁ 和折射率梯度△m₂, 则

　　……………………………

　　……………………………

　　(7)

　　(8)

　　图 5

　　图 6

　　3.2.4 测试报告

　　3.2.4.1 报告内容应包括：送样单位、测量时间、测试波长、毛坯尺寸、通光厚度、晶体生长单位或矿点、 操作者以及光学均匀性数据(有效数字取1位)或照片、仪器型号及生产厂家。

　　3.2.4.2 不确定度

　　△= √8²+8 ………………………………(9)

　　式中：δ₁——测量系统的A 类误差;

　　δ₂——探测系统的B 类误差。

　　4 偏振器件的光学参数测试

　　本标准定义的偏振器件测试方法，主要适用冰州石等晶体制成的偏振棱镜。其他偏振器件的主透射 比和消光比的测试也可以参照本标准进行。

　　4.1 消光比

　　偏振器件的消光比是指在平面偏振光入射时，其主透射比的最小值(T₁) 与其最大值(T) 之比，以 p 表示：

　　……………………………

　　(10)

　　4.1.1 消光比测试装置

　　如图7所示测试装置由激光器、扩束与准直系统、可变光阑标准、起偏器支架和调节器、检偏器支架 和微调器、聚光镜以及光电探测器件组成。所有部件固定在光具座或光学平台上。

　　起偏镜 检偏镜 探测器

　　图 7 消光比测试系统框图

　　4.1.2 测试装置各部件的技术要求

　　4.1.2.1 激光器。常规测试一般采用波长为632.8nm 的 He-Ne 连续激光器。输出功率大约为1mW, 功率稳定度≤2%/5 min; 束散角不大于2 mrad。

　　4.1.2.2 扩束器在保持最小束散角时，应充满被测偏振器件的通光孔径的80%。对孔径较大的偏光器 件应选点测量，取统计平均。

　　4.1.2.3 可变光阑的口径可从φ2 mm 连续变至φ25 mm。

　　4.1.2.4 起偏器和检偏器的调节器，以方便调节且有足够细的角移量为宜。特别是检偏器的微调精度 不低于0.1°。

　　4.1.2.5 要求光电探测器的响应度稳定且高。对光电探测器系统在10～10⁶动态范围内，非线性不应 大于4%。进一步提高测量精度应加标准衰减器。

　　4.1.3 光路的调整

　　4.1.3.1 将激光器放在光具座的一端，且在一个合适的高度上将光束调整水平。

　　4.1.3.2 将待测偏振器之一卡在起偏器支架中，使激光束与起偏器的通光孔中心等高。

　　4.1.3.3 将聚光镜和探测器支架引入光路，使激光束通过聚光镜中心。

　　4.1.3.4 将扩束器引入光路，使通过扩束镜出射的光束与起偏器通光孔同轴。

　　4.1.3.5 将准直透镜引入光路，使其出射光束为平行束，再将光阑引入光路，使照明面积等于偏振器的 通光孔的80%。

　　4.1.3.6 将另一个待测偏振器卡入检偏器支架中，并引入光路，使光束照在检偏器的通光孔中心。

　　4.1.3.7 将探测器卡入支架中，并使检偏器出射束经聚光镜后照在探测器的接收面上。

　　4.1.3.8 在扩束镜的后面放置合适的衰减器，以防止探测器饱和或指示器过载。

　　4.1.3.9 部件之间严格屏蔽或将整个装置屏蔽，或将装置放入暗室以降低杂散光的影响。

　　4.1.4 消光比的测量

　　4.1.4.1 待激光器和探测指示器预热15 min 后，按照下列程序进行测量。

　　4.1.4.2 预转动检偏器，找到主透射比的极大值和极小值的大概位置，并停在极小值附近。

　　4.1.4.3 通过微调，缓慢转动检偏镜，直到指示器读数出现第一个极小值。

　　4.1.4.4 用一不透明黑挡屏挡住激光束，记下这时指示器的读数φ10。

　　4.1.4.5 从光路中移出黑挡屏，记下这时指示器的读数φ₁,并用符号1=中1一Φ10表示。

　　4.1.4.6 转动检偏器，直到指示器出现第一个极大值，记下这时指示器的读数中2,中=+2—10。

　　4.1.4.7 重复4.1.4.3～4.1.4.6的过程，又可以获得三组ø1和φ。对于例行的测试，测量一组即可。

　　4.1.5 消光比的计算

　　4.1.5.1 偏振器对的消光比

　　令偏振器对的消光比为P对，则有

　　……………………………

　　(11)

　　4.1.5.2 单只偏振器件的消光比P单

　　实际中常要求对单只偏振器件的消光比进行测试，应将4.1.3.2中的起偏器换成标准起偏系统，以 获得好的平面偏振光源。标准起偏系统的消光比一般应高于待测偏振器的消光比。测试程序和计算参 照4.1.1～4.1.5.1。

　　4.1.8 测试报告

　　4.1.8.1 报告内容：操作者;测量时间;测试波长;偏振器型号;表示中10,中1,中⊥,中的单位以及消光比值 (有效数字取至2位)。

　　4.1.8.2 不确定度

　　△= √+8 ………………………………(12)

　　式中：δ₁——测量系统的A 类误差;

　　δ₂——测量系统的 B 类误差。

　　4.2 透射光束偏离角

　　透射光束偏离角是指光束通过偏振器件后，透射光束轴向与原入射光束轴向之夹角。

　　4.2.1 透射光束偏离角测试装置

　　测试装置由自准直望远镜、平面反射镜、偏振棱镜支架及调节器组成。

　　4.2.2 测试装置各部件的技术要求

　　4.2.2.1 自准直望远镜：采用0.5m 自准直望远镜，分划板最小格值不大于15”。

　　4.2.2.2 平面反射镜应具有较好平整度，其精度优于1/25 λ(λ为波长)并可进行二维倾斜调节。

　　4.2.2.3 偏振棱镜调节器，可进行二维倾斜调节和轴向转动。

　　4.2.3 光路的调整

　　4.2.3.1 将自准直望远镜置于光学平台或光具座上，开启照明器，在视场中可观察到清晰的分划刻度 线。

　　4.2.3.2 将平面镜置于光路中，使自准直望远镜发出的准直光束照明平面镜中心部分，并能在自准直 望远镜视场中观察到十字亮线像。

　　4.2.3.3 倾斜调整平面镜，使自准直望远镜对该平面镜自准直。

　　4.2.3.4 将待测偏振棱镜置入光路中的棱镜调节架上，使偏振棱镜通光孔位于光束中心部，并能在自 准直望远镜视场内观察到偏振棱镜前表面反射的十字刻度线像。

　　4.2.3.5 倾斜调整偏振棱镜，使自准直望远镜对棱镜前表面自准直。

　　4.2.3.6 将整个装置作适当光屏蔽，降低杂散光的影响，以保证自准直望远镜视场中的十字亮线像具 有足够的清晰度。

　　4.2.4 透射光束偏离角的测量

　　4.2.4.1 光路调整完毕后，在自准直望远镜视场中将可观察到两个十字亮线像，其中的一个象与分划 板上的十字刻度线重合，而另一个最亮的十字亮线像(由平面镜反射形成的自准像)偏离十字刻度线中 心。此时则可按照下列程序进行测量。

　　4.2.4.2 绕光轴转动待测棱镜，可观察到由平面镜反射形成的最亮的自准像中心绕分划刻度线中心转 动。当该自准像中心位于自准直望远镜分划板上的水平刻度线(或竖直刻度线)时，记下刻度线读数α1。

　　4.2.4.3 继续转动待测偏振棱镜，当自准像中心第二次位于自准直望远镜分划板上的水平刻度线(或 竖直刻度线)时，记下刻度线读数α2。

　　4.2.4.4 重复4.2.4.2～4.2.4.3的过程，又可以获得三组a₁ 和α₂ 。对于例行测试，测量一组即可。

　　4.2.5 透射光束偏离角的计算 令透射光束偏离角为φ,则有

　　φ=(a₁+α₂)/4 ……………………………………(13)

　　4.2.6 抽样

　　本标准要求对生产和应用的每只偏振棱镜进行全部检测;如果需要对一批元件进行抽样检测，则抽 样原则参照有关标准进行。

　　4.2.7 测试报告

　　4.2.7.1 报告内容：测试者;测量时间;偏振棱镜型号;表示 a₁ 和α2的单位以及透射光束偏离角(以分 为单位有效数字取二位)。

　　4.2.7.2 光束偏离角的不确定度

　　…………………………………

　　(14)

　　式中：a₁— 目视误差;

　　α₂——自准直望远镜刻度误差。

　　4.3 波前畸变

　　偏振器件的波前畸变可参照本标准的3.2光学均匀性测试方法进行。

　　4.4 光辐射损伤阈值(连续和脉冲)测量

　　光辐射损伤阈值是指能使偏振器件表面或内部产生损伤(指熔化和留下伤斑)的最小入射功率或能 量。

　　4.4.1 光辐射损伤阈值测试装置

　　测试装置由激光器(连续和脉冲两类),偏振器支架、激光功率能量计及光斑直径测量装置组成，所 有部件固定在光学平台上。

　　4.4.2 测量装置各部件的技术要求

　　4.4.2.1 激光器，选用在晶体偏振棱镜光谱区(0.25～1.7μm) 最常用的YAG 激光器，连续激光器输 出最大功率不低于45 W, 功率连续可调，稳定度≤±5%;通过待测件的光斑直径不大于5mm; 脉冲激 光器输出最大单脉冲能量不低于1 J, 且连续可调，脉冲宽度为纳秒级，通过待测件的光斑直径不大于 2 mm。

　　4.4.2.2 激光功率/能量计测量范围：连续功率0.1～50 W, 能量50 mJ～1J, 测量精度应优于5%。

　　4.4.2.3 要求光斑直径测量装置可测范围不小于0.5～5 mm, 精度不低于10%。

　　4.4.3 光路的调整

　　4.4.3.1 激光器置于光学平台一端，调整使其处于正常工作状态，并在合适的高度上将光束调整水平。

　　4.4.3.2 将待测偏振器卡在棱镜支架中，使激光束光轴与偏振器的通光孔中心等高，同时保证为正入 射。

　　4.4.3.3 将激光功率能量计探头引入光路，并使激光束经偏振器后入射到探测头的接收面上。

　　4.4.4 连续光损伤阈值的测量

　　4.4.4.1 激光器和激光功率能量计指示器预热20 min 后，按照下列程序进行测量。

　　4.4.4.2 将待测偏振棱镜移出光路，调整激光器输出功率达一定数值(输出光束功率密度约为

　　10 W/cm²),记下此时输出功率P₁。

　　4.4.4.3 将待测偏振器移入光路，照射不低于5 min,记下此时激光功率计的读数P′₁,并用符号Te= P′₁/P₁, 表示此时偏振器的透射比。

　　4.4.4.4 观察偏振器表面和内部有无光损伤(指熔化和留下伤斑的表面损伤)。

　　4.4.4.5 如无光损伤，则缓慢地台阶式增大激光器输出功率(间隔时间不低于5 min, 每次增加量不大 于20%),直至偏振器表面或内部出现光损伤。同时记下每次改变时功率计指示器读数P′₂,P′3, … … ,

　　P′n-1,P′n。

　　4.4.4.6 将待测偏振器移出光路，将光斑直径测量装置引入光路，测量偏振器所在处激光束光斑直径 d。

　　4.4.5 脉冲光损伤阈值的测量

　　4.4.5.1 测量过程与连续激光情况同，记录下单脉冲激光能量E₁,E′₁,(T,=E′₁/E₁),E′₂,E′3, … … , E′n-1,En。

　　4.4.5.2 测量起始脉冲激光功率密度不低于50 MW/cm²。

　　4.4.5.3 根据激光器参数指标，使用频率不低于100 MHz 示波器确定出脉冲宽度，记为t。

　　4.4.6 抗光损伤阈值的计算

　　令偏振器的抗光损伤阈值为D, 则有

　　…………………………

　　(15)(连续)

　　………………

　　(16)(脉冲)

　　4.4.7 抽样

　　该参数的测量属破坏性测量，只需对一批元件进行抽样检测，抽样原则参照有关标准进行。

　　4.4.8 防护

　　大功率激光器对人体可产生危害，调整时应遵守激光防护的有关规定。

　　4.4.9 测试报告

　　报告内容：实验者;测量时间;激光波长;脉冲宽度;偏振器型号;表示 P₁,P′₁,P′n-1,E₁,E'′₁,E′n-1, t,d 的单位及抗光损伤阈值(有效数字取至2位)。

　　4.4.10 不确定度

　　△= √8+8 …………………………………(17)

　　式中：8₁——测量系统的 A 类误差;

　　δ₂——测量系统的B 类误差。

　　5 抽样

　　本标准要求对生产和应用的每对偏振器进行全部检测;如果需要对一批元件进行抽样检测，则抽样 原则参照有关标准进行。

　　5.1 防护

　　1mW 量级的激光器可能对人体引起危害。调整时应遵守激光防护的有关规定。

　　附加说明：

　　本标准由中国计量科学研究院提出。

　　本标准由中国计量科学研究院、承德晶体技术研究所和曲阜师范大学负责起草。 本标准主要起草人李在清、李国华、邵文、崔承甲。

　　本标准参加起草人赵明山、李熙。