ICS 37. 020 N 30
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T26827-2011
波片相位延迟测量装置的校准方法
Calibration method for measurement equipment of wave plate phase retardation
2011-12-01实施
2011-07-29发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会 发布 GB/T26827—2011
目 次
前言 1 范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义
测量原理 5 校准方法 5. 1 概述 5. 2 校准装置 6校准 6.1 绝对校准法 6.2 比较校准法 6.3校准结果形式附录A（资料性附录）校准装置的说明 A.1基于激光频率分裂原理的波片相位延迟基准测量装置 A.2标准波片 A.3晶体石英最大双折射率△n计算用表（△n一n。一n。为24.8℃下由分析式得到的计算值）..…·8
4 GB/T 26827—2011
前言
本标准的附录A为资料性附录。 本标准由中国机械工业联合会提出。 本标准由全国光学和光子学标准化技术委员会（SAC/TC103)归口。 本标准主要起草单位：清华大学。 本标准主要起草人：张书练、刘维新、丁铭。
E GB/T26827—2011
波片相位延迟测量装置的校准方法
1范围
本标准规定了对波片相位延迟测量装置进行校准的术语和定义、测量原理、校准方法和校准。 本标准适用于对各种原理的波片相位延迟测量装置的精度进行校准。
2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准。然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
GB/T13962光学仪器术语 GB/T15313激光术语
3术语和定义
GB/T13962、GB/T15313中确立的以及下列术语和定义适用本标准。
3. 1
波片相位延退测量装置measurementequipmentofwaveplatephaseretardation 来用各种原理对波片的相位延迟进行在线或非在线测量的光学系统。
3.2
波片相位延迟基准测量装置benchmarkmeasurementequipmentofwaveplatephaseretardation 采用激光频率分裂原理对波片相位延迟进行测量的装置，用来标定波片的相位延迟，其测量结果是
可以溯源到激光波长的基准值。波片相位延迟基准测量装置的详细说明参见A.1。 3. 3
波片相位延迟标准测量装置standardmeasurementequipmentofwaveplatephaseretardation 由波片相位延迟基测量装置校准过的波片相位延迟测量装置，其对波片相位延迟的测量结果可
以用来校准其他的波片相位延迟测量装置。 3. 4
标准波片standardwaveplate 由波片相位延迟基准测量装置测定的波片。标准波片的详细说明参见A.2。
3. 5
激光频率分裂laserfrequencysplitting 单模驻波氨氛激光器中，由于谐振腔内双折射的存在，一个激光纵模分裂成频率不同的两个模式同
时振荡的现象。 3. 6
模式跳变modejumping 当激光器两振荡模式之间存在较强的模式竞争，调节激光器的谐振腔长时，振荡的模式转为熄灭，
熄灭的模式转为振荡的变化。 3.7
频差调谐frequencydifferencetuning 调节激光器谐振腔长，激光器频率分裂产生的两正交偏振模式之间的频率差出现的周期性变化。
1 GB/T 268272011
4测量原理
根据激光原理，驻波激光器的纵模频率按式（1）计算：
Vg=2nL!
(1)
式中：
真空中光速，单位为毫米每秒（mm/s）；谐振腔内光路上平均折射率；谐振腔长，单位为毫米（mm）；纵模级数，为数值很大的正整数。
C
n L
q
而相邻级纵模V。、"g+1的频差即纵模间隔△按式（2)计算：
4=
-(2 )
2nL
如图1所示，当在谐振腔内放人双折射元件时，激光器会形成长度不相等的两个物理腔长nL。对应的振荡纵模将发生分裂，原来每一个纵模变成偏振方向相互正交、频率不相等的两个纵模（频率）。同时，两个分裂模的偏振方向和双折射元件的两个本征方向一致。如图2所示，一个纵模分裂成的两个模 v。和v称为同级分裂模，其频差为△v；而v-1和v为相邻两个纵模都分裂后的两个相邻的分裂模，称为相邻级分裂模，其频差为A"。并且相邻级分裂模的偏振态相互垂直，在图2中用实线和虚线表示， G为激光增益曲线。
腔镜Mi 激光器 增透面 双折射 腔镜M2
元件
图1激光谐振腔内放入双折射元件产生频率分裂示意图
G4
0光 e光
0光 e光
I ve
1
Ve+1
V
Vo
V
图2双折射元件引起的激光频率分裂和调谐激光腔长测量分裂频差大小
设放人腔内的双折射元件引起0光和e光的光程差为8，则分裂模的频差△v按式（3)计算：
8=-V
AV:
..(3)
式中：
激光频率，单位为赫兹（Hz）。
L
若放人腔内的双折射元件是波片，则将式（3)与激光纵模间隔式（2)相比，并根据波长频率关系c 入·v，而波片的相位延迟与光程差满足Φ=2π·/>(入为波片工作波长），则得到波片的相位延迟表示为弧度值或角度值按式（4)计算：
@=元=×180°
·(4)
4 △
2 GB/T26827—2011
并，波片相位延迟式的等同量一一光程差8按式（5)计算：
DA
....(5)
A2
从式（4)和式(5)可以看出由频率分裂原理测量得到的波片相位延迟与激光器的谐振腔长无显式关系，只要测得分裂出的频差>及纵模间隔△，即可得到波片的相位延迟量Φ。其中△>和可以通过测量两正交模式形成的光拍的频率得到。基于频率分裂原理测量波片相位延迟的装置是基准测量装置。 5校准方法 5.1概述
校准方法可以分为绝对校准法和比较校准法，这两种方法都是静态校准。 5.1.1绝对校准法
用波片相位延迟基准测量装置测量一组标准波片的相位延迟，测量结果作为该标准波片的基准值。 将同一组标准波片放人待校准的波片相位延迟测量装置，以标准波片的基准值为基准，按技术要求和操作步骤对得校准装置的输出值进行校准。 5.1.2比较校准法
将一组不同相位延迟的波片放人波片相位延迟标准测量装置进行测量，然后将同一组波片依次放人待校准波片相位延迟测量装置中，对待校准波片相位延迟测量装置进行校准。 5.2校准装置
校准装置主要包括波片相位延迟基准测量装置和标准波片。 6校准 6.1绝对校准法 6.1.1环境条件
应在下列条件下进行校准： a）温度：20℃±1℃； b）相对湿度：小于60%。
6.1.2测量装置
波片相位延迟基准测量装置，一组标准波片。 6.1.3校准步骤 6.1.3.1准备工作
开启波片相位延迟基准测量装置和待校准波片相位延迟测量装置，预热时间不少于30min。 清洗好标准波片，并在实验室恒定温度下平衡1h以上。
6.1.3.2测直标准波片基准值 6.1.3.2.1点通光标准波片测量
将待测标准波片放入波片相位延迟基准测量装置中，使其通光口径位于光路中，并按要求调整波片
的快慢轴方向。
按操作步骤测量标准波片的相位延迟，反复测量五次，取算术平均值，作为该标准波片相位延迟基准值。最后记录每个标准波片的基准值。 6.1.3.2.2面通光标准波片测量
面通光标准波片需要给出整个通光面上的相位延迟平均值作为实际值。测量时选择通光口径范围内五个测量点，其分布如图3所示。移动波片相位延迟基准测量装置中波片架的导轨，使五个测量点依次位于激光路径上，按6.1.3.2.1给出的测量标准波片步骤，对每个测量点测量五次，取算术平均值作为该测量点的相位延退。重复上述过程，直到五个测量点测量完毕。求五个测量点的算术平均值，作为
3 GB/T26827—2011
该面通光标准波片相位延迟的实际值。最后记录每个标准波片的测量值。
?
图3面通光波片的五个测量点示意图
6.1.3.3不同波长下标准波片相位延迟折算
如果待校准的波片相位延迟测量装置工作波长同样为632.8nm，则不需要进行不同波长下波片相位延迟转换；否则查晶体石英材料在待校准波片测量装置工作波长下和同样温度条件下的最大双折射率，按式（6)将标准波片的相位延迟基准值转换成待校准波片测量装置工作波长下的相位延迟量：
+2-(++)-(N+)
**·（6)
F2元
2元/一入
式中： N,-—标准波片级次；
Φ，一标准波片的相位延迟，单位为弧度；入--632.8nm工作波长，单位为纳米（nm）；入-—一待校推波片测量装置工作工作波长，单位为纳米（nm）；
ne、n。An—632.8nm波长下晶体石英的主折射率和最大双折射率； n。、no、An'-—待校准波片测量装置工作工作波长下晶体石英的主折射率和最大双折射率。
得到N。为折算后波片级次，对应于计算值整数部分，Φ。为折算后相位延迟，对应于计算值的小数部分。对于查波片的最大双折射率时波长或温度值不一致的情况，可以采用线性插值法求得新波长下的最大双折射率。晶体石英在不同波长下的最大双折射率△n见A.3。 6.1.3.4用待校准波片装置测量标准波片相位延迟
将校准后的一组标准波片依次放人得校准波片相位延退测量装置中测量，其操作流程接照测量装
置说明书进行。每个标准波片测量五次，取算术平均值作为测量结果Φ.，并记录。 6.1.3.5数据处理
将待校准波片相位延迟测量装置测得的标准波片相位延迟Φ.同波片相位延迟基准测量装置测量
得到折算后的相位延迟Φ。相减，其差值为待校准波片测量装置的示值误差。记录一组校准波片（分别编号为12...j，..n)校准时得到的Φm(和Φ")值，并以Φ。j为横坐标，以Φ(j)为纵坐标，依次计算区间[Φej-1》，Φ("］内的三次样条插值函数，可以得到整个测量区间上的拟合公式，即作为待校准波片装置的校准公式。校准过的波片测量装置测量的波片相位延迟处于校准点区间内时，可以将测量值代入校准公式得到实际值。对于响应曲线为线性的测量装置，还可以由校准公式计算其线性度。 6.2比较校准法
将上述绝对校准法校准过的波片相位延迟标准测基装置作为传递标准，可以对一般的工业用波片
相位延迟测量装置进行比较法校准。
比较校准法试验条件和校准步骤见6.1，其中作为测量值传递的波片可以选用一组相位延迟各不相同的普通波片。将待测波片放入波片相位延迟标准测量装置，接使用说明测量其相位延迟，得到五次测结果最算术平均值作为基准值。然后将波片放入待校准波片相位延退测量装置测量，最五次测量结果的平均值。如果波片相位延迟标准测量装置的工作波长和待校准波片相位延迟测量装置工作波长不一致，需要采用6.1.3.3所述方法，对传递波片的延迟量进行折算后再进行比较。所得的结果可以采 4 GB/T 26827-2011
用6.1.3.5的方法进行数据处理。 6.3校准结果形式
校准过程中，波片相位延迟基准测量装置和待校准波片相位延迟测量装置对单个波片的测量结果可以按表1记录。
表 1
单个波片相位延迟多次测量值/（）
系统不确定度
测量平 标准差 测量温
波片相位延迟测量装置
(测量次序）
(10) 度/℃
均值
2
3
5
1
4
波片相位延迟基准
测量装置待校准波片相位延迟
测量装置对于测量一组标准波片，对待校准波片相位延迟测量装置的多个测量值进行校准的情况，可以按
表2记录。
表 2 不同标准波片测量结果的平均值/()（波片编号）
波片相位延迟测
测量时温度/℃
量装置波片相位延迟基准
5
6
8
3
10
2
1
4
7
测量装置待校准波片相位延迟
测量装置