杨军营 1,2韩培高 1,2,*魏莹莹 1,2
作者单位
摘要
1 曲阜师范大学物理工程学院,山东 曲阜273165
2 山东省激光偏光与信息技术重点实验室,山东 曲阜273165
针对现有光弹调制器定标方法受探测器频率响应的局限性,提出一种新的光弹调制器相位调制幅值(Am)定标方法。利用起偏器、光弹调制器、波片,以及检偏器构建定标光路,利用Am=5.136 rad的二次谐波分量零值点作为定标辅助点,将待定标点与定标辅助点间的一阶贝塞尔函数比值作为定标函数,通过测量待定标点与定标辅助点的一次谐波分量比值反推出待定标点的真实相位延迟量幅值。该方法排除了由探测系统频率响应特性带来的定标偏差,并且可以对光弹调制器整个工作区间的相位延迟量幅值进行定标。该方法操作简单、系统鲁棒性强、定标范围广。
光弹调制器 定标 贝塞尔函数 峰值延迟量 
中国激光
2024, 51(8): 0804007
李坤钰 1,2,3李克武 2,3刘坤 1,2,3王志斌 1,2,3,*
作者单位
摘要
1 中北大学仪器与电子学院,山西 太原 030051
2 中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西 太原 030051
3 中北大学前沿交叉科学研究院,山西 太原 030051
Overview: Overview: Photoelastic modulator, a high-quality thermo-mechanical coupling device composed of isotropic elastic optical crystal and piezoelectric crystal, is widely used in polarization measurement, spectral measurement, and many other fields. A high-voltage resonant circuit is adopted to generate the periodically changing high voltage amplitude, which is applied to both ends of the piezoelectric crystal to drive the photoelastic modulator to perform forced telescopic vibration, thus generating periodic birefringence. Although the quality factor of the photoelastic modulator is as high as 103, the photoelastic crystal in the photoelastic modulator will vibrate in length under the action of the piezoelectric crystal when driven by the high voltage. In addition, there will be thermal dissipation caused by dielectric loss and mechanical loss, some of which exchange heat with the environment, and the rest will raise the temperature of the photoelastic modulator itself. When the heat exchange between the photoelastic modulator and the external environment is happened before the heat balance, the resonant frequency will be changed, which will lead to the reduction of the modulator driving efficiency and the instability of the modulation amplitude. Standing from the perspective of mechanical point, the system can be equivalent to the vibration model of a damped spring-mass system. The system is an underdamped second-order system, and the modulator can also be equivalent to a RLC series resonant circuit from the electrical perspective. Therefore, when the temperature of the modulator changes, its electrical parameters and resonat will also vary. Therefore, this paper first analyzes the resonant frequency characteristics of the photoelastic modulator from the perspective of electricity, and establishes the equivalent circuit model of the photoelastic modulator and the composite resonant network model with the high-voltage resonant drive circuit. Meanwhile, the resonant network is analyzed, and the results show that when the phoyoelastic is in the resonant state, the modulator impedance and the inductance voltage amplitude of the high-voltage resonant circuit are both the smallest. Therefore, this paper designs a control and test system based on field programmable gate array (FPGA) by combining the above mentioned characteristic and applying the amplitude and frequency characteristics of the resonant network. FPGA completes the measurement of the inductance voltage amplitude and the demodulation of the photoelastic modulation signal through the digital phase-locked amplifier. After obtaining the inductance voltage amplitude, the real-time tracking of the minimum value of the inductance voltage amplitude can be obtained by FPGA, so that the tracking of the resonant frequency of the photoelastic modulator can be realized. By demodulating the modulated signal, the calibration optical path system of the photoelastic modulator is also capable of measuring the modulation amplitude of the modulator. Finally, this paper successfully builds the test system, and conducts the frequency sweep test to verify the feasibility of the resonance tracking system. The resonance tracking tests on the modulator are implemented at room temperature - 20℃ & 80℃ respectively. The results show that the test meets the requirements, and the maximum standard deviation of modulation amplitude is lower than 0.83% rad.
弹光调制器 频率跟踪 相位调制幅度 幅频特性 photoelastic modulator frequency tracking phase modulation amplitude amplitude-frequency characteristics 
光电工程
2023, 50(4): 220249
臧晓阳 1,2,3李克武 2,3王志斌 1,2,3,*李坤钰 1,2,3[ ... ]刘坤 1,2,3
作者单位
摘要
1 中北大学仪器与电子学院,山西 太原 030051
2 中北大学前沿交叉科学研究院,山西 太原 030051
3 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西 太原 030051
快轴可调弹光调制器(FaaPEM)不仅具有调制频率高、通光孔径大、抗震性能好等优势,同时还弥补了传统弹光调制器相位延迟量和快轴方位角无法灵活调节的不足,在偏振调制以及偏振测量中发挥着重要的作用,FaaPEM是由两个压电驱动器和弹光晶体构成的谐振型光机电器件,在高压谐振状态下,因其自身的温度升高会导致弹光晶体谐振频率与驱动电压的频率不匹配,极大地影响了对于入射光的调制效率。为了确保FaaPEM在工作时的调制能力和稳定性达到最优效果,开展了FaaPEM的稳定闭环控制研究,提出了基于调制信号跟踪和相位调节的闭环驱动控制方法,并对FaaPEM稳定性进行了测试。测试结果表明:该系统加载反馈控制后,半波状态下稳定度达到4.18%,四分之一波状态下稳定度达到3.43%。
物理光学 快轴可调弹光调制器 频率温漂 数字锁相技术 反馈控制 
激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0726003
刘梓良 1,2,3,4,*王志斌 2,3,4李克武 2,3,4李晋华 2,3,4[ ... ]李坤钰 2,3,4
作者单位
摘要
1 中北大学 理学院, 山西 太原 030051
2 中北大学 前沿交叉科学研究院, 山西 太原 030051
3 中北大学 南通智能光机电研究院, 江苏 南通 26000
4 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原030051
弹光调制器利用各向同性晶体受迫振动后产生的双折射效应, 对入射的偏振光进行相位调制, 在偏振调制及测量方面具有重要应用。弹光调制器的相位延迟是其关键指标参数, 实际应用时需对驱动电压与相位延迟进行标定。但传统的弹光调制器定标系统中的元件体积较大, 且在使用前完成标定, 误差大。为了使弹光调制系统能够实现实时定标, 达到精确定标的目的, 同时提高使用的便捷性, 提出一种弹光调制器精确定标微系统设计, 通过缩小定标系统元件的尺寸, 集成固定在弹光调制器通光孔径边缘, 实现相位延迟实时标定。经实验验证, 弹光调制器定标微系统的能够在不影响中心光路情况下, 实时精确标定弹光调制器的相位延迟, 实验测试了1h相位延迟定标, 定标结果表明相位延迟偏差小于1%。
光学测量 弹光调制器 精确定标 相位调制 数字锁相技术 optical measurement photoelastic modulator precise calibration phase modulation digital phase-locked technique 
光学技术
2022, 48(1): 8
作者单位
摘要
1 中国科学院大学 微电子学院, 北京 100029
2 中国科学院 微电子研究所, 北京 100029
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
光弹调制器是一种基于压电效应和光弹效应的光学调制器件。光弹调制器采用共振工作模式, 具有调制频率高,灵敏度高, 调制波段宽(紫外~远红外)等特点, 可广泛应用于半导体、新材料、生命科学及航天**等高新技术领域。该文首先阐述了光弹调制器的基本工作原理, 包括压电效应、光弹效应等; 其次介绍了光弹调制器的结构和重要参数, 并分析了不同结构和各参数对器件性能的影响; 然后进一步介绍了目前新型光弹调制器的相关研究; 最后, 针对目前主流的八角形二维结构, 该文给出了基于有限元法的数值仿真结果, 并对该类型光弹调制器的工作原理和振动特性进行了验证。
光弹调制器 共振 八角形二维结构 工作原理 结构 photoelastic modulator resonance octagonal two-dimensional structure operating principle structure 
压电与声光
2021, 43(3): 352
作者单位
摘要
1 中国科学院大学 微电子学院, 北京 100029
2 中国科学院 微电子研究所, 北京 100039
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
基于光弹调制器(PEM)的高速椭偏测量法具有测量速度快, 灵敏度高的优势, 目前已被广泛应用于半导体、显示器和**等领域。现有PEM光学模型验证方法大多采用谐波分量提取法, 但其受系统偏差影响较大。该文提出一种基于最优化方法——PEM光学模型验证法, 该方法将椭偏测量过程转化成最优化问题进行求解, 将系统参数作为自变量进行处理, 可抑制系统偏差造成的影响, 提高测量系统的鲁棒性。该文介绍了该方法的基本原理, 并通过数值仿真和椭偏测量光学实验进行了验证。结果表明, 该方法可有效地抑制系统参数偏差对测量精度的影响。
光弹调制器 高速椭偏测量方法 最优化 系统参数 鲁棒性 photoelastic modulator high speed ellipsometry method optimization system parameters robustness 
压电与声光
2021, 43(5): 661
张伟 1,*杨林 2刘灿 3
作者单位
摘要
1 华中光电技术研究所— 湖北久之洋红外系统股份有限公司, 湖北 武汉 430223
2 陆军装备部驻武汉地区军事代表局, 湖北 武汉 430022
3 陆军装备部驻武汉地区第二军事代表室, 湖北 武汉 430022
介绍了一种基于光弹调制器的应力双折射测量方法,并进行了理论研究。建立了测量原理的数学模型,并根据数学模型进行了接收信号的分析,提出了相位延迟量的解算方法。该解算方法利用直流分量和一次谐波分量对相位延迟量进行解算,可消除仪器常数对测量结果的影响,并且相位延迟量在90°附近时测量灵敏度最高,对延迟量在45°~135°之间的样品测量结果可靠。利用MATLAB进行了数值仿真分析,并对理论延迟量74.17°的波片进行了测量实验,测量结果平均值为74.28°。实验结果证明测量了该方案准确可靠。
偏振光学 双折射 光弹调制器 仪器常数 灵敏度 polarization birefringence photoelastic modulator instrument constant sensitivity 
光学与光电技术
2021, 19(2): 64
作者单位
摘要
1 中国科学院大学微电子学院, 北京 100049
2 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
光弹调制器(PEM)是一种广泛应用于光学检测的光调制器件,其利用压电晶体的逆压电效应来周期性改变光弹晶体内部的折射率,从而实现对通过光弹晶体的光信号的相位调制。当系统处于谐振状态时,PEM的调制效率最高。因此,谐振频率和表征其工作效率的品质因子是PEM的两个重要参数。为了研究PEM的谐振特性,设计了一款目标频率在50 kHz附近的二维八角对称结构PEM并进行了理论和实验验证,同时提出一种基于阻抗分析的PEM谐振特性测量方法。首先建立频率模型进行分析以得到目标PEM的理论参数,再通过数值仿真软件进行理论验证,最终完成了两组PEM样品的制备。此外,还基于阻抗分析方法对样品的谐振特性进行了实验验证,测得样品的谐振频率分别为52.363 kHz和52.353 kHz,品质因子分别为5071.2和6096.7。
调制器 光弹调制器 阻抗分析 谐振频率 品质因子 
光学学报
2021, 41(15): 1523002
张瑞 1,2,3,*陈媛媛 1,2,3景宁 1,2,3王志斌 1,2,3[ ... ]解琨阳 1,2,3
作者单位
摘要
1 中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原 030051
2 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
3 中北大学电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051
提出了一种基于双弹光差频调制的中红外相位延迟精确测量方法。通过两个硒化锌型弹光调制器(PEM)的差频降低系统调制频率,产生载有被测相位延迟的低频调制信号,调制后的1倍差频幅值和2倍差频幅值相除可求得被测波片的相位延迟。该方法可有效抑制光强波动及PEM相位延迟波动对测量的影响,提高测量精度。对测量原理进行了理论推导,设计了硒化锌型PEM和实验系统。实验结果表明,相位延迟测量误差不大于0.004%,灵敏度可达5×10 -4 rad。
测量 弹光调制器 差频调制 相位延迟 高精度 
光学学报
2019, 39(3): 0312002
王志斌 1,2,*李克武 1,2张瑞 1,2王立福 1,2王国梁 1,2
作者单位
摘要
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心, 山西 太原 030051
基于石英(SiO2)制作光弹调制器(PEM)的压电驱动器时, 存在机电耦合系数小、需高压驱动且谐振频率随温度漂移严重等缺陷,故本文研究了PEM的优化设计方法。考虑铌酸锂(LiNbO3)特殊的晶体结构, 从理论上推导了LiNbO3晶片作为压电驱动器的可行性, 并确定其切型为zyw/35°切。基于有限元分析软件COMSOL4.3a仿真, 确定了晶片体积和谐振频率, 设计了LiNbO3压电驱动器。对设计出的压电驱动器进行了压电性能测试, 并和SiO2压电驱动器进行了比较。将LiNbO3压电驱动器和硒化锌(ZnSe)光弹晶体组合成PEM, 用671 nm激光进行了光弹调制实验。实验结果表明: 实现相同位移时, SiO2压电驱动器需要的驱动电压是LiNbO3压电驱动器的100多倍, 且后者横向长度伸缩振动模式单一性和稳定性均优于前者。驱动电压为3.76 V时, 671 nm的激光通过基于LiNbO3压电驱动器的PEM的调制光程差为3.7 μm。得到的结果表明: 基于LiNbO3压电驱动器的PEM易于驱动控制, 调制性能优于基于SiO2 驱动器的PEM。
压电驱动器 光弹调制器 铌酸锂晶体 谐振 piezoelectric actuator photoelastic modulator lithium niobate resonance 
光学 精密工程
2015, 23(1): 63

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