在光學技術領域，特別是在偏光技術應用中，光學相位延遲器件是光學調製系統中的重要器件。這類器件是基於晶體的雙折射性質，利用光通過晶體可以改變入射光波的振幅和相位差的特點，改變光波的偏振態。相位延遲器件包括各種波片和補償器，和其它偏光器件相配合，可以實現各種偏振態之間的相互轉換、偏振面的旋轉以及各類偏振光的調製，廣泛應用於光纖通訊、光彈力學、光學精密測量等領域中。
相位延遲量是光學相位延遲器件的重要引數，與器件的厚度、光學均勻性、應力雙折射等諸多因素有關，其精度直接關係到應用系統的質量，因此準確的測定相位延遲量，提高其測量精度是非常有意義的，得到了越來越多的重視和研究。
目前，對光學相位延遲量的測量方法有很多，包括半陰法、補償法、電光調製法、機械旋光調製法、磁光調製法、相位探測法、光學外差測量法、分頻雷射探測法、分束差動法等等。測量方法的發展歷程，經歷了由簡單到複雜，由直接測量到補償法測量，由標準波片補償到電光、磁光補償。補償法的乙個問題是補償器本身會帶來一定的誤差，如：
標準波片「不標準」，電光補償存在非線性性、補償器光軸與測量光束不垂直等。本實驗提出一種新的光學相位延遲量測量方法：用調製偏振光準確判斷極值點位置，用soleil-barbinet補償器進行相位補償，結合了補償法和電光調製法的優點，又降低了補償器本身對結果的影響，測量精度高，適用範圍廣。
1. 了解偏振光學理論，了解線性電光效應以及晶體電光調製理論
2. 掌握soleil-barbinet相位補償器的應用
3. 掌握相位延遲測量方法
4. 除錯系統並測量不同波片
測量系統如圖1所示：
圖1 測量系統圖
l是光源，p為起偏器，e為電光調製晶體，通過調製訊號源m加上調製訊號。s為待測波片，c為soleil-barbinet補償器，a為檢偏器，出射光由光探測器d接收，並經過濾波放大等處理後，最終結果顯示在示波器o上。系統的座標方向規定為：
光束傳播方向為z軸，起偏器的透振方向沿x軸、檢偏器的透振方向沿y軸，電光調製器加電壓後的感生軸方向和待測波片及補償器的快慢軸方向一致，和x軸成45°角，如圖2所示。
圖2 系統的座標方向
在本實驗中，通過電光調製晶體的電光效應，產生調製偏振光以準確判斷極值點的位置；通過soleil-barbinet補償器進行光學相位補償；從而將調製和補償兩種作用分開，精度高，誤差小，穩定性好。
1.調製原理
由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應。通過晶體的透射光是一對振動方向相互垂直的線偏振光，通過調節外加電場大小，可對偏振光的振幅或相位進行調製。
例如，kd*p晶體沿光軸方向（z方向）加外電場ez後，從單軸晶體變成了雙軸晶體（有兩個光軸），折射率橢球（描述晶體的折射率的空間分布）與xy平面的交線由圓變成了橢圓（圖3）。沿z軸傳播一對正交的本徵模，分別在方向偏振，折射率由（1）式表示。
1）圖3
當光波在z方向傳播的距離為l時，兩個本徵模的相位差為
2）通常把時的外加電壓稱為半波電壓，記為，則由（2）式可得，
3） 通過可將表示為4）
可見，沿方向振動的出射偏振光其相位差和外加電壓v的大小成正比，可通過調節外加電場大小的方式實現偏振光的調製。
我們的電光調製電源採用了乙個正弦調製訊號，即
5）如果此時起偏器p沿x方向透振，檢偏器a沿y方向透振，電光調製晶體的感生主軸方向和x軸成45°角，則輸出光波的光強為：
（6）式中為常數，為階貝塞爾函式。（6）式表明輸出的交變訊號為二次頻率訊號，沒有基頻。這是系統零點的特徵。
調製電壓、晶體的相位差、輸出光強的關係如圖4所示。
圖4調製電壓、晶體的相位差、輸出光強的關係
光波偏振態隨外電壓變化的情況如圖5所示。
圖5光波偏振態隨外電壓變化的情況
2.補償原理
soleil-barbinet補償器的作用類似於乙個相位延遲量可調的零級波片。由成對的晶體楔a和a』和一塊平行晶元b組成。a和a』兩光軸都平行於折射稜邊，它們可以彼此相對移動，形成乙個厚度可變的石英片；平行晶元b的光軸與晶體楔a垂直，如圖6所示。
圖6 soleil-barbinet補償器的原理
設晶體楔厚度為h，寬為l，楔角為，則
7）晶體楔平移後，沿光束通過方向厚度改變量為
8）光通過補償器後產生的相位延遲量為
（9）其中，分別是晶體發生雙折射的o光和e光對應的主折射率。（9）式表明光通過補償器後產生的相位延遲量正比於厚度改變量，也正比於晶體楔的平移量。
如果此時起偏器p沿x方向透振，檢偏器a沿y方向透振，電光調製晶體的感生主軸方向和x軸成45°角，加入待測波片和soleil-barbinet補償器後，輸出光波的光強為：
（10）
由此可以看到，輸出的交變訊號由基頻和二次頻率分量構成，出現基頻分量是系統偏離零點的特徵。由（10）式可知，當，即時，（10）式與（6）式完全相同，此時稱為完全補償。在完全補償條件下，從補償器的平移量，即可得到待測波片的相位延遲量。
11）五、實驗步驟
1、除錯
1) 在光學防震平台上進行除錯。各部件調整時保證等高共軸。
2) 調整雷射器l方向，使出射光平行於檯面。後續放入的探測器和各種光學元件其表面均應和光線傳播方向垂直。
3) 放入光電探測器d及示波器o。
4) 放入起偏器p，使得p的輸出光強為極大。
5) 放入檢偏器a，調整起偏稜鏡p、檢偏稜鏡a正交，使通過出射光強最小。
6) 放入kd*p調製器e。kd*p加電，精密調整kd*p晶體，反覆調節零位置和±45°位置（通過訊號頻率加倍來確認）。這時從調製器出射的是一對正交的調製偏振光，偏振方向沿kd*p晶體的感生主軸方向。
7) 放入補償器c，調節補償器晶軸方向：首先，使c處於零延遲位置以外的其他任何位置，即系統輸出光強為非最小值。其次，繞軸旋轉補償器c使出射光最小，通過輸出交流訊號頻率加倍來判斷。
此時補償器快慢軸和入射正交調製偏振光的偏振方向重合，記下此時補償器旋轉的位置。最後，將補償器c相對上述位置旋轉45度。
8) 補償器定標。每次測量前應先對補償器定標。
調節補償器c的平移旋鈕，觀察輸出訊號的變化，由二次諧波出現的位置，可定出0和2相位延遲量對應補償器的平移位置x1，x2，兩個最小值之間的平移距離x=x2 –x1作為儀器常數，根據
可得補償器的定標係數為：
2、測量
1) 調節補償器c的平移旋鈕，使補償器c恢復到零延遲位置x1。
2) 放入待測元件s。旋轉s，找到零點位置（即訊號倍頻位置）。然後將s準確旋轉45度。此時待測元件s的快慢軸方向、補償器c的快慢軸方向、kd*p晶體的感生主軸方向重合。
3) 調節補償器c的平移旋鈕，找到零點位置（即訊號倍頻位置）x，此時補償器c的平移量為l=x』-x1。根據定標係數，可得到補償器c的相位延遲，待測元件s的相位延遲即為。
4) 對待測元件s的不同方向，不同位置多次測量求平均值。
因裝置原因，本實驗進行簡化，暫不採用電光調製器件及示波器。實驗步驟調整如下：
1. 順序放上圖1中的偏振片p、a及功率計d，調節a的角度使光強最大，記錄此時光功率p1。隨後調節a使消光。
2. 放入巴比涅補償器c，在補償不為0的任意位置，旋轉c使消光，此時c的光軸與p光軸平行，記錄此時c的角度（消光角度）。
3. 令c旋轉45度，此時c中o、e光分量相等。調節c旋鈕，使消光，此時補償δ=0，記下此時旋鈕位置1。
4. 調節c旋鈕使光強最大，記錄此時功率p2（應與p1接近），此時δ=π，補償器c處於二分之一波片的狀態，記下此時旋鈕位置2。
5. 調節旋鈕至位置1、2的中間位置，此時δ=π/2，出射光應為p2/2。因器件誤差等原因，此位置可能略有偏差，微調至實際光強為p2/2的位置即可，補償器c處於四分之一波片的狀態，記下此時旋鈕位置3。
6. 令c處於二分之一波片的狀態，相對其消光角度旋轉15度、30度，通過檢偏器a檢測出射光新的偏振方向（記錄相對於a原消光位置的角度）
7. 令c處於四分之一波片的狀態，相對其消光角度旋轉15度、30度，通過檢偏器a檢測出射橢偏光的長短軸方向（記錄相對於a原消光位置的角度）。
1、當補償器旋鈕處於上述位置2時，對入射偏振光的作用是什麼？旋鈕處於上述位置2與3之間時，線偏振光入射，出射光是什麼偏振態？
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