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研究生: 呂志鋒
Lu, Chih-Feng
論文名稱: 光學相位延遲板雙折射性質及晶體厚度之高精度量測系統研發
Development of New High Accuracy Measuring System for Birefringence Index and Thickness of Optic Waveplates
指導教授: 陳朝光
Chen, Cha'o-Kuang
賴新一
Lai, Hsin-Yi
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2003
畢業學年度: 91
語文別: 中文
論文頁數: 87
中文關鍵詞: 光學機構光程差雷射干涉儀折射率
外文關鍵詞: laser interferometer, optical mechanism, optical path length difference., refractive index
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  • 本研究係關於一光學晶體折射率及厚度高精度量測系統之研發,本量測系統係由一精密測距雷射干涉儀系統、電動旋轉馬達搭配數學解析計算所組成。本研究利用雷射干涉儀可測量隅角反射鏡線性移動的特性,在極化分光鏡和隅角反射鏡中間架設一組單軸電動旋轉馬達,並且固定隅角反射鏡不動,再將電動旋轉馬達上夾持住光學待測試片,利用馬達帶動試片轉動,造成光路上的改變。由於此改變而造成之光程差會使干涉儀測得不同於實際距離之數值,藉由本研究所推導之光程差與試片折射率的關係,便可量得試片之折射率。本論文所建構之量測系統具有簡便易操作、易校正及少雜訊干擾之優點,且有溫度、壓力、溼度等環境補償之功能,經實驗結果證實,本量測系統可快速且穩定的獲得高量測精度。
    另外,在厚度高精度量測方面,本研究提出一非破壞性檢測技術,除可量測大厚度之試材(公分等級)外,亦可使精度保持在奈米等級,對精密測厚技術之應用有很大的助益。

    In this study, a new highly accuracy measurement system for birefringence index and the thickness of an optic waveplate is proposed. This measurement system is composed of a laser interferometer for accurate length measuring, a precise rotatory stepping motor, and a computer for data calculation. Using the characteristic of the laser interferometer for measuring the linear translation, a tested waveplate is holding on a rotatory stepping motor. It placed between the polarization beam splitter and the cube reflector, which is fixed on the optic table. The optical path difference is obtained by the rotational angles control of stepping motor. Based on the optical path length difference, a different measured value compared with real length is shown by the laser interferometer. By means of the relations of optical path length difference and refractive index of the tested waveplates, the refractive index of waveplate can be fast and accurately obtained. It has some advantages of this measurement method, such as, easier operation and calibration, fewer signal noise, and environment compensation is considered, etc. The experiments show fast and stable measuring results can be obtained by the measurement method.
    Besides, a new nondestructive measurement system for crystal thickness is also proposed. This measurement method not only can measure large thickness (cm degree), but also can keep the measurement accuracy within nano-degree. It is very helpful for the application of accurately thickness measurement technique.

    中文摘要 …………………………………………………………….…I 英文摘要 ……………………………………………………………….II 誌謝……………………………………………………………………..III 目錄 ……………………………………………………………………IV 圖目錄 ………………………………………………………………...VII 表目錄…………………………………………………………………..IX 第一章 緒論……………………………………………………………1 1.1 前言…………………………………...…..……………………1 1.2 文獻回顧……………...…………………………………..……3 1.3 研究動機…………………...…..………………………………7 1.4 論文結構…..……………….…………………………………..8 第二章 固體光學…………………...………...………………………12 2.1光在介質中的進行……………………………………………12 2.2 光在晶體中的進行 ……………………………….…………20 2.2.1 波向量面………………………………………………20 2.2.2 能量傳播向量面………………………………………27 第三章 精密測長干涉儀……………………………………..………36 3.1 拍頻……………………………………………...……………36 3.2 雙頻雷射干涉儀……………………………………………...39 第四章 新式光學折射率量測系統架構及數學解析……………..…44 4.1 晶體中的都卜勒效應…………………………………...……44 4.2 量測系統架構的建立…………………………...……………47 4.2.1架構設計及實驗步驟………………………………….47 4.2.2 數學解析……………………………………..………..48 第五章 實驗結果及誤差補償…………………………………..……56 5.1 波片表面鍍膜………..………….……………………………56 5.1.1 鍍膜理論………………………………...…………….56 5.1.2 實驗參數決定……………………….……………….59 5.2 入射光角度的偏差…………………………………………...63 5.2.1 波片入射角偏差………………………………..……..63 5.2.2 光軸偏差………………………………………………65 5.3 實驗結果與討論…………………………………..………….67 第六章 光學晶體厚度的量測………………………………………..75 6.1 量測系統的建立…………………………….………………..75 6.2 數值模擬分析………………...…………...………………….78 第七章 結論與展望…………………………………………...……...81 7.1 結論…………………………………………………………...81 7.2 建議與展望…………………………………...……..………..83 參考文獻…………………………………………………………..……84 自述……………………………………………..………………………87 圖目錄 圖1-1 Shindo和Hanabusa量測架構…………………….………………9 圖1-2 波片相位延遲之量測架構……………………………..………..9 圖1-3 葡萄糖濃度變化量測架構…………………………......………10 圖1-4 法拉第旋轉器量測量測葡萄糖濃度變化架構 ………....……10 圖1-5 石英波片雙折射率之量測架構(1)………..…………....………11 圖1-6 石英波片雙折射率之量測架構(2)……………..………....……11圖2-1 折射率與消光係數隨頻率之變化圖………………...……...…31 圖2-2 折射率與消光係數隨頻率之變化圖……………………..……31 圖2-3 晶體的非均向性電極化性質的原子模型………….……….....32 圖2-4 在k-空間裡的波向量面與各座標軸之關係圖…………...……32 圖2-5 雙軸晶體的折射率示意圖……………...………………...……33 圖2-6 正負晶體示意圖……………………..…………………………33 圖2-7 折射率橢球示意圖……………………..…………...………….34 圖2-8 相速度面示意圖………………………………………………..34 圖2-9 在非均向性電介質中進行之光束示意圖………………..……35 圖2-10 能量傳播向量面示意圖…………………………………...….35 圖3-1 雙頻雷射干涉儀的工作架構…………………..…........…...….43 圖4-1 精密測距雷射干涉儀系統示意圖………….……………...…..52 圖4-2 都卜勒效應示意圖………………………….………....……….52 圖4-3 系統設計架構圖……………………………….…..….….….…53 圖4-4 1/2λ波片和光軸示意圖……………………………...….………53 圖4-5 偏振光平行光軸方向振動示意圖…………….……….………54 圖4-6 偏振光垂直光軸方向振動示意圖………………….…….……54 圖4-7 相位延遲波片旋轉前後光路和折射率的關係示意圖….….....55 圖5-1 反射率與膜厚的關係示意圖……….…………………….……70 圖5-2 和 膜厚的色散情形……………………………….……71 圖5-3 波片入射角偏差XZ平面示意圖…………………...………….71 圖5-4 波片入射角偏差XY平面示意圖………………..……………..72 圖5-5 光軸入射角偏差e光示意圖……………...…………………….72 圖5-6 光軸入射角偏差o光示意圖…………………………………..73 圖5-7 模擬 時, 示意圖……......…73 圖5-8 模擬 時, 示意圖….......…...74 圖5-9 模擬旋轉角 、折射率 和光程差的關係示意圖……….……74 圖6-1 厚度量測實驗設計架構………………………………..………80 圖6-2 晶體厚度從一公分到兩公分,光程差隨折射率變化示意圖…80 表目錄 表5-1 最大誤差範圍比較表…………………………………………..70

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    下載圖示 校內:2009-07-22公開
    校外:2009-07-22公開
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