CN107655599A - 一种光学元件微小应力的测量方法 - Google Patents
一种光学元件微小应力的测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107655599A CN107655599A CN201710826216.7A CN201710826216A CN107655599A CN 107655599 A CN107655599 A CN 107655599A CN 201710826216 A CN201710826216 A CN 201710826216A CN 107655599 A CN107655599 A CN 107655599A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical element
- optical
- stress
- measuring method
- laser beam
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 72
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 17
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 230000005574 cross-species transmission Effects 0.000 claims description 2
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 35
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 241000931526 Acer campestre Species 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000011900 installation process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000005375 photometry Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种光学元件微小应力的测量方法，其中：进入到光学谐振腔的一束线偏振激光，受到腔内垂直于激光束放置的待测光学元件应力产生的双折射效应的调制后从谐振腔内出射。出射光经四分之一波片和检偏器组成的偏振态检测装置后变为线偏振光，通过聚焦透镜聚焦后被光电探测器收集。关断入射激光束，产生并采集光腔衰荡信号。将光腔衰荡信号拟合处理计算得到光学元件的应力值。本发明提出的技术方案优点在于：***结构简单，测量灵敏度和精度高，相比传统的Sénarmont四分之一波片应力测量方法，测量灵敏度至少提高三个数量级。
Description
技术领域
本发明涉及光学材料双折射效应和应力的测量技术领域，特别涉及一种测量光学元件微小应力的方法。
背景技术
在光学元件的制造、安装、使用和失效过程中，应力的影响都广泛存在。应力引起光学元件上折射率的变化，产生双折射效应，特别是在高精密光学设备和仪器里，对应力的存在更加敏感，需要及时掌握和控制光学元件制造过程中产生的残余应力、安装过程引入的机械应力、在大功率激光应用中产生的热应力等等。为满足精密光学设备与仪器的高性能高可靠性，精确测定光学元件的应力尤为重要。典型的测量光学元件应力的方法都是通过测量双折射相位差来间接获取应力信息。
传统的应力双折射定量测量方法有Sénarmont四分之一波片法，单色自然光依次通过起偏器、待测样品、四分之一波片和检偏器。起偏器和检偏器透光轴相互垂直并且分别与四分之一波片快慢轴平行。依次旋转样品和检偏器，寻找消光位置，可以得到样品上的应力双折射相位差。该方法对四分之一波片相位延迟量和旋转角度的精度要求高，检测精度较低。
2009年，田丰贵等人(光学玻璃应力测量装置及测量方法，申请号200910304198.1，申请公布号CN 101592537 A)提出了一种使用横向塞曼激光器构成的共通光路干涉仪的方法测量光学元件应力，该方法采用了光外差原理，通过半透半反镜将激光分成一路反射光和一路透射光。透射光通过半波片、光学玻璃样品和偏振片被探测器一接收；另一路反射光通过偏振片被探测器二接收，通过位相计比较探测器一和探测器二的相位获取样品应力产生的双折射相位差。
2013年，曾爱军等人(四分之一波片相位延迟量的测量装置和测量方法，申请号201310250418.3，申请公布号CN 103335821 A)提出了一种利用光弹调制器和锁相放大器测量波片相位延迟量的方法，准直光源发出的光依次经过圆起偏器，光弹调制器，待测波片和圆检偏器而到达光电探测器。通过锁相放大器检测光电探测器输出的二次谐波分量和直流分量来测量波片相位延迟量。该方法使用了光弹调制器，提高了测量成本。
2015年，谈宜东等人(一种光学材料应力测量***，专利申请号201510409605.0，申请公布号CN 105043612 A)提出了一种利用半外腔激光器的输出偏振态受到光学材料应力双折射调制后的反馈光影响而发生偏振态跳变的现象进行应力双折射测量的方案。外腔长调 谐组件对激光器的输出光进行调制，入射到背面镀了反射膜的待测样品上，从样品背面反射的光回馈进入激光谐振腔使得激光器输出光偏振态发生跳变，通过测量输出信号跳变时间来确定应力双折射的大小，因此测量精度受探测器响应时间的影响。
综上所述，光学元件应力测量方法繁多，各有特点，本发明提出的一种光学元件微小应力的测量方法，具有测量***结构简单，对样品无损伤，易调节，不受光源强度波动影响等优点，相比传统的Sénarmont四分之一波片应力测量方法，测量灵敏度和精度至少提高三个数量级，能满足高精度和高灵敏度光学元件应力测量需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何通过简单可靠的方法对光学元件应力进行无损检测，特别是高精度地测量光学元件微小应力。
为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种光学元件微小应力的测量方法，其特征在于：
(1)所述的测量装置由激光光源1，起偏器2，平凹高反射镜3和5，待测光学元件4，四分之一波片6，检偏器7，聚焦透镜8和光电探测器9构成。激光光源1发出的一束激光经过起偏器2后，形成一束方位角确定的线偏振光。所述线偏振光垂直入射到光学谐振腔中，所述光学谐振腔由两块相同的平凹高反射镜3和5构成稳定的初始直腔，谐振腔腔长为L0；耦合进入光学谐振腔的线偏振激光束在腔内来回反射，并受到所述腔内垂直于激光束放置的待测光学元件4应力双折射的调制，导致激光能量在S偏振和P偏振之间转化；激光束在腔内来回反射的过程中，一部分激光能量通过平凹高反射镜5透射并垂直入射到由四分之一波片6和检偏器7组成的偏振态检测装置。透过检偏器7的激光束被透镜8聚焦并被光电探测器9收集；关断激光器并同时通过探测器9采集得到光腔衰荡信号I(t)。使用非线性多参数拟合方法，将光腔衰荡信号I(t)按公式进行拟合，可得到应力双折射导致的偏振态振荡频率ω，则应力双折射光程差OPD可表示为其中，λ为光源1的激光波长，c为真空光速；L为测试谐振腔腔长，通过公式L＝L0+(n-1)d计算；其中，L0为初始腔长，n为待测光学元件折射率，d为光学元件厚度。通过查阅光学材料的应力-光学常数C和应力-光学公式σ＝C×OPD即可计算得到光学元件的应力σ。
(2)所述的光源1输出的激光光束为TEM00模光束。
(3)所述的起偏器2的透光轴可根据测试需要调节，出射线偏振光方位角可以是0-180度的任意角度。
(4)所述的由平凹高反射镜3和5构成的光学谐振腔为稳定腔，初始谐振腔腔长L0满足0<L0≤2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。
(5)所述的四分之一波片6的快轴角度可根据测试需要调节，快轴方位角可以是0-180度的任意角度。
(6)所述的检偏器7的透光轴可根据测试需要调节，出射线偏振方位角可以是0-180度的任意角度。
(7)所述光学元件为平行平面光学元件，光学元件垂直于激光束放置时前后表面反射光不溢出光学谐振腔。
(8)所述的技术方案中，为方便采集光腔衰荡信号，可采用阈值触发电路监测光电探测器9的输出电压，当采集电压超过阈值电路设定阈值时，关断入射到谐振腔内的激光束并探测光腔衰荡信号。
(9)所述的技术方案中，为方便关断入射到谐振腔内的激光束，可采用方波调制半导体激光器，或使用连续氦氖激光器配合电光开关或声光开关实现激光束的关断。
附图说明
图1为本发明所述技术方案的实施示意图；
图1中：1为He-Ne激光器；2为起偏器；3和5为平凹高反射镜；4为待测光学元件；6为四分之一波片；7为检偏器；8为聚焦透镜；9为光电探测器；10为数据采集和处理计算机；11为阈值触发电路；12为声光开关；13为光阑。图中的实线为光路，虚线为信号线。
图2是未加入样品时采集得到的光腔衰荡信号曲线、单指数拟合曲线和拟合残差曲线。
图3是加入待测样品在测量点处采集得到的光腔衰荡信号曲线、拟合曲线和拟合残差曲线。
具体实施方式
下面结合图1具体描述本发明提出的一种光学元件微小应力的测量方法，然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。具体的实施步骤如下：
(1)搭建初始光腔衰荡***。将图1所示的xyz坐标系定义为实验坐标系，即实验中以此为参考坐标系，其中xz方向在纸面内，y方向为垂直纸面射出方向。
a.调整光源1和声光开关12，使得声光开关出射光束沿实验坐标系z方向射出，并通过光阑13垂直入射到起偏器2中。
b.旋转起偏器2，使得起偏器2透光轴平行y轴，此时，从起偏器2出射的线偏振光方位角为90度。
c.将平凹高反射镜3和5、待测样品4、四分之一波片6、检偏器7移开，调整聚焦透镜8和光电探测器9，使得光电探测器9能探测起偏器2出射的全部光。***检偏器7，旋转检偏器7使得光电探测器9检测信号为零。此时，从检偏器7出射线偏振光方位角为0度。
d.将四分之一波片6***到光路中，旋转四分之一波片6使得其快轴方位角为45度。
e.***平凹高反射镜3和5，构成初始谐振腔，调整谐振腔腔长为L0，此时，可从计算机10观察到初始谐振腔的出射光信号。
f.设定阈值触发电路11的阈值为V0，当探测器9输出电压信号大于V0时，阈值触发电路11发送触发信号至声光开关12和计算机10。此时，声光开关12关闭，激光束被光阑13遮挡，计算机10采集得到初始谐振腔的光腔衰荡信号I0(t)。按单指数模型公式可以很好地拟合衰荡信号I0(t)，确保初始光腔衰荡***不引入干扰。
(2)待测样品应力测量。将待测样品4***到由平凹高反射镜3和5构成的谐振腔内，调整样品4，使得样品4表面平行xy平面也即是保证激光垂直入射到样品4上。
a.设定阈值触发电路11的阈值为V1，当探测器9输出电压信号大于V1时，阈值电路11发送触发信号至声光开关12和计算机10。此时，声光开关12关闭，激光束被光阑13遮挡，计算机10采集得到测试谐振腔衰荡信号I1(t)。将衰荡信号I1(t)按公式进行拟合，可得到应力双折射导致的偏振态振荡频率ω，则应力双折射光程差OPD可表示为其中，λ为光源1激光波长，c为真空光速，L为测试谐振腔腔长，通过公式L＝L0+(n-1)d计算；其中，L0为初始谐振腔腔长，n为待测光学元件折射率，d为光学元件厚度。通过查阅光学材料的应力-光学常数C和应力-光学公式σ＝C×OPD即可求得测量点的应力σ的大小。
b.改变起偏器2的线偏振方位角，并重复步骤a进行多次测量取平均值，可提高应力测量值σ的精度。
总之，本发明提出的技术方案，具有***结构简单，操作简便，无损测量，不受光源强度波动等的影响，相比传统的Sénarmont四分之一波片应力测量方法，测量灵敏度和精度至少提高三个数量级，可高灵敏度和高精度测量光学元件的微小应力。
下面给出本发明检测装置的具体实施例，具体实施例仅用于详细说明本发明，并不限制 本申请权利要求的保护范围。
实例1
本发明实例1中的待测样品是20mm×20mm的方形熔石英基片，厚度2mm。图2是未加入样品时的空腔采集光腔衰荡信号、单指数拟合曲线和残差。图3是待测样品测量点处的采集光腔衰荡信号、拟合曲线和拟合残差，拟合计算得到OPD＝0.0222nm。
Claims (7)
1.一种光学元件微小应力的测量方法，其特征在于：所述的测量装置由激光光源1，起偏器2，平凹高反射镜3和5，待测光学元件4，四分之一波片6，检偏器7，聚焦透镜8和光电探测器9构成。光源1发出的一束激光经过起偏器2后形成一束方位角确定的线偏振光并垂直入射到光学谐振腔中，所述光学谐振腔由两块相同的平凹高反射镜3和5构成稳定的直腔；耦合进入光学谐振腔的偏振激光束在腔内来回反射，并受到腔内垂直于激光束放置的待测光学元件4应力双折射的调制，导致激光能量在S偏振和P偏振之间转化；激光束在谐振腔内来回反射的过程中，一部分激光能量通过平凹高反射镜5透射并垂直入射到由四分之一波片6和检偏器7组成的偏振态检测装置；透过检偏器7的激光束被聚焦透镜8和光电探测器9收集；关断激光器并同时通过探测器9采集得到谐振腔衰荡信号；将采集的衰荡信号输入计算机进行非线性拟合获得表征应力的双折射相位差。
2.根据权利要求1所述的一种光学元件微小应力的测量方法，其特征在于：所述的光源1输出的激光光束为TEM00模光束。
3.根据权利要求1所述的一种光学元件微小应力的测量方法，其特征在于：所述的起偏器2的透光轴可根据测试需要调节，出射线偏振光方位角可以是0-180度的任意角度。
4.根据权利要求1所述的一种光学元件微小应力的测量方法，其特征在于：所述的由平凹高反射镜3和5构成的光学谐振腔为稳定腔，谐振腔腔长L0满足0<L0≤2r，其中r为平凹高反射镜凹面的曲率半径。
5.根据权利要求1所述的一种光学元件微小应力的测量方法，其特征在于：所述的四分之一波片6的快轴角度可根据测试需要调节，快轴方位角可以是0-180度的任意角度。
6.根据权利要求1所述的一种光学元件微小应力的测量方法，其特征在于：所述的检偏器7的透光轴可根据测试需要调节，出射线偏振光方位角可以是0-180度的任意角度。
7.根据权利要求1所述的一种光学元件微小应力的测量方法，其特征在于：所述光学元件为平行平面光学元件，光学元件垂直于激光束放置时前后表面反射光不溢出光学谐振腔。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710826216.7A CN107655599B (zh) | 2017-09-14 | 2017-09-14 | 一种光学元件微小应力的测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710826216.7A CN107655599B (zh) | 2017-09-14 | 2017-09-14 | 一种光学元件微小应力的测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107655599A true CN107655599A (zh) | 2018-02-02 |
| CN107655599B CN107655599B (zh) | 2020-09-22 |
Family
ID=61129743
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710826216.7A Active CN107655599B (zh) | 2017-09-14 | 2017-09-14 | 一种光学元件微小应力的测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107655599B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111386449A (zh) * | 2019-03-22 | 2020-07-07 | 合刃科技（深圳）有限公司 | 曲面检材的应力分析*** |
| CN112345465A (zh) * | 2020-11-06 | 2021-02-09 | 电子科技大学 | 一种基于偏振光腔衰荡的激光晶体热应力双折射系数测量方法 |
| CN112986127A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-06-18 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种透明材料应力光学系数的标定装置 |
| CN113008426A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-22 | 江南大学 | 一种双频定量光弹性测量仪及测量方法 |
| CN113155333A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-07-23 | 浙江清华柔性电子技术研究院 | 应力检测***、方法及装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101592537A (zh) * | 2009-07-10 | 2009-12-02 | 成都光明光电股份有限公司 | 光学玻璃应力测量装置及其测量方法 |
| CN101650226A (zh) * | 2009-09-24 | 2010-02-17 | 清华大学 | 基于激光回馈的光学元件微小位相延迟测量装置 |
| CN103616164A (zh) * | 2013-11-28 | 2014-03-05 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于脉冲激光光源的反射率/透过率综合测量方法 |
-
2017
- 2017-09-14 CN CN201710826216.7A patent/CN107655599B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101592537A (zh) * | 2009-07-10 | 2009-12-02 | 成都光明光电股份有限公司 | 光学玻璃应力测量装置及其测量方法 |
| CN101650226A (zh) * | 2009-09-24 | 2010-02-17 | 清华大学 | 基于激光回馈的光学元件微小位相延迟测量装置 |
| CN103616164A (zh) * | 2013-11-28 | 2014-03-05 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于脉冲激光光源的反射率/透过率综合测量方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 杨秋霞: "连续波腔衰荡光谱技术特性及在气体浓度测量中应用研究", 《中国优秀博士学位论文全文数据库 信息科学辑》 * |
| 祖鸿宇: "偏振光反馈光腔衰荡高反射率测量技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111386449A (zh) * | 2019-03-22 | 2020-07-07 | 合刃科技（深圳）有限公司 | 曲面检材的应力分析*** |
| CN111386449B (zh) * | 2019-03-22 | 2022-03-25 | 合刃科技（深圳）有限公司 | 曲面检材的应力分析*** |
| CN112345465A (zh) * | 2020-11-06 | 2021-02-09 | 电子科技大学 | 一种基于偏振光腔衰荡的激光晶体热应力双折射系数测量方法 |
| CN113008426A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-22 | 江南大学 | 一种双频定量光弹性测量仪及测量方法 |
| CN112986127A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-06-18 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种透明材料应力光学系数的标定装置 |
| CN113155333A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-07-23 | 浙江清华柔性电子技术研究院 | 应力检测***、方法及装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107655599B (zh) | 2020-09-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107655599A (zh) | 一种光学元件微小应力的测量方法 | |
| CN108548658B (zh) | 一种单层膜光学元件应力和光学损耗同时测量的方法 | |
| CN105716756B (zh) | 一种光学材料微观应力空间分布的精确测量装置 | |
| CN105387933B (zh) | 一种宽波段布儒斯特窗口调节装置及方法 | |
| CN109115690A (zh) | 实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪及光学常数测量方法 | |
| CN101398378A (zh) | 一种表面等离子共振的相位测量方法及其测量*** | |
| CN102735430B (zh) | 位相延迟的检测方法及检测装置 | |
| Zhang et al. | Methods for optical phase retardation measurement: a review | |
| CA2293369A1 (en) | Extended range interferometric refractometer | |
| CN111812061A (zh) | 一种折射率测量方法及*** | |
| WO2014067184A1 (zh) | 基于四象限探测器的脉冲气体激光器腔内流场测量装置 | |
| CN110530531B (zh) | 基于迈克尔逊干涉的喷泉型原子重力仪光束相位变化测量装置与方法 | |
| Downs et al. | Bi-directional fringe counting interference refractometer | |
| CN110207822A (zh) | 高灵敏度光学时延估计***、方法及介质 | |
| CN111964873B (zh) | 一种用于保偏光纤的高精度分布式消光比测量方法 | |
| CN113567351A (zh) | 基于量子弱测量的复磁光角测量***及方法 | |
| CN209930263U (zh) | 一种基于偏振选择的不等臂干涉仪测量装置 | |
| CN103471815A (zh) | 一种同时测量高反镜s和p偏振光反射率的方法 | |
| CN109211843B (zh) | 一种太赫兹波反射测量***入射角确定方法及装置 | |
| CN107687935A (zh) | 一种高反射腔镜透过率的标定方法 | |
| CN108760653B (zh) | 一种光谱仪精确测量二氧化硫气体浓度的方法 | |
| JP3131242B2 (ja) | 光ビーム入射角の測定方法、測定装置及び該装置を距離測定に使用する方法 | |
| US10670520B2 (en) | Optical analysis device and optical analysis method | |
| JPH0245138B2 (zh) | ||
| CN112557333A (zh) | 一种光学劈尖装置及测量溶液红外吸收系数的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |