CN104155085B - 大口径取样劈板取样率测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径取样劈板取样率测试装置及测试方法，该装置包括激光器、耦合器、准直扩束镜、分光镜、扫描装置、汇聚镜、第一积分球探测器、第二积分球探测器、量值溯源板以及采集控制计算机；耦合器、准直扩束镜以及分光镜依次设置在激光器的出射光路上；扫描装置、汇聚镜以及第一积分球探测器依次设置在经分光镜所形成的透射光所在的光路上；第二积分球探测器设置在经分光镜所形成的反射光所在的光路上；采集控制计算机分别与第一积分球探测器、第二积分球探测器以及扫描装置相连；被测大口径取样劈板或量值溯源板设置在扫描装置上。本发明可解决传统取样劈板取样率测试时的不足以及提高测试结果置信度。

Description

大口径取样劈板取样率测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于光学测试领域，涉及一种取样率测试装置及方法，尤其涉及一种激光光路中大口径取样劈板取样率测试装置及测试方法。

背景技术

神光Ⅲ主机装置中，测试主光路的参数需要借助光路取样来完成，为保证参数诊断时，主光路能量少受影响，通常采用低取样率光学元件完成。低取样光学元件中，取样劈板作为一种对主光路像质影响小、易加工且在主光路中不产生附加干涉条纹的元件，被大量应用在取样光路中。在激光光路中，取样劈板为了不影响光路，一般采用小角度反射式取样，即第一面低反第二面高透。由于主光路中不同的取样位置，激光的偏振态及取样角均不同，如何准确的测试取样劈板的取样率十分重要。

传统测试方法：一种是采用在线打靶时用两个能量卡计测量，一个能量卡计测试经过劈板透射的光能量，一个能量卡计测试经过劈板反射的光能量，计算取样劈板的取样率。这种方法有两个缺点，第一，在线测量影响主光路的打靶能量，经济性差；第二，能量卡计的检定由计量机构完成，卡计的检定条件和使用条件往往不同，导致传递后的仪器测试结果置信度较低。另一种是在镀膜时采用同材料的小口径元件镀样片，测试样片的取样率来获取取样劈板的取样率。这种方法缺点是在元件的不同区域，膜层的一致性有差异，采用样片取代测量结果更不可靠。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可解决传统取样劈板取样率测试时的不足以及提高测试结果置信度的大口径取样劈板取样率测试装置及测试方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种大口径取样劈板取样率测试装置，其特殊之处在于：所述大口径取样劈板取样率测试装置包括激光器、耦合器、准直扩束镜、分光镜、扫描装置、汇聚镜、第一积分球探测器、第二积分球探测器、量值溯源板以及用于采集第一积分球探测器、第二积分球探测器电压值及控制扫描装置扫描的采集控制计算机；所述耦合器、准直扩束镜以及分光镜依次设置在激光器的出射光路上；所述分光镜将入射至分光镜的激光分为透射光以及反射光；所述扫描装置、汇聚镜以及第一积分球探测器依次设置在经分光镜所形成的透射光所在的光路上；所述第二积分球探测器设置在经分光镜所形成的反射光所在的光路上；所述采集控制计算机分别与第一积分球探测器、第二积分球探测器以及扫描装置相连；被测大口径取样劈板或所述量值溯源板设置在扫描装置上。

上述量值溯源板是表面洁净的已知折射率的量值溯源板。

上述量值溯源板在扫描装置上的位置与被测大口径取样劈板在扫描装置上的位置是重合的。

上述量值溯源板包括反射面，所述被测大口径取样劈板包括取样面；所述量值溯源板设置在扫描装置上的反射面与被测大口径取样劈板设置在扫描装置上的取样面是重合的。

上述第一积分球探测器以及第二积分球探测器均包括接收口；所述扫描装置、汇聚镜以及第一积分球探测器的接收口依次设置在经分光镜所形成的透射光所在的光路上；所述第二积分球探测器的接收口设置在经分光镜所形成的反射光所在的光路上。

一种基于如上所述的大口径取样劈板取样率测试装置的测试方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1)按如上所述的大口径取样劈板取样率测试装置的组成及位置或连接关系组装大口径取样劈板取样率测试装置；

2)开启激光器，使激光器所产生的激光经耦合器耦合至准直扩束镜；

3)将扩束后的激光经分光镜分光，并形成透射光以及反射光；透射光注入到由扫描装置承载的被测大口径取样劈板上，经被测大口径取样劈板反射取样，再经汇聚镜汇聚到第一积分球探测器的接收口，由第一积分球探测器测试经大口径取样劈板反射的光强信息；反射光注入第二积分球探测器的接收口，由第二积分球探测器监视扩束镜输出的光强信息；

4)由采集控制计算机同步采集第一积分球探测器以及第二积分球探测器的电压值；通过采集控制计算机控制扫描装置，使测试系统实现对被测大口径取样劈板的全口径的扫描测量；

5)将表面洁净的已知折射率的量值溯源板置于被测大口径取样劈板的工位，使量值溯源板的前表面与被测大口径取样劈板的取样面重合；根据菲涅尔反射公式计算，得到理论的量值溯源板的反射率为r₀，由第一积分球探测器和第二积分球探测器获取的电压值分别为v₁和v₂；当更换为被测大口径取样劈板时，第一积分球探测器和第二积分球探测器获取的电压值分别为v₁₀′和v₂₀′；则被测大口径取样劈板的在该位置处的取样率为：

一种基于如上所述的测试方法的取样率均匀性测试方法，其特殊之处在于：所述取样率均匀性测试方法包括以下步骤：

1)通过如上所述的大口径取样劈板取样率测试方法对大口径取样劈板的局部位置进行取样率测试；

2)通过扫描的方式使激光束对大口径取样劈板整体进行扫描测量，实现对大口径取样劈板的全口径测量，则第i步扫描时取样劈板的取样率可表示为：

所述大口径取样劈板的平均取样率以及取样率均匀性σ分别为：

本发明的优点是：

本发明利用激光器、耦合器、准直扩束镜、分光镜、扫描装置、汇聚镜、经第一积分球探测器、第二积分球探测器、采集控制计算机组合，采用扫描方式实现对大口径取样劈板取样率的测量；采用第一积分球探测器实时监视激光光源光强信息，第二积分球探测器同步测量取样光强信息强度，消除了激光光源输出能量不稳定对测量结果的影响。采用已知折射率的未镀膜标准片，作为系统量值溯源标准物质，提高了测量的准确度。

附图说明

图1是本发明所提供测试装置的结构示意图；

其中：

1-激光器；2-耦合器；3-准直扩束镜；4-分光镜；5-扫描装置；6-汇聚镜；7-第一积分球探测器；8-第二积分球探测器。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种大口径取样劈板取样率测试装置，该大口径取样劈板取样率测试装置包括激光器1、耦合器2、准直扩束镜3、分光镜4、扫描装置5、汇聚镜6、第一积分球探测器7、第二积分球探测器8、量值溯源板以及用于采集第一积分球探测器以及第二积分球探测器电压值的采集控制计算机；耦合器2、准直扩束镜3以及分光镜4依次设置在激光器1的出射光路上；分光镜4将入射至分光镜4的激光分为透射光以及反射光；扫描装置5、汇聚镜6以及第一积分球探测器7依次设置在经分光镜4所形成的透射光所在的光路上；第二积分球探测器8设置在经分光镜4所形成的反射光所在的光路上；采集控制计算机分别与第一积分球探测器7、第二积分球探测器8以及扫描装置5相连；被测大口径取样劈板或量值溯源板设置在扫描装置上。

量值溯源板是表面洁净的已知折射率的量值溯源板。量值溯源板在扫描装置上的位置与被测大口径取样劈板在扫描装置上的位置是重合的；上述量值溯源板包括反射面，被测大口径取样劈板包括取样面；量值溯源板设置在扫描装置上的反射面与被测大口径取样劈板设置在扫描装置上的取样面是重合的。

第一积分球探测器以及第二积分球探测器均包括接收口；扫描装置、汇聚镜以及第一积分球探测器的接收口依次设置在经分光镜所形成的透射光所在的光路上；第二积分球探测器的接收口设置在经分光镜所形成的反射光所在的光路上。

本发明还提供了一种基于如上所述的大口径取样劈板取样率测试装置的测试方法，该测试方法包括以下步骤：

1)按如上所述的大口径取样劈板取样率测试装置的组成及位置或连接关系组装大口径取样劈板取样率测试装置；

2)开启激光器，使激光器所产生的激光经耦合器耦合至准直扩束镜；

3)将扩束后的激光经分光镜分光，并形成透射光以及反射光；透射光注入到由扫描装置承载的被测大口径取样劈板上，经被测大口径取样劈板反射取样，再经汇聚镜汇聚到第一积分球探测器的接收口，由第一积分球探测器测试经大口径取样劈板反射的光强信息；反射光注入第二积分球探测器的接收口，由第二积分球探测器监视扩束镜输出的光强信息；

4)由采集控制计算机同步采集第一积分球探测器以及第二积分球探测器的电压值；通过采集控制计算机控制扫描装置，使测试系统实现对被测大口径取样劈板的全口径的扫描测量；

5)将表面洁净的已知折射率的量值溯源板置于被测大口径取样劈板的工位，使量值溯源板的前表面与被测大口径取样劈板的取样面重合；此时，材料的折射率、激光的偏振态、入射角度均已知，根据菲涅尔反射公式计算，得到理论的量值溯源板的反射率为r₀，由第一积分球探测器和第二积分球探测器获取的电压值分别为v₁和v₂；当更换为被测大口径取样劈板时，第一积分球探测器和第二积分球探测器获取的电压值分别为v₁₀′和v₂₀′；则被测大口径取样劈板的在该位置处的取样率为：

同时，本发明还提供了一种基于如上所述的测试方法的取样率均匀性测试方法，该取样率均匀性测试方法包括以下步骤：

1)通过如上所述的大口径取样劈板取样率测试方法对大口径取样劈板的局部位置进行取样率测试；

2)通过扫描的方式使激光束对大口径取样劈板整体进行扫描测量，实现对大口径取样劈板的全口径测量，则第i步扫描时取样劈板的取样率可表示为：

大口径取样劈板的平均取样率r以及取样率均匀性σ分别为：

Claims (7)

1.一种大口径取样劈板取样率测试装置，其特征在于：所述大口径取样劈板取样率测试装置包括激光器、耦合器、准直扩束镜、分光镜、扫描装置、汇聚镜、第一积分球探测器、第二积分球探测器、量值溯源板以及用于采集第一积分球探测器、第二积分球探测器电压值及控制扫描装置扫描的采集控制计算机；所述耦合器、准直扩束镜以及分光镜依次设置在激光器的出射光路上；所述分光镜将入射至分光镜的激光分为透射光以及反射光；所述扫描装置、汇聚镜以及第一积分球探测器依次设置在经分光镜所形成的透射光所在的光路上；所述第二积分球探测器设置在经分光镜所形成的反射光所在的光路上；所述采集控制计算机分别与第一积分球探测器、第二积分球探测器以及扫描装置相连；被测大口径取样劈板或所述量值溯源板设置在扫描装置上。

2.根据权利要求1所述的大口径取样劈板取样率测试装置，其特征在于：所述量值溯源板是表面洁净的已知折射率的量值溯源板。

3.根据权利要求2所述的大口径取样劈板取样率测试装置，其特征在于：所述量值溯源板在扫描装置上的位置与被测大口径取样劈板在扫描装置上的位置是重合的。

4.根据权利要求3所述的大口径取样劈板取样率测试装置，其特征在于：所述量值溯源板包括反射面，所述被测大口径取样劈板包括取样面；所述量值溯源板设置在扫描装置上的反射面与被测大口径取样劈板设置在扫描装置上的取样面是重合的。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的大口径取样劈板取样率测试装置，其特征在于：所述第一积分球探测器以及第二积分球探测器均包括接收口；所述扫描装置、汇聚镜以及第一积分球探测器的接收口依次设置在经分光镜所形成的透射光所在的光路上；所述第二积分球探测器的接收口设置在经分光镜所形成的反射光所在的光路上。

6.一种基于权利要求5所述的大口径取样劈板取样率测试装置的测试方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)按权利要求1所述的大口径取样劈板取样率测试装置的组成及位置或连接关系组装大口径取样劈板取样率测试装置；

2)开启激光器，使激光器所产生的激光经耦合器耦合至准直扩束镜；

3)将扩束后的激光经分光镜分光，并形成透射光以及反射光；透射光注入到由扫描装置承载的被测大口径取样劈板上，经被测大口径取样劈板反射取样，再经汇聚镜汇聚到第一积分球探测器的接收口，由第一积分球探测器测试经大口径取样劈板反射的光强信息；反射光注入第二积分球探测器的接收口，由第二积分球探测器监视扩束镜输出的光强信息；

4)由采集控制计算机同步采集第一积分球探测器以及第二积分球探测器的电压值；通过采集控制计算机控制扫描装置，使测试系统实现对被测大口径取样劈板的全口径的扫描测量；

5)将表面洁净的已知折射率的量值溯源板置于被测大口径取样劈板的工位，使量值溯源板的前表面与被测大口径取样劈板的取样面重合；根据菲涅尔反射公式计算，得到理论的量值溯源板的反射率为r₀，由第一积分球探测器和第二积分球探测器获取的电压值分别为v₁和v₂；当更换为被测大口径取样劈板时，第一积分球探测器和第二积分球探测器获取的电压值分别为v₁₀′和v₂₀′；则被测大口径取样劈板的在该位置处的取样率为：

$r_1=\frac{v_{10}^{\′}{v}_2{r}_0}{v_{20}^{\′}{v}_1}.$

7.一种基于权利要求6所述的测试方法的取样率均匀性测试方法，其特征在于：所述取样率均匀性测试方法包括以下步骤：

1)通过权利要求6所述的大口径取样劈板取样率测试方法对大口径取样劈板的局部位置进行取样率测试；

2)通过扫描的方式使激光束对大口径取样劈板整体进行扫描测量，实现对大口径取样劈板的全口径测量，则第i步扫描时取样劈板的取样率可表示为：

$r_i=\frac{v_{1\left(i-1\right)}^{\′}{v}_2{r}_0}{v_{2\left(i-1\right)}^{\′}{v}_1};$

所述大口径取样劈板的平均取样率以及取样率均匀性σ分别为：

$\stackrel{\‾}{r}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{r}_i}{n};$

$\mathrm{\σ}=\frac{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(\stackrel{\‾}{r}-r_i)}^2}}{n\stackrel{\‾}{r}}\×100\%.$