CN102539124B

CN102539124B - 测量pbs偏振膜面偏向角度的装置及方法

Info

Publication number: CN102539124B
Application number: CN201110063329.9A
Authority: CN
Inventors: 樊仲维; 朱光
Original assignee: Beijing GK Laser Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing GK Laser Technology Co Ltd
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: CN102539124A

Abstract

本发明涉及一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置及方法，其中装置包括带有PBS托架的工装支架、放置在工装支架底部的反射镜、设置在工装支架上并分别对反射镜和PBS进行角度调整的第一二维俯仰调节架和第二二维俯仰调节架、与PBS处于同一光路的成像机构，以及对应成像机构设置的显像机构。当入射光射向成像机构时，入射光通过在成像机构、PBS及反射镜的不同的光传播线路在显像机构上显示出若干亮点，调整反射镜对应的第一二维俯仰调节架的二维角度使亮点中最亮的两个亮点重合，得到PBS偏振膜面相对于入射面的偏向角。本发明将所有加工误差考虑进去，提高了测量精度以及激光器量化生产的效率。

Description

测量PBS偏振膜面偏向角度的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置及方法。

背景技术

PBS是偏振分光棱镜的简称，PBS由两个直角三角棱镜组合构成，其中在两个直角三角棱镜的胶合面上镀有特定波长的偏振膜，以便能够使入射光分为P光和S光分别进行传播。

在通常情况下，胶合面和棱镜底面之间成45°，如果胶合面与棱镜底面之间的实际夹角有所偏差，则入射光相对于胶合面的入射角就不在偏振膜的布儒斯特角上，由此必然会大大降低通过晶体后P光和S光的比值，在通常情况下，当掺杂有大量S光的P光通过PBS晶体后，晶体本身作用就降低了。此外，在激光器量化生产中，相应PBS的位置由机架件固定，如果PBS镀膜面偏向角度超过公差，则会引起S光偏转出激光器设计孔位的问题，如果传播距离较长，必然会产生光偏出镜架所能调节范围的情况，由此将对工业化生产产生很大的不便，因此，准确测量PBS偏振膜面和底面(或者水平面)之间的角度显得尤为重要。

目前还没有测量成品PBS晶体内部胶合面偏向角的方案。其最原始的测量方法是在两个三角棱镜没有胶合之前，测量每个三角棱镜的角度，这样斜面和底面之间的夹角可以近似的认为是晶体内部胶合面的偏向角。但是，晶体在镀膜胶合后，可能由于工艺等问题，胶合缝之间会引起误差，使得偏向角度有所改变，由此测量得到的PBS偏振膜面与底面之间的偏向角度并不准确。当偏向角相差很大时，会造成偏振光偏振态不纯的现象，大大影响激光器的出光质量，同时，还会引起指向的偏差，大大降低工业化激光器生产中的生产效率。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置及方法，旨在提高PBS偏振膜面偏向角度的测量精度，进一步提高工业化生成效率。

为了达到上述目的，本发明提出一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置，包括：

带有PBS托架的工装支架，所述PBS托架用于放置PBS；

反射镜，放置在工装支架底部，位于PBS正下方；

第一二维俯仰调节架，设置在工装支架上，用于对反射镜进行角度调整；

第二二维俯仰调节架，设置在工装支架上，用于对PBS进行角度调整；

成像机构，与PBS对应设置；

显像机构，与所述成像机构对应设置；当入射光射向所述成像机构时，入射光通过在成像机构、PBS及反射镜的不同的光传播线路在显像机构上显示出若干亮点，调整所述反射镜对应的第一二维俯仰调节架的二维角度使所述亮点中最亮的两个亮点重合，得到所述PBS偏振膜面相对于入射面的偏向角。

优选地，所述成像机构包括第一分束镜、第二分束镜和凸透镜，入射光的其中一部分依次通过第一分束镜、第二分束镜和凸透镜并在显像机构上形成最亮点。

优选地，所述显像机构包括CCD相机。

优选地，所述反射镜采用银镜，所述第一二维俯仰调节架位于所述银镜下方。

优选地，所述PBS托架上位于所述PBS正下方设有通光孔。

优选地，所述CCD相机与计算机连接，并采用计算机来分析所述亮点的位置。

优选地，所述第一分束镜为1∶1分束镜；所述第二分束镜为1∶9分束镜。

优选地，所述凸透镜焦距f＝150mm；所述银镜的表面形变小于1/6λ。

优选地，所述CCD相机前放置有衰减片。

本发明还提出一种测量PBS偏振膜面偏向角度的方法，包括以下步骤：

通过调节第一二维俯仰调节架、第二二维俯仰调节架分别使反射镜以及PBS保持水平；

将入射光照射于成像机构的第一分束镜，所述入射光通过在第一分束镜、第二分束镜、凸透镜、PBS以及反射镜内的不同的光传播线路而在CCD相机上成像多个亮点；

选取上述多个亮点中最亮和次亮的两个亮点；

观察CCD相机的显示屏，同时调整所述反射镜对应的第一二维俯仰调节架的二维角度，使所述最亮和次亮的两个亮点重合；所述第一二维俯仰调节架在X，Y方向上的相对偏移角即为PBS偏振膜面相对于入射面的偏向角。

优选地，所述入射光照射于成像机构的第一分束镜时，入射光的一部分依序经过第一分束镜、第二分束镜以及凸透镜并在CCD相机上成像一个亮点，这时调节凸透镜与CCD相机的距离，使该亮点成像最小。

本发明提出的一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置及方法，入射光通过成像机构、PBS和反射镜在CCD相机上成像的最亮的两个亮点进行比较与并进行位置调整，将所有的加工误差考虑进去，从整体上方便快捷、准确的测量得到PBS偏振膜面的偏向角度，提高了PBS偏振膜面偏向角度的测量精度；而且本发明能够检测出已经成品的PBS镀膜面相对于其入射面的偏向角度，能够在激光器生产中提出其量化指标，对于公差范围以外的晶体不予以使用，这样能够极大地提高激光器量化生产的效率。同时为PBS厂家提供了一种新的出厂检测方法和途径，为工业化生产中每个PBS的安装提供相应的参考信息，有利于PBS生产过程的管理和控制。另外，本发明装置也可以测量那些不易拆卸的内部具有反射面的透明物体的相对角度。

附图说明

图1是本发明测量PBS偏振膜面偏向角度装置的示意图；

图2是本发明测量PBS偏振膜面偏向角度方法的流程示意图。

为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述。

具体实施方式

本发明实施例解决方案主要是通过利用光路可逆性原理，配合使用高精度阵列CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)相机，对入射光在CCD相机上成像的两个亮点进行位置调整，以测量PBS偏振膜面的实际偏向角，将所有的加工误差考虑进去，从整体上测量得PBS偏振膜面的偏向角度，以提高了PBS偏振膜面偏向角度的测量精度。

如图1所示，本发明一个实施例提出一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置，包括：带有PBS托架5的L型工装支架6，PBS托架5用于放置PBS 4、设置在工装支架6底部且位于PBS 4正下方的反射镜8、设置在工装支架6上并分别对反射镜8和PBS 4进行角度调整的第一二维俯仰调节架7和第二二维俯仰调节架10、与PBS 4处于同一光路的成像机构，以及对应成像机构设置的显像机构。当入射光线射向成像机构时，入射光通过成像机构、PBS 4与反射镜8形成不同的光传播线路，一部分入射光线在成像机构中成像；另一部分入射光线透过成像机构射向PBS 4，经PBS 4偏振膜面反射至反射镜8，经反射镜8再次反射，入射至成像机构，经成像机构在显像机构上显示出若干亮点，调整反射镜8对应的第一二维俯仰调节架7的二维角度使上述各亮点中最亮和次亮的两个亮点重合，得到PBS 4的偏振膜面相对于入射面的偏向角；该PBS4的偏振膜面相对于入射面的偏向角即为第一二维俯仰调节架7在X，Y方向上的相对偏移角度。

在本实施例中，成像机构包括第一分束镜1、与第一分束镜1同光路设置的第二分束镜9和凸透镜3，入射光的其中一部分依次通过第一分束镜1、第二分束镜9和凸透镜3并在显像机构上形成最亮点。

本实施例中，显像机构包括CCD相机2，放置于凸透镜3的焦点上；凸透镜3位于第二分束镜9与CCD相机2之间，一部分入射光经过第二分束镜9反射至凸透镜3，在显像机构上形成最亮点；另一部分入射光经过第二分束镜9透射至PBS 4的偏振膜面上，经PBS 4的偏振膜面的光垂直反射进入反射镜8，根据光路的可逆性，进入反射镜8的光线经过反射镜8的反射，通过PBS4以及第二分束镜9等照射到第一分束镜1上，在第一分束镜1上部分光反射，部分光透射，其中反射回来的光，传播到第二分束镜9上然后会反射进CCD相机2上，这时在CCD相机2上会形成两个主要的亮点。本实施例CCD相机2与计算机连接，并采用计算机来分析亮点的位置。

在本实施例中，第二分束镜9为1∶9分束镜，即为10％反射，90％透射的分束镜，并按相应工作角度放置；第一分束镜1为1∶1分束镜或者50％反射的镜片；凸透镜3可以采用焦距f＝150mm的透镜；CCD相机2为阵列CCD，其中像素间距越小越好，在设计时可以采用分辨率为1024×1024，像素间距为13um的CCD。同时CCD配有相应软件连接到计算机上，这样可以分析采集到的图像。在实际测量时，由于采用的是连续激光，所以CCD数据的采集可以内触发连续采集。其中为了防止CCD被打坏，在使用CCD的时候，其前面需放置衰减片。

本实施例中反射镜采用银镜8，在银镜8下方设置用于调节亮点位置的第一二维俯仰调节架7。第一二维俯仰调节架7带有刻度，其在X，Y两个方向的读数精度可以为0.02°，误差调节范围可以为±5°，如果测量其他透明物体，其测量角度的范围可以相应的变化。银镜8的表面形变小于1/6λ。

在本实施例中，PBS托架5上位于PBS 4正下方设有通光孔11。该通光孔11的大小可以根据PBS 4的大小来改变，比如可以设计为7.5mm×7.5mm。

理论上，工装支架6与PBS托架5之间的距离越远测量结果越精确，在实际设计时，工装支架6与PBS托架5之间的距离可以为150mm。

在本实施例中，结合水平仪调节PBS 4水平位置精度的第二二维俯仰调节架10设置在PBS 4的下方，如图1所示。

通常PBS 4具有各种尺寸，下面以30mm×30mm×30mm的PBS 4为例对本发明技术方案进行详细说明。在测量时，为了更真实的模拟实际应用情景，使用PBS 4本身的工作波长(1064nm或者1053nm)，具体以波长为1053nm为例说明PBS 4偏振膜面偏向角的测量原理如下：

首先，调节激光器出射的1053nm光使其严格的平行于光学平台(未图示)。其中出射光线的中心高可以根据不同的PBS 4来进行调节，在本实例中，PBS 4为30mm×30mm×30mm，可以采用中心高为215mm。在测量时，使用水平偏振方光进行测量。

然后，将水平仪(未图示)放置在PBS托架5上，调节其俯仰调节架(即本实施例中所指第二二维俯仰调节架10，使其保持严格的水平，同时也平行于光学平台(通常光学平台均已水平校准过)。然后将水平仪放置到银镜8上，通过第一二维俯仰调节架7将银镜8调节水平。

1053nm的入射光通过第一分束镜1后，一部分被反射回去，其余部分透射。透射部分的光通过第二分束镜9后，小部分反射到凸透镜3上，大部分透射过第二分束镜9。将CCD相机2放置到凸透镜3的焦点上，适当的调节CCD相机2和凸透镜3的相对位置即两者距离，使其成像最小。

通过第二分束镜9后的线偏振光入射到PBS 4上面，由于入射光的偏振方向相对于偏振膜为S光方向，所以大部分光均垂直向下传播。向下传播的光照射到银镜8上，然后会反射回来，根据光路的可逆性，反射回来的光通过PBS 4，第二分束镜9等照射到第一分束镜1上。在第一分束镜1上部分光反射，部分光透射，其中反射回来的光，传播到第二分束镜9上然后会反射进CCD相机2上，这时在CCD相机2上面会形成两个主要的亮点，也可能会形成多个亮点，则选取其中最亮的两个亮点。

观察CCD相机2的显示屏，通过调节第一二维俯仰调节架7的二维角度，使两个亮点重合。这时第一二维俯仰调节架7在X，Y方向的相对偏移角，即为PBS4的偏振膜面相对于水平面的偏向角。

本实施例利用光路可逆性原理，配合使用高精度阵列CCD相机2，将PBS 4考虑成一个黑盒子，不管其中间过程，而使用实际光线测量其偏向，得到的结果将所有的加工误差考虑进去，即为PBS 4偏振膜面实际偏向角度的结果。通过本发明本技术方案能够检测出已经成品PBS 4镀膜面相对于其入射面的偏向角度，能够在激光器生产中提出其量化指标，对于公差范围以外的晶体不予以使用，这样能够极大地提高激光器量化生产的效率。同时为PBS 4厂家提供了一种新的出厂检测方法和途径，有利于PBS 4生产过程的管理和控制。同时，本发明装置也可以测量那些不易拆卸的、内部具有反射面的透明物体的相对角度。

如图2所示，本发明实施例提出一种采用上述装置测量PBS偏振膜面偏向角度的方法，包括：

步骤S101，通过调节第一二维俯仰调节架、第二二维俯仰调节架分别使反射镜以及PBS保持水平；

步骤S102，将入射光照射于成像机构的第一分束镜，入射光通过在第一分束镜、第二分束镜、凸透镜、PBS以及反射镜内的不同的光传播线路而在CCD相机上成像多个亮点；

本实施例中入射光经过调节测试，保证其水平入射到系统当中。

步骤S103，选取上述多个亮点中最亮和次亮的两个亮点；

步骤S104，观察CCD相机的显示屏，同时调整反射镜对应的第一二维俯仰调节架的二维角度，使最亮和次亮的两个亮点重合；第一二维俯仰调节架在X，Y方向上的相对偏移角即为PBS偏振膜面相对于入射面的偏向角。

本发明实施例测量PBS偏振膜面偏向角度的装置及方法，通过对入射光在CCD相机上成像的最亮的两个亮点进行比较与位置调整，将所有的加工误差考虑进去，从整体上方便快捷、准确的测量得到PBS偏振膜面的偏向角度，提高了PBS偏振膜面偏向角度的测量精度；而且本发明能够检测出已经成品的PBS镀膜面相对于其入射面的偏向角度，能够在激光器生产中提出其量化指标，对于公差范围以外的晶体不予以使用，这样能够极大地提高激光器量化生产的效率。同时为PBS厂家提供了一种新的出厂检测方法和途径，为工业化生产中每个PBS的安装提供相应的参考信息，有利于PBS生产过程的管理和控制。另外，本发明装置也可以测量那些不易拆卸的内部具有反射面的透明物体的相对角度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置，其特征在于，包括：

带有PBS托架的工装支架，所述PBS托架用于放置PBS；

反射镜，放置在工装支架底部，位于PBS正下方；

成像机构，与PBS对应设置；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成像机构包括第一分束镜、第二分束镜和凸透镜，入射光中的其中一部分依次通过第一分束镜、第二分束镜和凸透镜，并在显像机构上形成最亮点。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显像机构包括CCD相机。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述反射镜采用银镜，所述第一二维俯仰调节架位于所述银镜下方。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述反射镜采用银镜，所述第一二维俯仰调节架位于所述银镜下方。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述PBS托架位于所述PBS正下方，并设有通光孔。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述PBS托架位于所述PBS正下方，并设有通光孔。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述CCD相机与计算机连接，并采用计算机来分析所述亮点的位置。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一分束镜为1：1分束镜；所述第二分束镜为1：9分束镜。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述凸透镜焦距f=150mm；所述银镜的表面形变小于1/6λ。

11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述CCD相机前放置有衰减片。

12.一种根据权利要求2所述的装置测量PBS偏振膜面偏向角度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

选取上述多个亮点中最亮和次亮的两个亮点；

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述入射光照射于成像机构的第一分束镜时，入射光的一部分依序经过第一分束镜、第二分束镜以及凸透镜并在CCD相机上成像一个亮点，这时调节凸透镜与CCD相机的距离，使该亮点成像最小。