CN102607814A - 一种光学元件各向异性检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学元件各向异性检测装置，它包括激光器、回馈外腔、信号控制系统和信号处理系统，所述激光器包括激光增益管，所述激光增益管的轴线左侧设置内腔凹面反射镜，所述激光增益管的轴线右侧依次设置增透窗片和外腔平面反射镜，所述外腔平面反射镜与设置在所述外腔平面反射镜右侧的回馈镜构成所述回馈外腔；其特征在于：它还包括一加力元件，所述加力元件的径向设置有一个以上的螺纹孔，所述加力元件通过螺钉穿过所述螺纹孔顶设在所述增透窗片上。本发明可以广泛应用于采用激光回馈测量法对光学元件各向异性的检测中。

Description

一种光学元件各向异性检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测光学元件参数的装置，特别是关于一种光学元件各向异性检测装置。

背景技术

光学元件各向异性包括天然双折射材料或人工双折射材料形成的各向异性，如波片的位相延迟，也包括各向同性光学元件由于加工过程中引入的残余应力造成的应力双折射。其中，波片位相延迟的测量精度直接影响到整个系统的精度，光学元件内部的残余应力对光学系统的成像质量、像差等有着重要的影响。因此，精确测定光学元件的各向异性具有非常重要的意义。现有技术中对光学元件各向异性的检测通常是采用光学元件的各向异性引起的偏振态相互垂直的两束光的位相差表示，常用的检测方法有旋转消光法、电光调制法、磁光调制法、旋转检偏器法、光学外差干涉法和激光频率分裂测量法，由于上述这些测量方法存在测量设备昂贵，对检测光学元件样品要求高和检测精度低等问题，因此在实际生产应用中受到限制。为了满足光学元件各向异性的检测精度要求，现有技术中有人提出了采用激光回馈测量法对光学元件的各向异性进行检测，激光回馈测量法的检测精度可以达到0.5°。

采用激光回馈测量时将光学元件放置在激光器的回馈外腔中，当回馈外腔的腔长变化时，激光的偏振态发生跳变，通过测量激光偏振态跳变后的相互垂直的两束光的占空比，实现对光学元件各向异性的检测。但是由于激光器内部存在模竞争，如果放置在回馈外腔内需要测量的光学元件各向异性非常小，改变回馈外腔的腔长时，激光的偏振态并不会发生跳变，即对光学元件的各向异性无法检测，因此激光回馈测量方法存在测量盲区，经过试验发现测量盲区为位相延迟0°～15°和165°～180°两个区间，当光学元件各向异性的大小位于测量盲区，激光回馈测量法无法对此光学元件各向异性的大小进行精确测量。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种无测量盲区的光学元件各向异性检测装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种光学元件各向异性检测装置，它包括激光器、回馈外腔、信号控制系统和信号处理系统，所述激光器包括激光增益管，所述激光增益管的轴线左侧设置内腔凹面反射镜，所述激光增益管的轴线右侧依次设置有增透窗片和外腔平面反射镜，所述外腔平面反射镜与设置在所述外腔平面反射镜右侧的回馈镜构成所述回馈外腔；其特征在于：它还包括一加力元件，所述加力元件的周向设置有一个以上的螺纹孔，所述加力元件通过螺钉穿过所述螺纹孔顶设在所述增透窗片上。

所述加力元件的形状根据所述增透窗片的形状确定。

所述加力元件采用变形小的金属材料制作而成。

所述信号控制系统包括固定设置在所述回馈镜外侧的压电陶瓷和控制所述压电陶瓷伸缩运动的驱动电路；所述信号处理系统包括一偏振片、两探测器、一采集模块和一信号处理模块，所述偏振片设置在所述信号控制系统的压电陶瓷的出光方向，两所述探测器分别设置在所述内腔凹面反射镜和偏振片的出射激光的方向探测激光光强信号和激光偏振态信号，所述采集模块分别控制两所述探测器将采集的激光光强信号和激光偏振态信号发送到所述信号处理模块，所述信号处理模块对激光光强信号和激光偏振态信号进行计算得到待测的光学元件各向异性的大小。

两所述探测器的输出端分别连接有一示波器，用于显示激光的光强信号和激光的偏振态信号

测量时，待测的光学元件放置在所述回馈外腔的外腔平面反射镜与所述回馈镜之间。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在现有的激光回馈测量系统的增透窗片上套设一加力元件，加力元件的周向设置有一个以上的螺纹孔，加力元件通过螺钉穿过螺纹孔对增透窗片施加力，因此增大了激光器的频差，减小了模竞争，能够实现对光学元件微小各向异性的测量，有效消除了激光回馈测量法的测量盲区。2、测量时，本发明将光学元件放置在回馈外腔中，位于激光器谐振腔外，因此对待测的光学元件样品的要求低，样品表面只需要简单抛光，且对样品大小和损耗也没限制。3、本发明由于采用偏振跳变原理进行测量，相对于基于消光点的判断进行测量的方法，有更高的测量精度。本发明可以广泛应用于采用激光回馈测量法对光学元件各向异性的检测中。

附图说明

图1是激光器在2M Hz频差时，光学元件各向异性在15°位相延迟时的有效增益随外腔长的变化曲线，

为e光有效增益，为o光有效增益，横坐标为外腔长变化，单位为m，纵坐标为激光器的有效增益；

图2是激光器在9M Hz频差时，光学元件各向异性在15°位相延迟时的有效增益随外腔长的变化曲线，

为e光有效增益，

为o光有效增益，横坐标为外腔长变化，单位为m，纵坐标为激光器的有效增益；

图3是激光器在30M Hz频差时，光学元件各向异性在1.37°位相延迟时的有效增益随外腔长的变化曲线，为e光有效增益，

为o光，横坐标为外腔长变化，单位为m，纵坐标为激光器的有效增益；

图4是本发明的光学元件各向异性检测装置的结构示意图；

图5是本发明实施例的激光回馈外腔各向异性偏振跳变波形曲线，纵坐标分别表示驱动电压和示波器输出的电压值，单位为v，横坐标为扫描时间，单位为ms。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

若将具有各向异性的光学元件放置在激光器谐振腔中，可以将激光器发出的激光分裂成两个本征模式偏振方向相互垂直的两束光，这两种光通常以o光和e光表示。在激光半经典理论中，激光模式能否震荡，取决于两个条件：

α_o＞0，α_e＞0

${{\mathrm{\α}}^{\′}}_o={\mathrm{\α}}_o-{\mathrm{\α}}_e\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{oe}}}{{\mathrm{\β}}_e}>0,$ ${{\mathrm{\α}}^{\′}}_e={\mathrm{\α}}_e-{\mathrm{\α}}_o\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{eo}}}{{\mathrm{\β}}_o}>0---\left(1\right)$

式中，α_o、α_e是o光和e光的净增益系数，α′_o、α′_e是o光和e光的有效增益系数，β_o、β_e是o光和e光的光强自饱和系数，θ_oe、θ_eo是光强互饱和系数。

激光回馈测量法是将具有各向异性的光学元件放置在激光回馈外腔中进行测量，当激光回馈外腔的腔长变化时，激光器的净增益和有效增益会受到调制，通常情况下，激光回馈外腔的腔长变化时，激光器两个偏振态相互垂直的本征模式的净增益始终保持大于0，且o光和e光的有效增益随外腔长度的调制幅度很大，在外腔内光学元件的各向异性比较大时，o光和e光的有效增益呈余弦规律变化，振幅在0上下波动。通过分析发现，有效增益大小分别与外腔光学元件各向异性大小、两相互垂直偏振光的频差大小和外腔长三个因素相关。

如图1～3所示，对于半外腔激光器，两相互垂直的偏振光的频差在2M Hz时，将15°位相延迟的光学元件放置在外腔中，则o光和e光的有效增益随外腔长变化曲线如图1所示，从图1中可以看到，此时o光和e光的有效增益均小于0，半外腔激光器只保持一种偏振态，不会发生跳变，这就是说激光回馈测量法无法对位相延迟小于15°的光学元件进行检测。如果增大o光和e光两者的频差，当外腔长度变化时o光和e光的有效增益的调制幅度就会发生变化，当o光和e光两者的频差为9M Hz时，光学元件各向异性为15°时，o光和e光的有效增益随外腔长变化曲线如图2所示，从图2中可以看到，此时o光和e光的有效增益会有大于0的时刻出现，即激光偏振态会发生跳变；如果要实现对0°左右位相延迟的光学元件的测量，需要增大o光和e光的频差，当o光和e光的频差为30M Hz、光学元件各向异性为1.37°时，o光和e光的有效增益随外腔长变化曲线如图3所示，从图3中可以看到，o光和e光的有效增益峰值有大于0的情况出现，激光偏振态在A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K和L处发生跳变。

综合上述理论分析，如果增大激光两个相互垂直偏振态的频差，就可以减小激光器两模式间的相互耦合，使偏振态在光学元件各向异性非常小的情况下也发生偏振态跳转，可以对光学元件的各向异性的大小进行测量。

如图4所示，基于上述原理，本发明的光学元件各向异性检测装置包括一与现有技术相同的激光回馈测量系统，激光回馈测量系统包括激光器、回馈外腔、信号控制系统和信号处理系统。激光器用于为检测光学元件各向异性提供测量光，包括激光增益管1，激光增益管1的轴线左侧设置内腔凹面反射镜2，激光增益管的轴线右侧依次设置有增透窗片3和外腔平面反射镜4；外腔平面反射镜4与设置在外腔平面反射镜右侧的回馈镜5构成回馈外腔，回馈外腔对激光器的本征偏振态的增益进行调制，实现激光偏振跳变；信号控制系统包括固定设置在回馈镜5外侧的压电陶瓷6和控制压电陶瓷伸缩运动的驱动电路7，信号处理系统8包括一偏振片81、两探测器82、83、一采集模块和一信号处理模块(图中未示出)，偏振片81设置在压电陶瓷6的出光方向，探测器82、83分别设置在内腔凹面反射镜2和偏振片81的出射激光的方向探测激光光强信号和激光偏振态信号，采集模块分别控制两探测器82、83将采集的激光光强信号和激光偏振态信号发送到信号处理模块，信号处理模块对激光光强信号和激光偏振态信号进行计算得到待测的光学元件各向异性的大小。

本发明的特点在于：还包括一加力元件9，加力元件9的周向设置有一个以上的螺纹孔，加力元件9通过若干螺钉穿过螺纹孔件套设在增透窗片3上，使用时通过控制螺钉旋入螺纹孔顶设增透窗片3对其施加力改变激光器的频差。

上述实施例中，加力元件9的形状根据增透窗片3的形状来确定，如果增透窗片3采用圆柱形，则将加力元件9的形状设置为圆环，在圆环的径向设置一个以上的螺纹孔；如果增透窗片3采用长方体，则将加力元件9的形状设置为中空长方形，在中空长方形的加力元件9周向设置一个以上的螺纹孔，如果增透窗片3的形状采用其它形状，则加力元件9采用与增透窗片相对应的形状，加力元件9可以采用殷钢或其它变形小的金属材料制作。

上述各实施例中，频差的大小不仅与螺钉施加到增透窗片3上的力大小有关，还与测量所选择的激光器有关，因此测量前需要通过控制加力元件9施加到增透窗片3上的力的大小确定所选用的激光器的频差大小。

上述各实施例中，为了方便查看激光的光强信号和激光的偏振态信号，两个探测器82、83的输出端分别连接有一示波器10、11，用于显示激光的光强信号和激光的偏振态信号。

上述各实施例中，所有的光学仪器和光学器件均采用外部的支架进行固定即可。

下面通过具体实施例进一步说明采用本发明的光学元件各向异性检测装置对光学元件的各向异性的检测方法，包括以下步骤：

1)开始测量前，首先将一频谱仪放置在增透窗片3的出射激光的方向，打开激光器使激光器出射激光，此时将加力元件9套设在增透窗片3上，并通过螺钉穿过螺纹孔顶设增透窗片3向其施加力，在螺钉向增透窗片3施加力的过程中观察频谱仪显示的激光频差大小，当频谱仪中的数值显示到所需要的频差时，螺钉停止向增透窗片3施加力。

本发明的实施例采用一半外腔激光器，激光增益管内充满He-Ne气体，气体比例为9∶1，Ne同位素比例为：Ne²⁰∶Ne²²＝1∶1，半外腔激光器的内腔凹面反射镜2和外腔平面反射镜3的反射率分别为99.8％和98.8％，半外腔激光器的谐振腔的腔长为150mm，通过加力元件9施加力到增透窗片3，频谱仪中的数值显示的频差为30MHZ时，螺钉停止向增透窗片3施加力。

2)调节激光器外腔的腔长，并调节回馈镜5的倾斜方向，使激光返回到激光器的谐振腔中，然后调节偏振片81的方向，使偏振片81处于消光的位置，此时将待测的各向异性光学元件12竖直放置在外腔平面反射镜4与回馈镜5之间的激光传播方向上，并以激光传播方向为旋转轴旋转此光学元件12，使光学元件12的快轴方向与激光偏振方向平行。

3)驱动电路7发送信号压电陶瓷6，压电陶瓷6在周期性的驱动电压的驱动下做伸缩运动，同时采集模块控制其中一个探测器82将采集的经内腔凹面反射镜2透射出的光发送到信号处理模块，同时控制另外一个探测器83将经偏振片81后的光发送到信号处理模块。

4)信号处理模块对光强信号和偏振态信号进行计算处理得到待测光学元件12各向异性大小，光学元件12在应用中会产生应力双折射，而应力双折射的大小用位相延迟来衡量，所以位相延迟表示光学元件各向异性的大小。

如图5所示，图中1和1′分别是位相延迟为83.4°的光学元件12时，两个探测器82、83探测的光强信号和偏振态信号；2和2′分别是位相延迟为32.51°的光学元件12时，两个探测器82、83探测的光强信号和偏振态信号；3和3′分别是位相延迟为124.71°的光学元件12时，两探测器82、83探测的光强信号和偏振态信号。其中，从波形1′、2′和3′中可以看出偏振态信号的电压只有两个值，因此这两个电压值分别对应相互垂直的两个偏振态。光学元件各向异性引起的位相延迟与偏振跳变的关系为：

式中，B点为A点的等光强点，δ为光学元件各向异性引起的位相延迟大小，tBA为光强曲线上B点和A点对应的压电陶瓷6扫描时间间隔，t_DC为光强曲线上D点和C点对应的扫描时间间隔。

上述各实施例仅用于说明本发明，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种光学元件各向异性检测装置，它包括激光器、回馈外腔、信号控制系统和信号处理系统，所述激光器包括激光增益管，所述激光增益管的轴线左侧设置内腔凹面反射镜，所述激光增益管的轴线右侧依次设置有增透窗片和外腔平面反射镜，所述外腔平面反射镜与设置在所述外腔平面反射镜右侧的回馈镜构成所述回馈外腔；其特征在于：它还包括一加力元件，所述加力元件的周向设置有一个以上的螺纹孔，所述加力元件通过螺钉穿过所述螺纹孔顶设在所述增透窗片上。

2.如权利要求1所述的一种光学元件各向异性检测装置，其特征在于：所述加力元件的形状根据所述增透窗片的形状确定。

3.如权利要求1所述的一种光学元件各向异性检测装置，其特征在于：所述加力元件采用变形小的金属材料制作而成。

4.如权利要求2所述的一种光学元件各向异性检测装置，其特征在于：所述加力元件采用变形小的金属材料制作而成。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种光学元件各向异性检测装置，其特征在于：所述信号控制系统包括固定设置在所述回馈镜外侧的压电陶瓷和控制所述压电陶瓷伸缩运动的驱动电路；所述信号处理系统包括一偏振片、两探测器、一采集模块和一信号处理模块，所述偏振片设置在所述信号控制系统的压电陶瓷的出光方向，两所述探测器分别设置在所述内腔凹面反射镜和偏振片的出射激光的方向探测激光光强信号和激光偏振态信号，所述采集模块分别控制两所述探测器将采集的激光光强信号和激光偏振态信号发送到所述信号处理模块，所述信号处理模块对激光光强信号和激光偏振态信号进行计算得到待测的光学元件各向异性的大小。

6.如权利要求5所述的一种光学元件各向异性检测装置，其特征在于：两所述探测器的输出端分别连接有一示波器，用于显示激光的光强信号和激光的偏振态信号。

7.如权利要求1或2或3或4或6所述的一种光学元件各向异性检测装置，其特征在于：测量时，待测的光学元件放置在所述回馈外腔的外腔平面反射镜与所述回馈镜之间。

8.如权利要求5所述的一种光学元件各向异性检测装置，其特征在于：测量时，待测的光学元件放置在所述回馈外腔的外腔平面反射镜与所述回馈镜之间。 

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