CN1030543C - 互补光束波面检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种互补光束波面检测仪，由于本检测仪采用特制的含有全透射光区和全反射光区的光束分割元件，它将入射光束分割成空间互补的透射和反射两束光，两束光分别被同时连接到差分电路和相加电路上的两探测器接收，再经放大电路到显示系统上，所以它具有测量精度高、用途广的优点。

Description

本发明是一种光学波面检测仪。

光学波面检测仪在经典光学仪器检验和现代非线性光学测量中占有极其重要的地位。它可以用于检验光学仪器中实际光学波面相对理想波面的偏差，从而使人们得以改进光学仪器的设计和加工过程，同样它还可以检验在光学系统中由于增加一些光学元件或光学元件本身对光学波面的影响所导致的波面变化，通过一些简单的数学分析，从波面的变化量可以推算许多其它需要测量的物理量，使其光学波面检测仪还可用于间接测量上。

在已有的波面检测技术中，用参考波面和被检波面干涉法检测微小位移或长度（如：美国专利No.3720471），检测微小夹角（如专利NO.SU-811-070），检测相干性（如美国专利No.4536089）。但是过去很少有人把光学波面检测用于高精度光学非线性测量，近来M.Sheik-Bakae等人（QplLen，Vd.14，P.955，1989）采用波面检测方法测量了材料的非性线析射率。

但是M.Sheik-Bahae等人的方法中，当波面变化时，是将变化的波面入射到一个小孔光栏上用小孔法，观察或测量透过率的变化，在实际测量中，透过率的初值，即当入射到小孔光栏上的波面没有变化时，小孔的透过率不可能为零，因此在波面变化时，每次测得的是透过率的初值和变化量的和，所以这对透过率变化量的动态范围产生很大的限制，使测量精度难以提高，同时在这种测量方法中，只有当小孔的大小趋于零时，灵敏度才最高。显然无法通过 改变小孔的大小无限制地增高灵敏度，因为当小孔小到一定时很难找到更高灵敏度的光电探测器。

本发明的目的是为了提高动态光学波面变化量的测量精度，它既可以测量波面的动态微小变化，又可以测量入射光功率的变化或被测光学元件对光功率的动态调制，还可测量光学样品的非线性折射率，及非线性和线性吸收系数等。

图1给出了互补光束波面检测仪的结构示意图。它由三大部分构成，第一部分是光源。最好是单色相干光，通常选择激光器作为光源;第二部分是本发明的核心。由一个光束分割元件和一个会聚透镜构成，从光源入射到透镜的光束会聚后发散，然后由光束分割元件分割成空间位置上互补的两束光，其中一束为反射光束，另一束为透射光束：第三部分为光电接收及数据处理-显示系统。它由三个光电探测器D₁、D₂和D₃，差分电路，相加电路，放大电路和显示系统组合而成。

具体的构成是从作为光源的激光器发出的激光经分光镜后分成反射光束和透射光束，反射光束被作为监视光束经透镜L₃会聚到光电探测器D₃上;透射光束经过聚焦透镜L₂后（焦距为f₃）会聚再发散后有一光束分割元件，它将光束分割成透射和反射两束空间互补光束，分别被光电探测器D₁和D₂所接收，光电探测器D₁和D₂的输出同时接到差分电路和相加电路上，差分和相加两电路的输出分别连接有放大电路，放大电路的输出送显示系统上。如图1所示。

所说的显示系统可以是一个示波器，或是经A/D变换电路进行A/D变换后接数字显示器，或是把数字信号直接送微型计算机后进 行处理和输出。

在初始状态，即波面恒定不变时，差分电路输出信号为零，因为透射光束和反射光束的光通量相等。当波面有变化时，差分信号不再为零，此时两个互补光束的光通量也就不再相等，由此可以测出波面的变化。

本发明仪器的核心是光束分割元件，它的结构完全不同于普通的光束分光镜，它把入射光束分割成两束光，一束为透射光束，另一束为反射光束，是因为它的元件上有两个区域，一个是全透射光区，一个为全反射光区，两个区域由一条闭合曲线分开，此闭合曲线的形状是根据入射光束的不同而不同，可以是椭圆形或是长方形或是菱形的闭合曲线。不过它总是和入射到光束分割元件上的光束被此光束分割元件所在平面截出的光斑的边界线相似。例如入射到光束分割元件上的是一束最一般的圆对称发散（或会聚）光束（当然也可以是平行光），则光束分割元件所在平面与光束相割时，得到的全光斑的边界线是一个椭圆形（如图2所示）。由此可知光束分割元件中心为全透射光区和它周围的全反射光区的交界线也是一个小椭圆，小椭圆的长短半轴显然比全光斑椭圆的长短半轴小，而两者是成比例的。小椭圆的短轴可以由以下条件来确定，当初始静态时光束分割元件要使光束通过它之后形成的透射光和反射光具有相同的光通量，这可以用下面方程精确描述：

I是Z＝0处的光强，是（x，y）的函数，在圆对称的情况下是R的函数， （x，y，z）是空间座标，座标轴是这样选定的，沿透射光束的光轴方向为z轴的方向，光束分割元件中心位于光轴上，被定为座标原点0，（x，z）平面为图1所示的平面，y轴垂直于图1所示的平面，则对于入射光功率为p时：

∫^∞ _bIRdR＝P-∫^h _oIRdR

由此可得1/P∫^b _oIRdR＝1/2当光强I已知时，可以计算出短轴b的具体值，同时也可以计算长轴a

a＝b/sinβ

其中β为光束分割元件所在平面和光轴的夹角。若β＝30°，则a＝2b。

当被测样品14最初位置是置于远离透镜L₈的焦点处，如图3所示则由于样品上的光功率密度比较小，产生的光学非线性效应很小，光束通过样品时波面的变化极小可以忽略，此时[（D₁-D₂）/D₃]＝0（式中D₁，D₂，D₃分别为光电探测器D₁，D₂，D₃所接收的光信号），当样品越来越接近焦点时，则入射到样品上的单位面积上的光能量就越来越变大，产生的非线性效应也就开始明显，从样品出射的光学波面就有明显的变化，此时[（D₁-D₂）/D₃]≠0。根据从样品出射的光入射到光束分割元件上，形成一束透射光和一束反射光，其中透射光束和反射光束与光学非线性折射率n₂的关系可以分开进行的理论分析，入射到探测器D₁上的透射光，其透过率可计算为：

D_1max-D_1min 0.34kn₂I_oL_eff

其中D_1max-为光电探测器D₁所接收最大值，D_1min-为光电探测器D₁所接收到最小值，I_o为光轴上样品所在的光强度，L_eff为样品的厚度。由于光束分割元件上产生的是两束互补光，初始时光通量相 等，在动态过程中互补，所以

D_2max-D_2min＝-（D_1max D_1min）

由此可以得出：

△D＝[（D₁-D₂）_max

（D₁

D₂）_min]/D₃

＝2（D_1max

D_2min）/D₃

～0.68kn₂I_oL_eff

n₂＝η△D/0.68kI_oL_eff

式中η为与放大电路的放大倍数和分光镜11的分光比有关的一个仪器常数。

从上面的分析可以看出，本发明的互补光束波面检测仪与M.Sheik-Bahae等人采用小孔法检测波面变化的技术相比有许多优点：

1.测量精度至少可以比小孔法高三倍以上，可测λ/800或更小的动态波面变化。

如果初始时刻或静态时，使两束互补光束的光通量相等，则此时差分信号为零，只有当入射光束在光束分割元件前的波面发生改变时，差分信号的输出才不为零。这就为采用高倍数的放大电路把信号加以放大提供了基础，因此限制精度提高的初始本底在互补光束波面检测仪中被消去。

2.可以直接测量被测元件对光功率的动态调制。这就可以直接用于测量光学元件（或非线性材料）上光能的损耗。

在输出信号中，互补光束波面检测仪给出了光源信号的功率变化及通过被测元件后光功率的变化，这是因为探测器D₁和D₂输出的信号被输入相加电路，给出的是两信号之和，即光束的光功率值。 如果光束通过样品后，光功率的变化是样品的吸收所致，则可以得到样品的吸收系数，当线性吸收和非线性吸收共存时，可以利用光源的功率漂移，从互补光束波面检测仪的输出信号同时分辨出两者的大小。

附图说明：

图1    互补光束波面检测仪结构示意图：

1-光束分割元件;

2-光电探测器D₁;

3-差分电路;

4-放大电路A₁;

5-相加电路;

6-放大电路A₂;

7-光电探测器D₂;

8，9，10-会聚透镜L₁，L₂，L₃;

11-分光镜;

12-光电探测器D₃;

13-显示系统;

图2    光束分割元件平面示意图，图中：

14-全透射光区;

15-全反射光区;

16-透射和反射两个区域的交界线;

图3    互补光束波面检测仪用于光学非线性测量时被测样品和系统结构相对位置示意图

17-被测样品

图4    一个典型的测量结果。

实施例：

用互补光束波面检测仪测量生物有机材料的光学非线性折射率n₂。如图3所示。

光源：YAG激光器，1.06μm的倍频光为0.53μm，脉宽为12ns，脉冲重复频率1Hz到10Hz，单脉冲能量20mj;

分光镜11的反射率为10%;

透镜L₂的焦距为30mm;

光束分割元件上全透射光区和全反射光区的分界线为椭圆形，短轴为5mm，长轴为5 $\sqrt{2}$ mm，光束分割元件和光轴的夹角β为45°;

光电探测器D₁，D₂，D₃全都采用3DU5C光电三极管;

差分电路采用运算放大器LM118构成，相加电路采用运算放大器μA772构成和两个放大电路采用普通模拟信号放大电路，放大倍数β＝10³。

显示系统由A/D变换板和与IBM微机的通用接口及IBM微机构成。

样品是掺有叶绿素a的复合有机高分子材料，样品厚度为1.0mm，线性吸收系数α＝1.29cm^-1，当样品在透镜L₂的焦点上时，轴上点的照射光强I_o为400MW/cm²，所得△D＝2.9×10²，η＝10^-3，根据公式（1）可以计算出n₂＝-4.9×10^-8esu。

Claims (3)

1、一种互补光束波面检测仪，包括从一光源发射的光束，经一分光镜(11)分成两束光，一束光作为监视光束经一透镜L₃(10)被光电探测器D₃(12)接收；另一束光作为测量光束通过一会聚透镜L₂(9)，到光电探测D₁(2)，光电探测器D₁(2)的输出一种连接到相加电路(5)经放大电路A₂(6)到显示系统(13)，另一路连接到差分电路(3)经放大电路A₁(4)到显示系统(13)，其特征在于在测量光束的光路上，经会聚透镜L₂(9)会聚再发射后，与光电探测器D₁(2)之间置有一由一条闭合曲线为交界线(16)分成全透射光区(14)和全反射光区(15)的光束分割元件(1)，光束分割元件(1)将测量光束分割成两束光，一束光是由光束分割元件(1)中全透射光区(14)透射的光束进入光电探测器D₁(2)中，另一束是由光束分割元件(1)中全反射光区(15)反射的光束经会聚透镜L₁(8)进入光电探测器D₂(7)中，光电探测器D₂(7)的输出与光电探测器D₁(2)的输出同时连接到相加电路(5)和差分电路(3)上。

2、根据权利要求1所述的一种互补光束波面检测仪，其特征在于光束分割元件（1）将光束分割成透射光束和反射光束，这两束光在初始静态时，两光束的光通量相等;在动态过程中，两光束的光通量为互补的。

3、根据权利要求1或2所述的一种互补光束波面检测仪，其特征在于光束分割元件（1）上全透射光区（14）与全反射光区（15）之间的交界线（16）是椭圆形闭合曲线，或者是长方形闭合曲线，或者是菱形闭合曲线。

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