CN105043612A - 一种光学材料应力测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学材料应力测量系统，包括分光棱镜、偏振片、第一光电探测器、第二光电探测器和外腔长调谐组件；所述激光器采用半外腔激光器，经所述激光器的第一腔镜出射的激光垂直入射到所述分光棱镜，所述分光棱镜将输出的激光分成两部分，两束部分激光分别被所述第一光电探测器和第二光电探测器探测接收，且所述第二光电探测器接收前端设置一通光方向垂直于所述激光器输出激光的线偏振方向的偏振片；经所述激光器的第二腔镜出射的激光依次经所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔发射到一待测光学材料样品上，经设置在所述待测光学材料样品底部的反射膜反射的激光沿着原光路返回所述激光器对输出的激光进行调制。本发明可以广泛应用于大面积光学玻璃材料及已经装配好的玻璃材料的应力测量中。

Description

一种光学材料应力测量系统

技术领域

本发明涉及一种应力测量系统，特别是关于一种光学材料应力测量系统。

背景技术

在光学材料特别是玻璃的加工过程中，材料内部的应力始终是人们关心的主要问题之一。不同方向、不同大小应力的存在使得材料对不同偏振方向的光的折射率不同，发生应力双折射现象，严重影响了这种光学材料的品质。因此，材料内部应力的测量是非常重要的。目前，国内外高精度的应力测量方法有许多，比较典型的应力测量方法有以下几种：

1、偏光干涉仪：此种方法广泛用于定性或半定量判定玻璃中的应力情况。通常由一个白光光源和两片偏光片组成，偏光片的光轴互相垂直，被测样品置于两偏光片之间，主应力方向与偏振轴成45°。如果玻璃中存在垂直于光线传播方向的非均匀应力，则可观察到黑、灰、白的干涉带，应力更高时，可见黄、红、蓝灯彩色干涉条纹；无应力的玻璃只能观察到均匀的暗场。

2、Senarmont应力测定法：此种方法采用单色光源，起偏器和检偏器的偏振方向互相垂直，被测样品主应力的方向与起偏器方向成45°，检偏器前放置一块四分之一波片，光轴方向与偏振方向平行。检偏器可以旋转，使用时，先将检偏器转至0刻度处，然后放置被测样品，调整样品方向，使被测点主应力方向与偏振方向成45°；再转动检偏器，直到被测点变得最暗，记下转角读数。通过计算可以知道，转角大小与玻片位相延迟成正比，每度相当于3.14nm的光程差。此种方法要求四分之一波片的精度较高。

3、Tardy定量应力测试法：此种方法与Senarmont法的不同之处在于增加了一块四分之一波片，两块四分之一波片的光轴均与偏振方向成45°。两块波片均能从光路中移走，玻璃样品中的主应力方向与偏振方向重合。其余部分与Senarmont法类似。测试时，先将两块四分之一波片撤离光路，然后放入被测样品，此时可从检偏器中看见样品黑色的应力等倾线，即在此线上，应力方向均相同并与偏振方向一致；再调整样品的放置方向，使等倾线通过被测点；将两块四分之一波片推入光路，等倾线即消失；此时可旋转检偏器，直至被测点光线最弱；后面步骤同Senarmont法。

4、补偿器应力测量法：巴比涅补偿器是一种光程差可调的双折射元件。此种测量方法的巴比涅补偿器相当于在应力仪中加入一个应力值可调的人工应力片，其方向与被测玻璃样品中的应力方向相反，当两者数值相等时，应力相互抵消，在正交偏光下观察到消光黑条纹。因此，通过读取巴比涅补偿器的移动距离，换算出巴比涅补偿器的位相延迟量，即可算出被测样品的应力。

5、钻孔法：钻孔法作为一种半破坏性机械测量法，在工程中得到较多应用，其不足之处有三点：1)钻孔释放的残余应力是随离孔周距离急剧递减，应变片与孔周是有一定距离的，该距离影响应变片的敏感度；2)应变片得到的只是其长度范围内释放应力的平均值，因此不适用于残余应力梯度大的情况；3)钻孔法不适用于已装配完成的玻璃部件应力测量。

综上所述，虽然目前国内外关于光学材料内应力的测量方法较多，但是有些是定性或半定量判定，有些需要高精度的标准四分之一波片，有些属于破坏式测量，对于已经成品待测样品来说，亟需一种无损、高精度、简单易行的测量方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种不仅结构简单，而且能够精确获得光学材料应力大小的光学材料应力测量系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种光学材料应力测量系统，其特征在于，该应力测量系统包括激光器、分光棱镜、偏振片、第一光电探测器、第二光电探测器和外腔长调谐组件；所述外腔长调谐组件包括第一玻璃光楔、第二玻璃光楔和第一压电陶瓷，所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔均采用直角三角形玻璃光楔，所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔斜边平行间隔放置，所述第二玻璃光楔的一侧固定设置用于驱动所述第二玻璃光楔沿水平方向往复运动的第一压电陶瓷，所述第一压电陶瓷通过一压电陶瓷驱动系统进行驱动；所述激光器采用半外腔激光器，经所述激光器的第一腔镜出射的激光垂直入射到所述分光棱镜，所述分光棱镜将输出的激光分成两部分，两部分激光分别被所述第一光电探测器和第二光电探测器探测接收，且所述第二光电探测器接收前端设置一通光方向垂直于所述激光器输出激光的线偏振方向的偏振片；经所述激光器的第二腔镜出射的激光依次经所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔发射到一待测光学材料样品上，经设置在所述光学材料样品底部的反射膜反射的激光沿着原光路返回所述激光器对输出的激光进行调制。

进一步，所述激光器采用波长为633nm的气体激光器，所述气体激光器输出的激光为线偏振光。

进一步，所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔斜边垂向距离大于0mm，小于等于1mm。

进一步，所述激光器的第二腔镜外侧固定设置一用于对所述激光器输出的激光进行稳定性调节的第二压电陶瓷，所述第二压电陶瓷通过所述压电陶瓷驱动系统进行驱动。

进一步，所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔的楔角不大于41°，所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔均采用K9玻璃。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明在对光学材料样品应力测量过程中通过外腔长调谐组件对激光器的输出光进行调制，并通过对激光器输出激光进行探测，获得由应力双折射引起的寻常光和非寻常光在经过光学材料后产生的位相差，进而计算得到光学材料样品的应力，因此，相对于现有技术中的波片以及破坏式的应力测量方法，本发明无损、高精度、简单易行，够精确获得光学材料应力的大小，并且克服了现有技术中只能测量有限大小的玻璃样品。本发明可以广泛应用于大面积光学玻璃材料及已经装配好的玻璃材料的应力测量中。

附图说明

图1是本发明光学材料应力测量系统的结构示意图；

图2是本发明光学材料应力测量系统的原理示意图；

图3是本发明两个光电探测器获得的电信号曲线图，横坐标表示光强，纵坐标为时间，其中，表示第一光电探测器探测得到的信号，表示第二光电探测器探测得到的信号，表示第一压电陶瓷所施加的电压信号。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。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。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明提供了一种光学材料应力测量系统，该应力测量系统包括一激光器T、一分光棱镜G、一偏振片P、一第一光电探测器D₁、一第二光电探测器D₂和一外腔长调谐组件MDT，其中，外腔长调谐组件MDT包括第一玻璃光楔P₁、第二玻璃光楔P₂和第一压电陶瓷PZT₁，第一玻璃光楔P₁和第二玻璃光楔P₂完全相同，且第一玻璃光楔P₁和第二玻璃光楔P₂均采用直角三角形玻璃光楔，第一玻璃光楔P₁和第二玻璃光楔P₂斜边平行间隔放置，第二玻璃光楔P₂的一侧固定设置用于驱动第二玻璃光楔P₂沿水平方向往复运动的第一电陶瓷PZT₁，第一压电陶瓷PZT₁通过一压电陶瓷驱动系统ZD进行驱动。

激光器T采用半外腔激光器，经激光器T的第一腔镜M₁出射的激光垂直入射到分光棱镜G，分光棱镜G将输出的激光分成两束光，两束光分别被第一光电探测器D₁和第二光电探测器D₂探测接收，且第二光电探测器接收D₂前端设置一通光方向垂直于激光器T输出激光的线偏振方向的偏振片P，第一光电探测器D₁和第二光电探测器D₂分别将光信号转换为电信号；经激光器T的第二腔镜M₂出射的激光依次经第一玻璃光楔P₁和第二玻璃光楔P₂发射到待测光学材料样品上，经设置在待测光学材料样品底部的反射膜RF反射的激光沿着原光路返回激光器T内对输出的激光进行调制。

在一个优选的实施例中，激光器T可以采用波长为633nm的气体激光器，气体激光器输出的激光为线偏振光。

在一个优选的实施例中，第一玻璃光楔P₁和第二玻璃光楔P₂斜边纵向距离为大于0mm，小于等于1mm，第一压电陶瓷PZT₁的伸缩量为1.5～1.7倍激光波长。

在一个优选的实施例中，激光器T的第二腔镜M₂外侧固定设置一用于对激光器T输出的激光进行调节的第二压电陶瓷PZT₂，第二压电陶瓷PZT₂通过压电陶瓷驱动系统ZD进行驱动。

在一个优选的实施例中，第一玻璃光楔P₁和第二玻璃光楔P₂的楔角不大于41°，第一玻璃光楔P₁和第二玻璃光楔P₂均可以采用K9玻璃。

下面通过具体实施例详细说明的本发明光学材料应力测量系统的测量原理，具体为：

如图2所示，本实施例中外腔长调谐组件MDT由两完全相同的K9玻璃光楔和第一压电陶瓷PZT₁组成，两个玻璃光楔的楔角均为θ，假设第一压电陶瓷PZT₁的位移为s，n_a和n_g分别为空气和玻璃光楔的折射率，则竖直方向光程变化量s₁与第一压电陶瓷PZT₁的位移s的关系为：

$\frac{s_1}{s}=\frac{sin\mathrm{\θ}}{cos\mathrm{\α}}\·n_a.\[cos(\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})\·n_g-1\],\mathrm{\α}=\[\arcsin (\frac{n_g}{n_a}\·sin\mathrm{\θ})\]$

在外腔长调谐过程中，光斑在横向会有偏移，偏移量s₂与PZT₁位移s的关系为：

$\frac{s_2}{s}=\frac{sin\mathrm{\θ}}{cos\mathrm{\α}}\·sin(\mathrm{\α}-\mathrm{\θ}),\mathrm{\α}=\[\arcsin (\frac{n_g}{n_a}\·\sin \mathrm{\θ})\]$

式中，本实施例选用的激光器T的波长为632.8nm，K9玻璃的折射率n_g为1.51，空气折射率n_a近似为1，楔角θ为37°，将以上参数代入上述公式中，若第一压电陶瓷PZT₁的位移设置为0～1000nm，则s₁的变化范围为：0～479.7nm，s₂的变化范围为：0～699.5nm，光斑直径约1100微米，外腔长调谐过程中光斑约有0.699微米的横向位移，横向位移远远小于光斑直径，对测量过程的影响可以忽略不计。

如图1、图3所示，在待测的光学材料应力板S的底部设置一反射膜RF，经激光器T的第二腔镜M₂出射的激光依次经第一玻璃光楔P₁和第二玻璃光楔P₂发射到光学材料应力板S上，经光学材料应力板S底部的反射膜RF反射的激光沿着原光路返回激光器T内，整个测量过程中，压电陶瓷驱动系统驱动第一压电陶瓷PZT₁同时推动第二玻璃光楔P₂沿水平方向往复运动，假设激光器T的光轴为Z方向，激光器T输出的x光的偏振态为X方向，则偏振片P的通光方向(y偏振态)设置为Y方向，分光棱镜G将激光器T输出的激光分为两束，其中，第一光电探测器探测激光器T输出的其中一束激光的光强，第一光电探测器将接收的光信号转换为电信号如图3所示，第二光电探测器探D₂探测接收经偏振片P选择某个偏振态光的光强，第二光电探测器D₂将接收的光信号转换为电信号如图3所示。

如图3所示，定义T1-T2为激光调制周期，在一个调制周期中，E1T2为输出激光的x偏振态，T1E1为输出激光的y偏振态，E1为偏振跳变和强度转移点，由玻璃内应力引起的双折射位相延迟大小为：

$\mathrm{\δ}=\frac{\stackrel{\‾}{E_1{E}_2}}{\stackrel{\‾}{T_1{T}_2}}\×\mathrm{\π}=\frac{{\stackrel{\‾}{F_{1}F}}_2}{\stackrel{\‾}{T_3{T}_4}}=\×\mathrm{\π}$

式中，E1和E2为一对等光强点，E1E2为E1点到E2点的时间间隔；同理，F1F2、T1T2，T3T4均为时间间隔；δ为应力双折射引起的寻常光和非寻常光在经过光学材料应力板1后产生的位相差，即通过δ可以计算得到光学材料应力板的应力。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种光学材料应力测量系统，其特征在于，该应力测量系统包括激光器、分光棱镜、偏振片、第一光电探测器、第二光电探测器和外腔长调谐组件；

所述外腔长调谐组件包括第一玻璃光楔、第二玻璃光楔和第一压电陶瓷，所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔均采用直角三角形玻璃光楔，所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔斜边平行间隔放置，所述第二玻璃光楔的一侧固定设置用于驱动所述第二玻璃光楔沿水平方向往复运动的第一压电陶瓷，所述第一压电陶瓷通过一压电陶瓷驱动系统进行驱动；

所述激光器采用半外腔激光器，经所述激光器的第一腔镜出射的激光垂直入射到所述分光棱镜，所述分光棱镜将输出的激光分成两部分，两部分激光分别被所述第一光电探测器和第二光电探测器探测接收，且所述第二光电探测器接收前端设置一通光方向垂直于所述激光器输出激光的线偏振方向的偏振片；

经所述激光器的第二腔镜出射的激光依次经所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔发射到一待测光学材料样品上，经设置在所述光学材料样品底部的反射膜反射的激光沿着原光路返回所述激光器对输出的激光进行调制。

2.如权利要求1所述的一种光学材料应力测量系统，其特征在于，所述激光器采用波长为633nm的气体激光器，所述气体激光器输出的激光为线偏振光。

3.如权利要求1所述的一种光学材料应力测量系统，其特征在于，所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔斜边垂向距离大于0mm，小于等于1mm。

4.如权利要求2所述的一种光学材料应力测量系统，其特征在于，所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔斜边垂向距离大于0mm，小于等于1mm。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种光学材料应力测量系统，其特征在于，所述激光器的第二腔镜外侧固定设置一用于对所述激光器输出的激光进行稳定性调节的第二压电陶瓷，所述第二压电陶瓷通过所述压电陶瓷驱动系统进行驱动。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种光学材料应力测量系统，其特征在于，所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔的楔角不大于41°，所述第一玻璃光楔和第二玻璃光楔均采用K9玻璃。