CN105158163A - 大口径单轴晶体光吸收系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径单轴晶体吸收系数测量装置及其方法，准直镜、起偏器和半透半反镜A依次设置在激光器的出射光路上；半透半反镜A将入射光形成反射光A和透射光A；会聚镜A设置在反射光A的光路上并将其会聚至监视积分球功率计中；半透半反镜B设置在透射光A的光路上并将其形成反射光B和透射光B；会聚镜B设置在反射光B的光路上并将其会聚至监视CCD中；会聚镜C设置在透射光B的光路上并将其会聚至测量积分球功率计中；待测大口径单轴晶体置于半透半反镜A和半透半反镜B之间；计算机分别与待测大口径单轴晶体、监视积分球功率计、监视CCD和测量积分球功率计相连。本发明可对大口径单轴晶体P光和S光的吸收系数进行测量，并保证测量精度。

Description

大口径单轴晶体光吸收系数测量装置及方法

技术领域

本发明属光学领域，涉及一种晶体光吸收系数测量装置及其方法，尤其涉及一种晶体光轴方向与光束传播方向满足相位匹配角下，大口径单轴晶体P光和S光吸收系数测量装置及其方法。

背景技术

随着我国神光Ⅲ主机装置的建设，大口径单轴晶体在惯性约束聚变系统中作为频率转换元件，对系统最终输出能量起着至关重要的影响。尤其是大口径KDP晶体，它是大功率激光器中倍频器件和电光开关的关键材料，其材料质量和元件加工质量都很大程度影响装置最终指标的实现。大口径单轴晶体吸收系数，作为其关键指标，直接影响晶体的频率转换效率。为达到较高的转换效率，晶体光轴方向与光束传播方向必须满足一定的角度，即相位匹配角。由于晶体属于各向异性介质，即对沿不同方向偏振的光波具有不同的传播性质。研究晶体光轴方向与光束传播方向满足相位匹配角下，大口径单轴晶体对P光(偏振方向与光传播方向垂直)和S光(偏振方向与光传播方向平行)的吸收系数，从而对总体估计激光输出能量及频率转换效率具有重要的指导意义和应用价值。

沈华等人提出了一种晶体材料光吸收系数的测量方法(专利号：ZL201110254195.9)。此方法为通过高功率的抽运光入射到晶体表面，使其产生热形变，然后利用激光干涉仪发射出一个标准平面波其通过被抽运激光作用的晶体表面后，平面反射镜将标准平面波按原路反射回来，这时干涉仪接收到是携带有两次晶体表面形貌信息的波阵面，利用相位解包算法算出因抽运光的照射引起的晶体表面形变量，通过公式算出晶体材料的光吸收系数。但该方法受限于激光干涉仪出射光的偏振态，无法实现入射光束传播方向与晶体光轴满足相位匹配角下，大口径单轴晶体对P光和S光的吸收系数测量。

杨学志等人在中华人民共和国机械行业标准中发表了一种光学晶体光吸收系数测量方法，该方法要求光束垂直入射光学晶体，其无法实现晶体实际使用工作状态(实现入射光束传播方向与晶体光轴满足相位匹配角)下，材料吸收系数的测量。同时此方法也无法实现晶体对P光和S光的吸收系数测量。该方法测量精度不高，无法满足现代晶体材料吸收系数测量的需求。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种大口径单轴晶体吸收系数测量装置及其方法，此装置及其方法通过对待测大口径单轴晶体二维扫描，实现入射光束传播方向与晶体光轴满足相位匹配角下，大口径单轴晶体P光和S光的吸收系数测量，不受激光功率不稳定性、入射光束指向性和背景环境的杂散光影响，并很好的保证测量精度。

本发明采用的技术解决方案是：

本发明提供了一种大口径单轴晶体光吸收系数测量装置，其特殊之处在于：所述大口径单轴晶体光吸收系数测量装置包括激光器、准直镜、起偏器、第一半透半反镜、第一会聚镜、监视积分球功率计、待测大口径单轴晶体、第二半透半反镜、第二会聚镜、监视CCD、第三会聚镜、测量积分球功率计以及计算机；所述准直镜、起偏器以及第一半透半反镜依次设置在激光器的出射光所在光路上；所述第一半透半反镜将入射至第一半透半反镜的光反射形成第一反射光以及透射形成第一透射光；所述第一会聚镜设置在第一反射光所在光路上并将第一反射光会聚至监视积分球功率计中；所述第二半透半反镜设置在第一透射光所在光路上并将第一透射光反射形成第二反射光以及透射形成第二透射光；所述第二会聚镜设置在第二反射光所在光路上并将第二反射光会聚至监视CCD中；所述第三会聚镜设置在第二透射光所在光路上并将第二透射光会聚至测量积分球功率计中；待测大口径单轴晶体置于第一半透半反镜以及第二半透半反镜之间；所述计算机分别与待测大口径单轴晶体、监视积分球功率计、监视CCD以及测量积分球功率计相连。

上述大口径单轴晶体光吸收系数测量装置还包括二维扫描机构，所述待测大口径单轴晶体固定在二维扫描机构上；所述计算机与二维扫描机构相连并通过二维扫描机构带动待测大口径单轴晶体实现二维运动。

上述大口径单轴晶体光吸收系数测量装置还包括用于驱动起偏器旋转的驱动器；所述计算机与驱动器相连并通过驱动器带动起偏器旋转。

一种基于如上述的大口径单轴晶体光吸收系数测量装置的测量方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1)激光器输出单模发散的圆偏振光，经准直镜输出准直圆偏振光，再通过起偏器将准直圆偏振光起偏为P光；

2)经过第一半透半反镜进行反射以及透射分别形成第一反射光以及第一透射光；第一反射光经第一会聚镜聚焦到监视积分球功率计的积分球内，测量值为I′_P监视；第一透射光经第二半透半反镜进行反射以及透射分别形成第二反射光以及第二透射光；第二反射光经第二会聚镜聚焦到监视CCD的靶面上，计算监视CCD的光斑质心位置，并将该光斑质心位置标记为基准位置；第二透射光经第三会聚镜聚焦到测量积分球功率计的积分球内，测量值为I′_P测量；通过计算机采集和存储监视积分球功率计以及测量积分球功率计的测量值，计算得到系统P光常数K_p为：

3)控制起偏器旋转90度将准直圆偏振光起偏为S光，重复步骤2)，通过计算机采集和存储监视积分球功率计和测量积分球功率计的测量值，计算得到系统S光常数K_S；

4)将待测大口径单轴晶体置于第一半透半反镜以及第二半透半反镜之间；

5)激光器输出单模发散的圆偏振光，经准直镜输出准直圆偏振光，再通过起偏器将准直圆偏振光起偏为P光；

6)经过第一半透半反镜进行反射以及透射分别形成第一反射光以及第一透射光；第一反射光经第一会聚镜聚焦到监视积分球功率计的积分球内，测量值为I_P监视(i,j)，(i＝1,2...N；j＝1,2...N)，其中，i，j为固定在二维扫描装置上的待测大口径单轴晶体二维运动的位置序号，N为运动的步数；第一透射光垂直入射至待测大口径单轴晶体表面发生双折射，产生o光以及e光；o光垂直于主截面振动，e光在主截面内振动；经过待测大口径单轴晶体后的第一透射光经第二半透半反镜进行反射以及透射分别形成第二反射光以及第二透射光；第二反射光经第二会聚镜聚焦到监视CCD的靶面上，调节待测大口径单轴晶体的方位和俯仰，使聚焦光斑质心位置与步骤2)所标记的基准位置重合；第二透射光经第三会聚镜聚焦到测量积分球功率计的积分球内，测量值为I_P测量(i,j)，(i＝1,2...N；j＝1,2...N)，其中，i，j为固定在二维扫描装置上的待测大口径单轴晶体二维运动的位置序号，N为运动的步数；通过计算机采集和存储监视积分球功率计和测量积分球功率计的测量值，并控制二维扫描装置使被测大口径单轴晶按固定步长沿两维方向平移，使测量光束相对扫描其全部通光口径，则待测大口径单轴晶体的P光吸收系数α_p为：

其中：

d为待测大口径单轴晶体厚度；

r为待测大口径单轴晶体表面反射率；

K_p为系统P光常数；

7)控制起偏器旋转90度将准直圆偏振光起偏为S光，重复步骤6)，通过计算机采集和存储监视积分球功率计和测量积分球功率计的测量值，计算得到待测大口径单轴晶体的S光吸收系数α_S。

本发明的优点是：

本发明提供了一种大口径单轴晶体光吸收系数测量装置及测量方法，该测量装置利用双光路测量原理实现待测大口径单轴晶体P光和S光的吸收系数，不受激光功率不稳定性的影响；利用此装置及方法利用会聚镜和CCD监视二维扫描过程中入射光束传播方向与待测大口径单轴晶体光轴的夹角，确保扫描过程中在相位匹配角下测量大口径单轴晶体P光和S光的吸收系数；利用会聚镜将入射光束聚焦于积分球功率计内，从而不受扫描机构运动直线度，外界环境气流扰动及振动导致光束指向性变化对测量结果的影响；利用二维扫描机构可实现对待测大口径单轴晶体P光和S光的吸收系数及二维分布测量；本发明可实现入射光束传播方向与晶体光轴满足相位匹配角下，大口径单轴晶体P光和S光的吸收系数测量；其结构简单、稳定性高、重复性好，测量结果置信度高。

附图说明

图1是本发明所提供的大口径单轴晶体光吸收系数测量装置在空测时的结构示意图；

图2是本发明所提供的大口径单轴晶体光吸收系数测量装置在实测时的结构示意图；

其中：

1-激光器；2-准直镜；3-起偏器；4-第一半透半反镜；5-第一会聚镜；6-监视积分球功率计；7-待测大口径单轴晶体；8-第二半透半反镜；9-第二会聚镜；10-监视CCD；11-第三会聚镜；12-测量积分球功率计；13-计算机。

具体实施方式

如图1所示，本发明所提供的大口径单轴晶体光吸收系数测量装置由激光器1、准直镜2、起偏器3、第一半透半反镜4、第一会聚镜5、监视积分球功率计6、待测大口径单轴晶体7、第二半透半反镜8、第二会聚镜9、监视CCD10、第三会聚镜11、测量积分球功率计12和计算机13组成。准直镜、起偏器以及第一半透半反镜依次设置在激光器的出射光所在光路上；第一半透半反镜将入射至第一半透半反镜的光反射形成第一反射光以及透射形成第一透射光；第一会聚镜设置在第一反射光所在光路上并将第一反射光会聚至监视积分球功率计中；第二半透半反镜设置在第一透射光所在光路上并将第一透射光反射形成第二反射光以及透射形成第二透射光；第二会聚镜设置在第二反射光所在光路上并将第二反射光会聚至监视CCD中；第三会聚镜设置在第二透射光所在光路上并将第二透射光会聚至测量积分球功率计中；待测大口径单轴晶体置于第一半透半反镜以及第二半透半反镜之间；计算机分别与待测大口径单轴晶体、监视积分球功率计、监视CCD以及测量积分球功率计相连。

其中，激光器1波长可根据实际需求定制；起偏器3可电动旋转，将经激光器1和准直镜2输出的准直圆偏振光起偏为P光和S光；待测大口径单轴晶体7固定在二维扫描机构上，由计算机13控制实现其二维运动。第二会聚镜9和监视CCD10组成监视系统，实时监视二维扫描过程中入射光束传播方向与待测大口径单轴晶体7光轴的夹角变化。

本发明工作步骤分为空测和实测，其具体工作过程如下：

1)系统常数K的确定(空测)；

空测光路如图1所示，激光器1的单模尾纤输出单模发散的圆偏振光，经准直镜2输出准直圆偏振光，再通过起偏器3起偏为P光，经过第一半透半反镜4一部分反射，一部分透射，反射光经第一会聚镜5聚焦到监视积分球功率计6的积分球内，测量值为I′_P监视。透射光经第二半透半反镜8一部分反射，一部分透射，反射光经第二会聚镜9聚焦到监视CCD10的靶面上，计算光斑质心位置，并将其记为基准位置。透射光经第三会聚镜11聚焦到测量积分球功率计12的积分球内，测量值为I′_P测量。计算机13采集和存储监视积分球功率计6和测量积分球功率计12的测量值，计算得到系统P光常数K_p为：

确保测量光路不动，计算机13控制起偏器3旋转90度将准直圆偏振光起偏为S光，采集和存储监视积分球功率计6和测量积分球功率计12的测量值计算得到系统S光常数K_S。

2)大口径单轴晶体吸收系数测量(实测)；

实测光路如图2所示，将待测大口径单轴晶体7置于测量光路中，并固定在二维扫描装置上。激光器1的单模尾纤输出单模发散的圆偏振光，经准直镜2输出准直圆偏振光，再通过起偏器3起偏为P光，经过第一半透半反镜4一部分反射，一部分透射，反射光经第一会聚镜5聚焦到监视积分球功率计6的积分球内，测量值为I_P监视(i,j)，(i＝1,2...N；j＝1,2...N)，i，j为固定在二维扫描装置上的待测大口径单轴晶体二维运动的位置序号，N为运动的步数。透射光垂直入射至待测大口径单轴晶体7表面发生双折射，产生o光和e光。o光垂直于主截面振动，e光在主截面内振动。由于入射P光传播方向与晶轴方向存在夹角，从待测大口径单轴晶体7通光表面出射的相应于o光的透射光仍然沿着入射光的方向传播，但是相应于e光的透射光则相对入射光的位置在主截面内有一个平移。透射光经第二半透半反镜8一部分反射，一部分透射，反射光经第二会聚镜9聚焦到监视CCD10的靶面上，调节待测大口径单轴晶体7的方位和俯仰，保证聚焦光斑质心位置与空测时光斑基准位置重合。透射光经第三会聚镜11聚焦到测量积分球功率计12的积分球内，测量值为I_P测量(i,j)，(i＝1,2...N；j＝1,2...N)，i，j为固定在二维扫描装置上的待测大口径单轴晶体二维运动的位置序号，N为运动的步数。计算机13采集和存储监视积分球功率计6和测量积分球功率计12的测量值，并控制二维扫描装置使被测大口径单轴晶7按固定步长沿两维方向平移，使测量光束相对扫描其全部通光口径，则待测大口径单轴晶体的P光吸收系数α_p为：

式中，d为待测大口径单轴晶体厚度，r为待测大口径单轴晶体表面反射率，K_p为系统P光常数。

计算机13控制起偏器3旋转90度将准直圆偏振光起偏为S光，按照待测大口径单轴晶体P光吸收系数的测量方法得到待测大口径单轴晶体的S光吸收系数α_S。

Claims (4)

1.一种大口径单轴晶体光吸收系数测量装置，其特征在于：所述大口径单轴晶体光吸收系数测量装置包括激光器、准直镜、起偏器、第一半透半反镜、第一会聚镜、监视积分球功率计、第二半透半反镜、第二会聚镜、监视CCD、第三会聚镜、测量积分球功率计以及计算机；所述准直镜、起偏器以及第一半透半反镜依次设置在激光器的出射光所在光路上；所述第一半透半反镜将入射至第一半透半反镜的光反射形成第一反射光以及透射形成第一透射光；所述第一会聚镜设置在第一反射光所在光路上并将第一反射光会聚至监视积分球功率计中；所述第二半透半反镜设置在第一透射光所在光路上并将第一透射光反射形成第二反射光以及透射形成第二透射光；所述第二会聚镜设置在第二反射光所在光路上并将第二反射光会聚至监视CCD中；所述第三会聚镜设置在第二透射光所在光路上并将第二透射光会聚至测量积分球功率计中；待测大口径单轴晶体置于第一半透半反镜以及第二半透半反镜之间；所述计算机分别与待测大口径单轴晶体、监视积分球功率计、监视CCD以及测量积分球功率计相连。

2.根据权利要求1所述的大口径单轴晶体光吸收系数测量装置，其特征在于：所述大口径单轴晶体光吸收系数测量装置还包括二维扫描机构，所述待测大口径单轴晶体固定在二维扫描机构上；所述计算机与二维扫描机构相连并通过二维扫描机构带动待测大口径单轴晶体实现二维运动。

3.根据权利要求2所述的大口径单轴晶体光吸收系数测量装置，其特征在于：所述大口径单轴晶体光吸收系数测量装置还包括用于驱动起偏器旋转的驱动器；所述计算机与驱动器相连并通过驱动器带动起偏器旋转。

4.一种基于如权利要求1所述的大口径单轴晶体光吸收系数测量装置的测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)激光器输出单模发散的圆偏振光，经准直镜输出准直圆偏振光，再通过起偏器将准直圆偏振光起偏为P光；

2)经过第一半透半反镜进行反射以及透射分别形成第一反射光以及第一透射光；第一反射光经第一会聚镜聚焦到监视积分球功率计的积分球内，测量值为I′_P监视；第一透射光经第二半透半反镜进行反射以及透射分别形成第二反射光以及第二透射光；第二反射光经第二会聚镜聚焦到监视CCD的靶面上，计算监视CCD的光斑质心位置，并将该光斑质心位置标记为基准位置；第二透射光经第三会聚镜聚焦到测量积分球功率计的积分球内，测量值为I′_P测量；通过计算机采集和存储监视积分球功率计以及测量积分球功率计的测量值，计算得到系统P光常数K_p为：

3)控制起偏器旋转90度将准直圆偏振光起偏为S光，重复步骤2)，通过计算机采集和存储监视积分球功率计和测量积分球功率计的测量值，计算得到系统S光常数K_S；

4)将待测大口径单轴晶体置于第一半透半反镜以及第二半透半反镜之间；

5)激光器输出单模发散的圆偏振光，经准直镜输出准直圆偏振光，再通过起偏器将准直圆偏振光起偏为P光；

6)经过第一半透半反镜进行反射以及透射分别形成第一反射光以及第一透射光；第一反射光经第一会聚镜聚焦到监视积分球功率计的积分球内，测量值为I_P监视(i,j)，(i＝1,2...N；j＝1,2...N)，其中，i，j为固定在二维扫描装置上的待测大口径单轴晶体二维运动的位置序号，N为运动的步数；第一透射光垂直入射至待测大口径单轴晶体表面发生双折射，产生o光以及e光；o光垂直于主截面振动，e光在主截面内振动；经过待测大口径单轴晶体后的第一透射光经第二半透半反镜进行反射以及透射分别形成第二反射光以及第二透射光；第二反射光经第二会聚镜聚焦到监视CCD的靶面上，调节待测大口径单轴晶体的方位和俯仰，使聚焦光斑质心位置与步骤2)所标记的基准位置重合；第二透射光经第三会聚镜聚焦到测量积分球功率计的积分球内，测量值为I_P测量(i,j)，(i＝1,2...N；j＝1,2...N)，其中，i，j为固定在二维扫描装置上的待测大口径单轴晶体二维运动的位置序号，N为运动的步数；通过计算机采集和存储监视积分球功率计和测量积分球功率计的测量值，并控制二维扫描装置使被测大口径单轴晶按固定步长沿两维方向平移，使测量光束相对扫描其全部通光口径，则待测大口径单轴晶体的P光吸收系数α_p为：

其中：

d为待测大口径单轴晶体厚度；

r为待测大口径单轴晶体表面反射率；

K_p为系统P光常数；

7)控制起偏器旋转90度将准直圆偏振光起偏为S光，重复步骤6)，通过计算机采集和存储监视积分球功率计和测量积分球功率计的测量值，计算得到待测大口径单轴晶体的S光吸收系数α_S。