CN105158209A - 大口径单轴晶体折射率均匀性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径单轴晶体折射率均匀性测量装置及其方法，准直镜、起偏器和半透半反镜依次设置在激光器的出射光所在光路上；半透半反镜将入射至半透半反镜的光进行反射和透射并分别形成反射光和透射光；会聚镜设置在反射光所在光路上并将反射光会聚至积分球功率计中；缩束系统物镜、缩束系统目镜和夏克-哈特曼波前传感器依次设置在透射光所在光路上；待测大口径单轴晶体置于起偏器和半透半反镜之间；计算机分别与积分球功率计、夏克-哈特曼波前传感器和待测大口径单轴晶体相连。本发明可实现大口径单轴晶体折射率均匀性测量，不受波长限制，和外界环境气流和振动的影响，并很好的保证测量精度。

Description

大口径单轴晶体折射率均匀性测量装置及方法

技术领域

本发明属光学领域，涉及一种晶体折射率均匀性测量装置及方法，尤其涉及一种基于夏克-哈特曼波前传感器实现大口径单轴晶体折射率均匀性测量装置及方法。

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。晶体在生长过程中的结构缺陷或内应力引起的光弹效应、晶体自身重力、晶体表面形变、装配感生应力及温度变化都有可能导致晶体的折射率空间分布不均匀。折射率的不均匀性将导致光束的空间分布存在不同程度的相位失配，从而引起三倍频系统的转换效率下降。

目前测量单轴晶体折射率均匀性方法主要采用正交偏振干涉测量(OPI)法，其工作原理为大口径激光干涉仪的输出激光束经过偏振片变为线偏振光，调整偏振方向让激光束的偏振态分别平行于单轴晶体的o轴和e轴，得到两幅干涉图，通过这两幅干涉图的差值得到单轴晶体的折射率分布不均匀性。此方法缺点为：1)依靠国外进口的大口径干涉仪，其价格昂贵，测量成本高；2)干涉仪输出中心波长固定，无法实现实际工作波段下的单轴晶体折射率均匀性测量；3)干涉仪输出激光偏振态固定，不能实现正交偏振态的切换；4)测量需在输出激光的测试端口处放置偏振片，偏振态的消光比极大的影响了干涉条纹的对比度；5)此方法无法扣除干涉仪相移器引入的倾斜变化对单轴晶体折射率均匀性测量引入的误差；6)此方法易受环境气流扰动和振动的影响。

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折射率均匀性测量装置及其方法，该装置及方法通过对待测大口径单轴晶体二维扫描，实现大口径单轴晶体折射率均匀性测量；该方法为动态测量，不受波长限制，以及外界环境气流和振动的影响，并很好的保证测量精度。

本发明采用的技术解决方案如下：

本发明提供了一种大口径单轴晶体折射率均匀性测量装置，其特殊之处在于：所述大口径单轴晶体折射率均匀性测量装置包括激光器、准直镜、起偏器、待测大口径单轴晶体、半透半反镜、会聚镜、积分球功率计、缩束系统物镜、缩束系统目镜、夏克-哈特曼波前传感器以及计算机；所述准直镜、起偏器以及半透半反镜依次设置在激光器的出射光所在光路上；所述半透半反镜将入射至半透半反镜的光进行反射以及透射并分别形成反射光以及透射光；所述会聚镜设置在反射光所在光路上并将反射光会聚至积分球功率计中；所述缩束系统物镜、缩束系统目镜以及夏克-哈特曼波前传感器依次设置在透射光所在光路上；待测大口径单轴晶体置于起偏器和半透半反镜之间；所述计算机分别与积分球功率计、夏克-哈特曼波前传感器以及待测大口径单轴晶体相连。

上述大口径单轴晶体折射率均匀性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折射率均匀性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。

一种基于如上所述的大口径单轴晶体折射率均匀性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，再通过起偏器起偏为线偏振光；经过半透半反镜进行反射以及透射并分别形成反射光以及透射光；反射光经会聚镜聚焦到监视积分球功率计的积分球内；透射光经缩束系统物镜和缩束系统目镜缩束得到缩束光斑，缩束光斑由夏克-哈特曼波前传感器接收，调节夏克-哈特曼波前传感器的方位和俯仰，并实时测量波前，当波前测量zernike像差系数中的x，y方向倾斜像差系数小于0.01个波长时，认为夏克-哈特曼波前传感器姿态已调整好，并将此波前测量结果存为系统本底波前Φ_c(x,y)；

2)将待测大口径单轴晶体置入起偏器和半透半反镜之间；

3)激光器输出发散的圆偏振光，经准直镜输出准直圆偏振光，再通过起偏器起偏为线偏振光，经过待测大口径单轴晶体透射，经过半透半反镜进行反射以及透射并分别形成反射光以及透射光；反射光经会聚镜聚焦到监视积分球功率计的积分球内，旋转起偏器，当功率测量值I_监视最大时，即得到线偏振光的偏振方向与待测大口径单轴晶体内部o光方向相同；透射光经缩束系统物镜和缩束系统目镜缩束后得到缩束光斑，缩束光斑由夏克-哈特曼波前传感器接收；将夏克-哈特曼波前传感器波前测量结果中的x，y方向倾斜zernike像差系数置零，得到扣除倾斜像差的o光波前为Φ_o(x,y)；将其减去系统本底波前Φ_c(x,y)，得到o光波前变化值Φ_oc(x,y)；所述o光波前变化值体现晶体加工误差和o光折射率非均匀性；所述o光波前变化值Φ_oc(x,y)的表达式是：

${\mathrm{\Φ}}_{oc}(x,y)={\mathrm{\Φ}}_o(x,y)-{\mathrm{\Φ}}_c(x,y)\≈({\stackrel{\‾}{n}}_o-1)\·\mathrm{\δ}d$

其中：

为待测大口径单轴晶体o光折射率标称值；

δd为待测大口径单轴晶体厚度变化值；

4)确保O光波前测量光路不动，控制起偏器旋转90度，重复步骤3)，当监视积分球功率计的功率测量值I_监视最大时，即确保了线偏振光的偏振方向与待测大口径单轴晶体内部e光方向相同；透射光经缩束系统物镜和缩束系统目镜缩束后得到缩束光斑，缩束光斑由夏克-哈特曼波前传感器接收；将夏克-哈特曼波前传感器波前测量结果中的x，y方向zernike像差系数置零，得到扣除倾斜像差的e光波前为Φ_e(x,y)；将其减去系统本底波前Φ_c(x,y)得到e光波前变化值Φ_ec(x,y)；所述e光波前变化值Φ_ec(x,y)的表达式是：

${\mathrm{\Φ}}_{ec}(x,y)={\mathrm{\Φ}}_e(x,y)-{\mathrm{\Φ}}_c(x,y)\≈({\stackrel{\‾}{n}}_e-1)\·x+{\mathrm{\δn}}_e(x,y)\·\stackrel{\‾}{d}$

其中：

为待测大口径单轴晶体e光折射率标称值；

δn_e为待测大口径单轴晶体e光折射率变化值；

d为待测大口径单轴晶体厚度标称值；

5)计算待测大口径单轴晶体折射率均匀性：

e光波前相对o光波前测量结果的变化值ΔΦ(x,y)为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\Φ}(x,y)={\mathrm{\Φ}}_{ec}(x,y)-{\mathrm{\Φ}}_{oc}(x,y)=({\stackrel{\‾}{n}}_e-{\stackrel{\‾}{n}}_0)\·\mathrm{\δ}d+{\mathrm{\δn}}_e(x,y)\·\stackrel{\‾}{d}$

所述待测大口径单轴晶体折射率均匀性为：

${\mathrm{\δn}}_e(x,y)=\frac{\left({\mathrm{\Φ}}_{ec}\right(x,y)-{\mathrm{\Φ}}_{oc}(x,y\left)\right)-\left(\frac{{\stackrel{\‾}{n}}_e-{\stackrel{\‾}{n}}_0}{{\stackrel{\‾}{n}}_0-1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_{oc}(x,y)}{\stackrel{\‾}{d}}$

上述方法在步骤5)之后还包括：

6)通过计算机控制二维扫描装置使待测大口径单轴晶体按固定步长沿两维方向平移，使测量光束相对扫描待测大口径单轴晶体的全部通光口径，从而得到待测大口径单轴晶体全口径折射率均匀性分布。

本发明的优点是：

本发明提供了一种大口径单轴晶体折射率均匀性测量装置及方法，利用起偏器实现o光和e光的选择，并有效的去除了环境背景杂散光的影响；利用会聚镜和积分球功率计，确保起偏器3起偏的线偏振光偏振方向与单轴晶体内部o光或者e光方向相同；利用夏克-哈特曼波前传感器实现系统本底波前、o光波前和e光波前的动态测量，再根据计算公式得到单轴晶体折射率均匀性分布，其不受波前倾斜，外界环境气流扰动和振动对测量结果的影响；利用二维扫描机构实现对待测大口径单轴晶体折射率均匀性二维分布测量；本发明可根据实际单轴晶体工作波长选择激光器，不受传统方法波长限制，工作波段宽，该测量装置结构简单、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折射率均匀性测量装置的光路结构示意图；

其中：

1-激光器；2-准直镜；3-起偏器；4-待测大口径单轴晶体；5-半透半反镜；6-会聚镜；7-积分球功率计；8-缩束系统物镜；9-缩束系统目镜；10-夏克-哈特曼波前传感器；11-计算机；

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种大口径单轴晶体折射率均匀性测量装置，该装置由激光器1、准直镜2、起偏器3、待测大口径单轴晶体4、半透半反镜5、会聚镜6、积分球功率计7、缩束系统物镜8、缩束系统目镜9、夏克-哈特曼波前传感器10和计算机11组成。准直镜、起偏器以及半透半反镜依次设置在激光器的出射光所在光路上；半透半反镜将入射至半透半反镜的光进行反射以及透射并分别形成反射光以及透射光；会聚镜设置在反射光所在光路上并将反射光会聚至积分球功率计中；缩束系统物镜、缩束系统目镜以及夏克-哈特曼波前传感器依次设置在透射光所在光路上；待测大口径单轴晶体置于起偏器和半透半反镜之间；计算机分别与积分球功率计、夏克-哈特曼波前传感器以及待测大口径单轴晶体相连。

图1中激光器1波长可根据实际单轴晶体使用波长定制；起偏器3可电动旋转，将激光器1输出的圆偏振光起偏为线偏振光；待测大口径单轴晶体4固定在二维扫描机构上，由计算机11控制实现其二维运动。会聚镜6和积分球功率计7组成监视系统，保证经起偏器3起偏的线偏振光偏振方向与单轴晶体内部o光或者e光方向相同。

本发明具体步骤为：①系统本底波前测量；②o光波前测量；③e光波前测量；④待测大口径单轴晶体折射率均匀性分布计算。具体工作过程如下：

1)系统本底波前测量

激光器1的单模尾纤输出发散的圆偏振光，经准直镜2输出准直圆偏振光，再通过起偏器3起偏为线偏振光，经过半透半反镜5一部分反射，一部分透射，反射光经会聚镜6聚焦到监视积分球功率计7的积分球内，测量值为I_监视，透射光经缩束系统物镜8和缩束系统目镜9缩束，缩束光斑由夏克-哈特曼波前传感器10接收，调节夏克-哈特曼波前传感器10的方位和俯仰，并实时测量波前，当波前测量zernike像差系数中的x，y方向倾斜像差系数小于0.01个波长时，认为夏克-哈特曼波前传感器姿态已调整好，并将此波前测量结果存为系统本底波前Φ_c(x,y)；

2)o光波前测量

将待测大口径单轴晶体4置入测量光路中，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起偏为线偏振光，经过待测大口径单轴晶体4透射，再由半透半反镜5一部分反射，一部分透射，反射光经会聚镜6聚焦到监视积分球功率计7的积分球内，计算机11控制起偏器3旋转，当功率测量值I_监视最大时，即确保了线偏振光的偏振方向与待测大口径单轴晶体4内部o光方向相同。透射光经缩束系统物镜8和目镜9缩束，缩束光斑由夏克-哈特曼波前传感器10接收。将夏克-哈特曼波前传感器波前测量结果中的x,y方向倾斜zernike像差系数置零，得到扣除倾斜像差的o光波前为Φ_o(x,y)，将其减去系统本底波前Φ_c(x,y)，得到o光波前变化值Φ_oc(x,y)。

3)e光波前测量

确保O光波前测量光路不动，利用计算机11控制起偏器3旋转90度，并在其位置微调，当监视积分球功率计7的功率测量值I_监视最大时，即确保了线偏振光的偏振方向与待测大口径单轴晶体4内部e光方向相同。将夏克-哈特曼波前传感器波前测量结果中的x,y方向倾斜zernike像差系数置零，得到扣除倾斜像差的e光波前为Φ_e(x,y)，将其减去系统本底波前Φ_c(x,y)，得到e光波前变化值Φ_ec(x,y)。

4)待测大口径单轴晶体折射率均匀性分布计算

o光波前变化值Φ_oc(x,y)反映了晶体加工误差和o光折射率非均匀性，即：

${\mathrm{\Φ}}_{oc}(x,y)={\mathrm{\Φ}}_o(x,y)-{\mathrm{\Φ}}_c(x,y)\≈({\stackrel{\‾}{n}}_o-1)\·\mathrm{\δ}d---\left(1\right)$

式中，为待测大口径单轴晶体o光折射率标称值，δd为待测大口径单轴晶体厚度变化值。

e光波前变化值为：

${\mathrm{\Φ}}_{ec}(x,y)={\mathrm{\Φ}}_e(x,y)-{\mathrm{\Φ}}_c(x,y)\≈({\stackrel{\‾}{n}}_e-1)\·\mathrm{\δ}d+{\mathrm{\δn}}_e(x,y)\·\stackrel{\‾}{d}---\left(2\right)$

式中，为待测大口径单轴晶体e光折射率标称值；δn_e为待测大口径单轴晶体e光折射率变化值；为待测大口径单轴晶体厚度标称值。

e光波前相对o光波前测量结果变化值ΔΦ(x,y)为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\Φ}(x,y)={\mathrm{\Φ}}_{ec}(x,y)-{\mathrm{\Φ}}_{oc}(x,y)=({\stackrel{\‾}{n}}_e-{\stackrel{\‾}{n}}_0)\·\mathrm{\δ}d+{\mathrm{\δn}}_e(x,y)\·\stackrel{\‾}{d}---\left(3\right)$

(1)，(3)式联立可得待测大口径单轴晶体折射率均匀性为：

${\mathrm{\δn}}_e(x,y)=\frac{\left({\mathrm{\Φ}}_{ec}\right(x,y)-{\mathrm{\Φ}}_{oc}(x,y\left)\right)-\left(\frac{{\stackrel{\‾}{n}}_e-{\stackrel{\‾}{n}}_0}{{\stackrel{\‾}{n}}_0-1}\right)\·{\mathrm{\Φ}}_{oc}(x,y)}{\stackrel{\‾}{d}}---\left(4\right)$

计算机11控制二维扫描装置使被测大口径单轴晶4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，从而得到单轴晶体全口径折射率均匀性分布。

Claims (5)

1.一种大口径单轴晶体折射率均匀性测量装置，其特征在于：所述大口径单轴晶体折射率均匀性测量装置包括激光器、准直镜、起偏器、待测大口径单轴晶体、半透半反镜、会聚镜、积分球功率计、缩束系统物镜、缩束系统目镜、夏克-哈特曼波前传感器以及计算机；所述准直镜、起偏器以及半透半反镜依次设置在激光器的出射光所在光路上；所述半透半反镜将入射至半透半反镜的光进行反射以及透射并分别形成反射光以及透射光；所述会聚镜设置在反射光所在光路上并将反射光会聚至积分球功率计中；所述缩束系统物镜、缩束系统目镜以及夏克-哈特曼波前传感器依次设置在透射光所在光路上；待测大口径单轴晶体置于起偏器和半透半反镜之间；所述计算机分别与积分球功率计、夏克-哈特曼波前传感器以及待测大口径单轴晶体相连。

2.根据权利要求1所述的大口径单轴晶体折射率均匀性测量装置，其特征在于：所述大口径单轴晶体折射率均匀性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1或2所述的大口径单轴晶体折射率均匀性测量装置，其特征在于：所述大口径单轴晶体折射率均匀性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折射率均匀性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，再通过起偏器起偏为线偏振光；经过半透半反镜进行反射以及透射并分别形成反射光以及透射光；反射光经会聚镜聚焦到监视积分球功率计的积分球内；透射光经缩束系统物镜和缩束系统目镜缩束得到缩束光斑，缩束光斑由夏克-哈特曼波前传感器接收，调节夏克-哈特曼波前传感器的方位和俯仰，并实时测量波前，当波前测量zernike像差系数中的x，y方向倾斜像差系数小于0.01个波长时，将此波前测量结果存为系统本底波前Φ_c(x,y)；

2)将待测大口径单轴晶体置入起偏器和半透半反镜之间；

3)激光器输出发散的圆偏振光，经准直镜输出准直圆偏振光，再通过起偏器起偏为线偏振光，经过待测大口径单轴晶体透射，经过半透半反镜进行反射以及透射并分别形成反射光以及透射光；反射光经会聚镜聚焦到监视积分球功率计的积分球内，旋转起偏器，当功率测量值I_监视最大时，得到线偏振光的偏振方向与待测大口径单轴晶体内部o光方向相同；透射光经缩束系统物镜和缩束系统目镜缩束后得到缩束光斑，缩束光斑由夏克-哈特曼波前传感器接收；将夏克-哈特曼波前传感器波前测量结果中的x，y方向倾斜zernike像差系数置零，得到扣除倾斜像差的o光波前为Φ_o(x,y)，将其减去系统本底波前Φ_c(x,y)，得到o光波前变化值Φ_oc(x,y)；

所述o光波前变化值体现晶体加工误差和o光折射率非均匀性；所述o光波前变化值Φ_oc(x,y)的表达式是：

其中：

为待测大口径单轴晶体o光折射率标称值；

δd为待测大口径单轴晶体厚度变化值；

4)确保O光波前测量光路不动，控制起偏器旋转90度，重复步骤3)，当监视积分球功率计的功率测量值I_监视最大时，即确保了线偏振光的偏振方向与待测大口径单轴晶体内部e光方向相同；透射光经缩束系统物镜和缩束系统目镜缩束后得到缩束光斑，缩束光斑由夏克-哈特曼波前传感器接收；将夏克-哈特曼波前传感器波前测量结果中的x，y方向zernike像差系数置零，得到扣除倾斜像差的e光波前为Φ_e(x,y)；将其减去系统本底波前Φ_c(x,y)得到e光波前变化值Φ_ec(x,y)；所述e光波前变化值Φ_ec(x,y)的表达式是：

其中：

为待测大口径单轴晶体e光折射率标称值；

δn_e为待测大口径单轴晶体e光折射率变化值；

为待测大口径单轴晶体厚度标称值；

5)计算待测大口径单轴晶体折射率均匀性：

e光波前相对o光波前测量结果变化值ΔΦ(x,y)为：

所述待测大口径单轴晶体折射率均匀性为：

。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：所述方法在步骤5)之后还包括：

6)通过计算机控制二维扫描装置使待测大口径单轴晶体按固定步长沿两维方向平移，使测量光束相对扫描待测大口径单轴晶体的全部通光口径，从而得到待测大口径单轴晶体全口径折射率均匀性分布。