CN106383000A - 一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置及方法，涉及微观应力测量领域。基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置包括：第一激光器、起偏器、样品、微调二维平移台、第二激光器、第三激光器、第一四象限探测器、第二四象限探测器、双电光调制器、检偏器、光电探头、锁相放大器和计算机。本发明通过四象限探测器对试样表面反射光进行实时跟踪定位测量，计算出试样厚度，消除了厚度波动对相位延迟量的干扰，并采用单晶体双电光调制，进一步提高了测量精度。

Description

一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装 置及方法

技术领域

本发明涉及微观应力测量技术领域，尤其涉及一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置及方法。

背景技术

在现代工业对光学晶体生产制造过程中，会不可避免的产生由各种因素引起光学晶体应力的累积。常规检测技术没有消除试样厚度波动对相位延迟量的干扰，因此不能有效对晶体的实际应力进行精准测量。大多数检测方法使用光弹调制器对试样进行检测，增加了测量成本，且调试周期长、操作不便。

李克武等人(一种弹光调制和电光调制联极测微小线性双折射的装置，专利申请号为：201510549341.9；一种弹光调制和电光调制联极的相位调制型椭偏仪，专利申请号为：201510659110.3)提出利用弹光调制和电光调制联极的方法测量晶体的线性双折射。但其中对电光调制器进行了直流调制，仅在V＝0和V＝V_π两种状态下工作，未充分利用电光调制器的可连续调节特性，使得测量精度一般。

李鹏(一种基于电光调制测量波片相位延迟的方法，通信电源技术，33卷，2期，2016年)等人，利用电光调制器对信号光进行连续调制并进行琼斯矩阵的推导和信号处理得到晶体的相位延迟量，但在此系统中单方向调制频率未对信号光进行充分调制。

杨朝兴(基于光源光强正弦调制的双折射检测装置和检测方法，专利申请号为：201110129456.4)等人采用双光弹调制器的方法对晶体相位延迟量进行测量。该方法采用双光弹调制器，设备昂贵、调试周期长。

李艳春(玻璃内应力高精度检测技术的研究[硕士学位论文]，中国科学院西安光学精密机械研究所，2014)等人提出通过磁光调制加旋光器、双磁光调制技术、磁光调制与弹光调制联级等步步改进的方法对玻璃内应力进行测量。但无论哪种方法，限幅效应引起的探测信号失真和灵敏度低成为了制约该系列方法的致命缺陷，并且测量精度低。

在试样厚度波动和双折射对相位延迟量的双重作用下，上述方法均未消除晶体厚度波动的干扰，不能测量出光学材料实际微观应力值，且测量系统存在精度低、调制不充分、成本高、调制幅度低等问题，将难以测得试样真实内应力大小。

发明内容

针对上述问题，本发明目的在于提出一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置及方法，解决了现有技术中厚度波动对相位延迟量的干扰、精度低、调制不充分、成本高、调制幅度低等问题。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置及方法，该装置按照：第一激光器、起偏器、样品、微调二维平移台、第二激光器、第三激光器、第一四象限探测器、第二四象限探测器、第一缩束镜、第二缩束镜、第三缩束镜、第四缩束镜、双电光调制器、检偏器、光电探头、锁相放大器和计算机依次连接在支架上。

作为上述基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置的一种优选方案，所述四个缩束镜对反射光进行缩束，使得试样表面反射光对试样厚度波动的灵敏度提高。

作为上述基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的方法的一种优选方案，所述测量过程中保持主光束光斑与两反射光光斑在试样两表面空间重合，实现了对试样应力大小的实时观测。

作为上述基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的方法的一种优选方案，所述在试样厚度波动和双折射对相位延迟量的双重作用下，四象限探测器对试样表面反射光进行实时跟踪定位测量，计算出试样的厚度波动，消除了试样厚度波动对相位延迟测量的干扰。

作为上述基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的方法的一种优选方案，所述调制频率为1k-50kHz。

作为上述基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的方法的一种优选方案，所述本发明通过单晶体双电光调制，在调制器左部和右部采用不同频率电场对信号光进行调制。

作为上述基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的方法的一种优选方案，所述起偏器与X成45°，检偏器为90°，试样光轴方向与X成90°

作为上述基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的方法的一种优选方案，所述微调二维平移台通过计算机精确控制试样在二维方向上移动，对整个试样区域内的内应力进行实时测量。信号光经过电光调制器时被双向调制，进而此调制信息被光电探头接收并传入锁相放大器，通过计算机结合试样厚度差进行计算，得到晶体微观应力双折射空间分布图，实时反应晶体内部应力的大小。

所述系统中各个光学元器件进行矫正时，必须保证探测激光束与光学元器件的垂直，

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用四象限探测器对试样表面反射光进行实时跟踪定位测量，计算出试样的厚度波动，消除了试样厚度波动对相位延迟测量的干扰。

2、本发明在试样厚度波动和双折射对相位延迟量的双重作用下，测量过程中采用四个缩束镜对反射光进行缩束，使得试样表面反射光对试样厚度波动的灵敏度提高，并保持主光束光斑与两反射光光斑在试样两表面空间重合，满足对内应力的实时观测。

3、本发明通过单晶体双电光调制，在X、Y方向采用不同频率电场对信号光进行调制，利用铌酸锂Y方向加电场主轴不旋转，而X方向加电场主轴旋转45°的特点，使得信号光被充分调制，进一步提高了测量数据的精度。

附图说明：

图1为本发明具体实施方式提供的一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式提供的反射光测量试样厚度双折射空间波动分布图。

图3为本发明具体实施方式提供的应力双折射空间波动分布图。

图4为本发明具体实施方式提供的厚度波动和应力共同作用双折射空间波动分布图。

图5为本发明具体实施方式提供的实施例1应力双折射空间波动分布图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明实施方式保护一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置。本发明装置按照：第一激光器(1)、起偏器(2)、样品(3)、微调二维平移台(4)、第二激光器(5)、第三激光器(6)、第一四象限探测器(7)、第二四象限探测器(8)、第一缩束镜9、第二缩束镜(10)、第三缩束镜(11)、第四缩束镜(12)、电光调制器(13)、检偏器(14)、光电探头(15)、锁相放大器(16)和计算机(17)依次连接在支架(18)上。

本发明实施方式还保护一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的方法。激光器光源发出激光后通过45°起偏器，本发明所使用的起偏器与检偏器为格兰泰勒棱镜，消光比可达到100000∶1，然后再经过试样，由线偏振光变为椭圆偏振光。

根据公式：

$\mathrm{\Δ}n=\frac{\mathrm{\δ}\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}d}$

δ为相位延迟量，d为试样厚度，λ为激光器波长，Δn为折射率之差。

由公式可知相位延迟量和试样厚度有一定的关系，试样厚度波动会影响相位延迟量测量的精确性，本发明通过四象限探测器对试样表面反射光进行实时跟踪定位测量，计算出试样的厚度双折射空间波动，如图2所示，消除了试样厚度波动对相位延迟测量的干扰，如图3所示。

据光弹效应公式：

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{\Δ}n}{C}$

σ为应力大小，Δn为折射率之差，C为光弹性系数。

由公式可知双折射之差Δn与应力大小σ成正比，所以通过对双折射之差的测量，即可得到知道晶体微观应力的大小。

椭圆偏振光再经过单晶体双调制的电光调制器，电光调制器中的铌酸锂采用Z轴通光，竖直方向为Y轴，水平方向为X轴。在电光调制器左部加Y方向电场，右部加X方向电场，且两种电场频率范围为1kHz-50kHz，利用铌酸锂Y轴加电场主轴不旋转，而X轴加电场主轴旋转45°的特点，在X、Y方向采用不同频率对晶体进行调制。锁相放大器通过对探测光进行检波处理，将数据传入计算机并结合厚度波动进行计算，如图4为厚度与应力双重作用得到的双折射空间分布图，进而得到试样实际应力空间波动分布图。

整个系统中，以水平方向为X轴，竖直方向为Y轴。起偏器与试样分别与X成45°和90°，上述系统运用斯托克斯矢量和弥勒矩阵分析较为方便。起偏器的斯托克斯矢量和试样的弥勒矩阵分别为：

$I_P=\left[\begin{array}{c}{I}_0\\ 0\\ I_0\\ 0\end{array}\right]$

$S_S=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& cos\mathrm{\δ}& sin\mathrm{\δ}\\ 0& 0& -\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]$

上式中I₀为起偏器出射光束的光强。δ为试样相位延迟量。

对应电光调制器中的铌酸锂采用Z轴通光，竖直方向为Y轴，水平方向为X轴。在调制器左部加Y方向电场，右部加X方向电场，左部电场和右部电场米勒矩阵分别为：

$S_L=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& cos\left({\mathrm{\Φ}}_1{\mathrm{sin\ω}}_{1}t\right)& sin\left({\mathrm{\Φ}}_1{\mathrm{sin\ω}}_{1}t\right)\\ 0& 0& -sin\left({\mathrm{\Φ}}_1{\mathrm{sin\ω}}_{1}t\right)& cos\left({\mathrm{\Φ}}_1{\mathrm{sin\ω}}_{1}t\right)\end{array}\right]$

$S_R=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& cos\left({\mathrm{\Φ}}_2{\mathrm{sin\ω}}_{2}t\right)& 0& -sin\left({\mathrm{\Φ}}_2{\mathrm{sin\ω}}_{2}t\right)\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& sin\left({\mathrm{\Φ}}_2{\mathrm{sin\ω}}_{2}t\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\Φ}}_2{\mathrm{sin\ω}}_{2}t\right)\end{array}\right]$

上式中Φ₁、Φ₂为电光调制器的相位调制幅值，ω₁为电光调制器左部调制频率，ω₂为电光调制器右部调制频率。

检偏器与X成90°，弥勒矩阵为：

$S_p=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& -1& 0& 0\\ -1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

各个元器件进行校准定位后忽略元件的光损失，探测器探测到光强的斯托克斯矢量为：

$S=S_p{S}_R{S}_L{S}_S{I}_P=\frac{I_0}{2}\left[\begin{array}{c}1-sin\left({\mathrm{\Φ}}_{2}sin{\mathrm{\ω}}_{2}t\right)sin\left({\mathrm{\Φ}}_{1}sin{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)cos\mathrm{\δ}-sin\left({\mathrm{\Φ}}_{2}sin{\mathrm{\ω}}_{2}t\right)cos\left({\mathrm{\Φ}}_{1}sin{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)sin\mathrm{\δ}\\ -1+sin\left({\mathrm{\Φ}}_{2}sin{\mathrm{\ω}}_{2}t\right)sin\left({\mathrm{\Φ}}_{1}sin{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)cos\mathrm{\δ}+sin\left({\mathrm{\Φ}}_{2}sin{\mathrm{\ω}}_{2}t\right)\cos \left({\mathrm{\Φ}}_{1}sin{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)sin\mathrm{\δ}\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

即得到的探测光强分别为：

$I=\frac{I_0}{2}\[1-sin\left({\mathrm{\Φ}}_2{\mathrm{sin\ω}}_{2}t\right)sin\left({\mathrm{\Φ}}_1{\mathrm{sin\ω}}_{1}t\right)cos\mathrm{\δ}-sin\left({\mathrm{\Φ}}_2{\mathrm{sin\ω}}_{2}t\right)cos\left({\mathrm{\Φ}}_1{\mathrm{sin\ω}}_{1}t\right)sin\mathrm{\δ}\]$

将上式中的sin(Φsinωt)、cos(Φsinωt)展开如下：

sin(Φsinωt)＝2J₁(Φ)sinωt+2J₃(Φ)sin3ωt+…

cos(Φsinωt)＝J₀(Φ)+2J₂(Φ)cos 2ωt+2J₄(Φ)cos 4ωt…

其中J_n是n阶贝塞尔函数，忽略3阶及以上的高阶贝塞尔级数，则：

$\begin{array}{c}{I}_1=\frac{I_0}{2}\left[\begin{array}{c}1-2J_0\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)J_1\left({\mathrm{\Φ}}_2\right){\mathrm{sin\ω}}_{2}tsin\mathrm{\δ}+4J_1\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)J_1\left({\mathrm{\Φ}}_2\right){\mathrm{sin\ω}}_{1}t{\mathrm{sin\ω}}_{2}tcos\mathrm{\δ}-\\ 4J_1\left({\mathrm{\Φ}}_2\right)J_2\left({\mathrm{\Φ}}_1\right){\mathrm{sin\ω}}_{2}t\cos 2{\mathrm{\ω}}_{1}t)\sin \mathrm{\δ}\end{array}\right]\\ =\frac{I_0}{2}\left[\begin{array}{c}1-2J_0\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)J_1\left({\mathrm{\Φ}}_2\right){\mathrm{sin\ω}}_{2}tsin\mathrm{\δ}+2J_1\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)J_1\left({\mathrm{\Φ}}_2\right)\left(\cos \right({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)t-\cos ({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2\left)t\right)cos\mathrm{\δ}\\ -2J_1\left({\mathrm{\Φ}}_2\right)J_2\left({\mathrm{\Φ}}_1\right)\left(\sin \right({\mathrm{\ω}}_2+2{\mathrm{\ω}}_1)t+\sin ({\mathrm{\ω}}_2-2{\mathrm{\ω}}_1\left)t\right)\sin \mathrm{\δ}\end{array}\right]\end{array}$

其中电光调制器的相位幅值Φ₁设置为2.405，Φ₂为2.405，由贝塞尔函数表可知，J₀(2.405)＝0。

即所测的直流信号强度为：

$V_{DC}=\frac{{\mathrm{KI}}_0}{2}$

两探头所接受到的和频及差频信号分别为：

V_ω1+ω2＝KI₀J₁(2.405)J₁(2.405)cos(ω₁+ω₂)t cosδ

V_ω1-ω2＝-KI₀J₁(2.405)J₁(2.405)cos(ω₁-ω₂)t cosδ

V_ω2+2ω1＝-KI₀J₁(2.405)J₂(2.405)sin(ω₂+2ω₁)t sinδ

V_ω2-2ω1＝-KI₀J₁(2.405)J₂(2.405)sin(ω₂-2ω₁)t sinδ

则：

$\frac{V_{\mathrm{\ω}1+\mathrm{\ω}2}}{V_{DC}}=2J_1\left(2.405\right)J_1\left(2.405\right)\cos ({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)t\cos \mathrm{\δ}$

$\frac{V_{\mathrm{\ω}1-\mathrm{\ω}2}}{V_{DC}}=-2J_1\left(2.405\right)J_1\left(2.405\right)\cos ({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t\cos \mathrm{\δ}$

$\frac{V_{\mathrm{\ω}2+2\mathrm{\ω}1}}{V_{DC}}=-2J_1\left(2.405\right)J_2\left(2.405\right)sin({\mathrm{\ω}}_2+2{\mathrm{\ω}}_1)tsin\mathrm{\δ}$

$\frac{V_{\mathrm{\ω}2-2\mathrm{\ω}1}}{V_{DC}}=-2J_1\left(2.405\right)J_2\left(2.405\right)sin({\mathrm{\ω}}_2-2{\mathrm{\ω}}_1)tsin\mathrm{\δ}$

则所求相位延迟量为：

$\mathrm{\δ}=\arccos \frac{V_{\mathrm{\ω}1+\mathrm{\ω}2}}{V_{DC}2J_1\left(2.405\right)J_1\left(2.405\right)}\mathrm{...1}$

$\mathrm{\δ}=\arccos \frac{V_{\mathrm{\ω}1-\mathrm{\ω}2}}{V_{DC}2J_1\left(2.405\right)J_2\left(2.405\right)}\mathrm{...2}$

$\mathrm{\δ}=\arcsin \frac{V_{\mathrm{\ω}2+2\mathrm{\ω}1}}{V_{DC}2J_1\left(2.405\right)J_2\left(2.405\right)}\mathrm{...3}$

$\mathrm{\δ}=\arcsin \frac{V_{\mathrm{\ω}2-2\mathrm{\ω}1}}{V_{DC}2J_1\left(2.405\right)J_2\left(2.405\right)}\mathrm{...4}$

本发明通过计算分析，当ω₁大于ω₂时，将式1、2、3进行平均计算，当2ω₁小于ω₂时，将式1、3、4进行平均计算，根据频率的不同值采用不同算法，减小了对晶体应力的测量误差。

激光器要求其波长范围为400-700nm，单色性小于±1nm，反射光与主光束夹角为0-90°，起偏器与检偏器消光比大于5000∶1，起偏器与检偏器均采用格兰泰勒棱镜，电动二维平移台分辨率为小于10μm，电光调制器两频率ω₁、ω₂为1kHz-50kHz，试样为透明光学晶体且能产生双折射。

综上所述，考虑到各个元件成本和精度要求，其零部件的优选范围为：激光器要求其波长范围为400-700nm，单色性小于±1nm，反射光与主光束夹角为10-80°，起偏器与检偏器消光比大于10000∶1，起偏器与检偏器均采用格兰泰勒棱镜，电动二维平移台分辨率为小于1μm，电光调制器两频率ω₁、ω₂为10kHz-50kHz，试样为铌酸锂、钽酸锂晶体和蓝宝石。

下面给出本发明检测装置的具体实施例，具体实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围

实施例1

设计一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置及方法，各元器件参数配置如下：激光器波长为632.8nm，单色性小于±0.1nm，反射光与主光束夹角为20°，起偏器与检偏器消光比为100000∶1，起偏器与检偏器均采用格兰泰勒棱镜，电动二维平移台分辨率为0.1μm，电光调制器两频率ω₁为10kHz，ω₂为30kHz，试样为铌酸锂晶体。

实施例2

设计一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置及方法，各元器件参数配置如下：激光器波长为514.5nm，单色性小于±0.1nm，反射光与主光束夹角为45°，起偏器与检偏器消光比为10000∶1，起偏器与检偏器均采用格兰泰勒棱镜，电动二维平移台分辨率为0.5μm，电光调制器两频率ω₁为1kHz，ω₂为10kHz，试样为钽酸锂晶体。

实施例3

设计一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置及方法，各元器件参数配置如下：激光器波长为488nm，单色性小于±0.1nm，反射光与主光束夹角为70°，起偏器与检偏器消光比为10000∶1，起偏器与检偏器均采用格兰泰勒棱镜，电动二维平移台分辨率为1μm，电光调制器两频率ω₁为50kHz，ω₂为30kHz，试样为蓝宝石晶体。

利用本发明检测装置对铌酸锂晶体进行微观空间应力检测(实施例1)，得到如图5所示双折射空间波动分布图。

以上所述具体事例对本发明的技术方案，实施办法做了进一步的详细说明，应理解的是，以上实例并不仅用于本发明，凡是在本发明的精神和原则之内进行的同等修改、等效替换、改进等均应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的装置，其特征在于，第一激光器(1)、起偏器(2)、试样(3)、微调二维平移台(4)、第二激光器(5)、第三激光器(6)、第一四象限探测器(7)、第二四象限探测器(8)、第一缩束镜(9)、第二缩束镜(10)、第三缩束镜(11)、第四缩束镜(12)、双电光调制器(13)、检偏器(14)、光电探头(15)、锁相放大器(16)和计算机(17)依次连接在支架(18)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的方法，其特征在于，测量过程中保持主光束光斑与两反射光光斑在试样两表面空间重合，并通过四象限探测器对试样表面反射光进行实时跟踪定位测量，计算出试样的厚度波动。

3.根据权利要求1所述的一种基于单晶体双电光调制实时测量光学材料微观应力的方法，其特征在于，该系统通过单晶体双电光调制，在X、Y方向采用不同频率电场对信号光进行调制。