CN106918310B - 非接触式电光晶体通光面法线与z轴偏离角测量装置及其测量方法 - Google Patents

非接触式电光晶体通光面法线与z轴偏离角测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

一种电光晶体通光面法线与Z轴偏离角测量装置及其测量方法，该装置包括激光器、第一透镜、空间滤波器、第二透镜、起偏器、分光镜、平面反射镜、数字光电自准直仪、第三透镜、第四透镜、检偏器、成像透镜、探测器和计算机处理系统。实验表明，本发明利用锥光干涉原理，实现了待测晶体待测面的非接触式无损检测，保障了测量过程中不引入待测晶体表面划痕，并且适用于大口径电光晶体检测，另外本发明采用数字光电自准直仪标定检测光束的光轴方向，保障了检测光束垂直入射待测晶体，具有测量精度高，测量重复性好的优点，具有很大应用前景。

Description

非接触式电光晶体通光面法线与Z轴偏离角测量装置及其测 量方法
技术领域
本发明涉及光学检测领域，具体是一种非接触式电光晶体通光面法线与Z轴偏离角测量装置及其测量方法。
背景技术
高功率激光系统采用先进的多程放大技术获取高能量提高效率，而大口径等离子体电极电光开关是该技术的关键部件之一，它的作用是隔离控制后向反射激光，防止系统大口径光学元件的破坏，维护系统的运行安全。电光开关晶体按垂直于它的光轴切割制造，随着定轴误差增大，光能量损耗迅速增加，因此应尽量抑制电光晶体通光面法线与Z轴偏离角度误差。但要抑制该角度误差首先要准确测量，需要有专业的测量仪器。常规X射线晶体定轴检测设备基于布拉格衍射原理，选用标准钢板作为通光面基准，并需要将待测晶体紧紧吸附在标准钢板上。晶体表面与标准钢板接触时容易产生划痕。在高功率激光系统中，划痕很容易引起能量集中，导致电光晶体损坏，因此X射线衍射法并不适用于对表面疵病要求很高的电光晶体Z轴定轴检测。
在发明专利电光晶体Z轴偏离角测量装置及测量方法(CN105066910A)中，提出了一种基于锥光干涉方法的电光晶体Z轴偏离角测量装置及测量方法，然而在权利要求5里的具体测量过程中，该方法通过调整待测晶体使待测晶体(111)表面反射光与反射镜(107)反射光在光屏处干涉出现零级条纹判断此时光垂直入射待测晶体(111)。然而，光屏处干涉出现零级条纹只能说明待测晶体(111)处的光线入射角度和反射镜(107)处的光线入射角度是相同的，若反射镜(107)处不是垂直入射，则待测晶体(111)处也不是垂直入射的。该套装置中无法对反射镜(107)进行精确角度定位，因此测量结果会包含反射镜(107)角度定位误差，影响测量结果准确度。
发明内容
本发明提出一种电光晶体通光面法线与Z轴偏离角测量装置及其测量方法，实现电光晶体无损检测，克服了现有方法中易产生划痕以及测量误差大等问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种非接触式电光晶体通光面法线与Z轴偏离角的测量装置，其特点在于该装置包含激光器，沿该激光器出射激光方向依次是第一透镜、空间滤波器、第二透镜、起偏器和分光镜；该分光镜将入射的激光分为反射光和透射光，沿所述的反射光方向是所述的平面反射镜，在该平面反射镜的反射光方向依次是所述的分光镜和数字光电自准直仪；沿所述的透射光方向依次为第三透镜、第四透镜、检偏器、成像透镜和探测器，该探测器的输出端与所述的计算机处理系统的输入端相连；所述的起偏器和检偏器偏振方向垂直，第三透镜和第四透镜严格共轭，所述的平面反射镜和数字光电自准直仪置于所述的调整架上，通过调整架实现平面反射镜和数字光电自准直仪同步调整。
所述的第三透镜设有定位装置，保证其在移除光路后再次移入光路时的位置不变，仍与第四透镜严格共轭。
所述的平面反射镜的反射率与待测晶体前表面的反射率在同一量级。
用上述非接触式电光晶体通光面法线与Z轴偏离角测量装置测量电光晶体通光面法线与Z轴偏离角的方法，其特点在于该方法主要包括以下步骤：
A)将待测电光晶体置于所述的第三透镜和第四透镜的公共焦平面，关闭所述的激光器，通过数字光电自准直仪观察由数字光电自准直仪发出的平行光经所述的平面反射镜反射后达到数字光电自准直仪的光斑位置，并通过调整所述的平面反射镜的姿态，使返回的光斑位于数字光电自准直仪成像系统的中心；
B)打开激光器，通过所述的数字光电自准直仪观察由激光器发出的光经平面反射镜反射后到达数字光电自准直仪的位置，并通过调节所述的调整架实现平面反射镜和数字光电自准直仪协同姿态调整，使由所述的激光器发出的光斑位于数字光电自准直仪成像系统的中心；
C)将第三透镜移出光路，关闭激光器，通过数字光电自准直仪观察由数字光电自准直仪发出的平行光经所述的平面反射镜和待测晶体表面反射回的光斑，并通过调节待测晶体的姿态，使两个光斑的位置重合；
D)关闭数字光电自准直仪的光源，打开激光器，将第三透镜移入光路，所述的计算机处理系统通过所述的探测器采集锥光干涉图，记录光轴出露点的位置(x1，y1)；
E)旋转待测晶体一定角度，重复步骤A)、B)、C)、D)，再次记录光轴出露点的位置(x2，y2)；
F)重复步骤E)，完成多次测量，得到多组光轴出露点位置：(x1，y1)、(x2，y2)、…、(xi，yi)，其中i为3以上的整数，利用最小二乘法拟合出所述的光轴出露点的轨迹为圆形，该圆形的圆心位置的坐标即为待测电光晶体通光面法线对应位置的坐标(x0，y0)；
G)所述的待测电光晶体通光面法线与Z轴偏离角度的计算方法如下：
假设光轴出露点坐标为(x1，y1)，待测电光晶体的通光面法线对应位置的坐标为(x0，y0)，第三透镜焦距为f，第三透镜处光束口径为D，探测器上的光斑直径对应的像素数为N；
系统产生的锥光的锥角θ为：θ＝2arctan(D/2f)，
每个像素对应的角度大小，即角度分辨率Δθ为：
Δθ＝θ/N＝2arctan(D/2f)/N≈D/Nf，
所述的待测电光晶体的通光面法线与Z轴偏离角α为：
本发明的技术效果如下：
本发明利用锥光干涉原理，实现了待测晶体待测面非接触式无损检测，保障了测量过程中不引入待测晶体表面划痕，并且适用于大口径电光晶体检测，另外本发明采用数字光电自准直仪标定检测光束的光轴方向，保障了检测光束垂直入射待测晶体，具有测量精度高，测量重复性好的优点，具有很大应用前景。
附图说明
图1是本发明非接触式电光晶体通光面法线与Z轴偏离角测量装置示意图。
具体实施方式
图1为本发明非接触式电光晶体通光面法线与Z轴偏离角测量装置示意图，由图可见，本发明非接触式电光晶体通光面法线与Z轴偏离角的测量装置，装置的构成包含激光器1，沿该激光器1出射激光方向依次是第一透镜2、空间滤波器3、第二透镜4、起偏器5和分光镜6；该分光镜6将入射的激光分为反射光和透射光，沿所述的反射光方向是所述的平面反射镜7，在该平面反射镜7的反射光方向依次是所述的分光镜6和数字光电自准直仪8；沿所述的透射光方向依次是第三透镜9、第四透镜11、检偏器12、成像透镜13和探测器14，该探测器14的输出端与所述的计算机处理系统15的输入端相连；所述的起偏器5和检偏器12偏振方向相互垂直，第三透镜9和第四透镜11严格共轭，所述的平面反射镜7和数字光电自准直仪8置于所述的调整架16上，通过调整架16实现平面反射镜7和数字光电自准直仪8同步调整。
所述的第三透镜9设有定位装置，保证其在移除光路后再次移入光路时的位置不变，仍与第四透镜11严格共轭。
所述的平面反射镜7的反射率与待测晶体10前表面的反射率在同一量级。
用上述非接触式电光晶体通光面法线与Z轴偏离角测量装置测量电光晶体通光面法线与Z轴偏离角的方法，该方法主要包括以下步骤：
A)将待测电光晶体10置于所述的第三透镜9和第四透镜11的公共焦平面，关闭所述的激光器1，通过数字光电自准直仪8观察由数字光电自准直仪发出的平行光经所述的平面反射镜7反射后达到数字光电自准直仪8的光斑位置，并通过调整所述的平面反射镜7的姿态，使返回的光斑位于数字光电自准直仪8成像系统的中心；
B)打开激光器1，通过所述的数字光电自准直仪8观察由激光器1发出的光经平面反射镜7反射后到达数字光电自准直仪8的位置，并通过调节所述的调整架16实现平面反射镜7和数字光电自准直仪8协同姿态调整，使由所述的激光器1发出的光斑位于数字光电自准直仪8成像系统的中心；
C)将第三透镜9移出光路，关闭激光器1，通过数字光电自准直仪8观察由数字光电自准直仪8发出的平行光经所述的平面反射镜7和待测晶体10表面反射回的光斑，并通过调节待测晶体10的姿态，使两个光斑的位置重合；
D)关闭数字光电自准直仪8的光源，打开激光器1，将第三透镜9移入光路，所述的计算机处理系统15通过所述的探测器14采集锥光干涉图，记录光轴出露点的位置(x1，y1)；
E)旋转待测晶体10一定角度，重复上述步骤A)、B)、C)、D)，再次记录光轴出露点的位置(x2，y2)；
F)重复步骤E)，完成多次测量，得到多组光轴出露点位置：(x1，y1)、(x2，y2)、…、(xi，yi)，其中i为3以上的整数，利用最小二乘法拟合出所述的光轴出露点的轨迹为圆形，该圆形的圆心位置的坐标即为待测电光晶体10通光面法线对应位置的坐标(x0，y0)；
G)所述的待测电光晶体10通光面法线与Z轴偏离角的计算方法如下：
假设光轴出露点坐标为(x1，y1)，待测电光晶体10的通光面法线对应位置的坐标为(x0，y0)，第三透镜9焦距为f，第三透镜9处光束口径为D，探测器14上的光斑直径对应的像素数为N；
系统产生的锥光的锥角θ为：θ＝2arctan(D/2f)，
每个像素对应的角度大小，即角度分辨率Δθ为：
Δθ＝θ/N＝2arctan(D/2f)/N≈D/Nf，
所述的待测电光晶体10的通光面法线与Z轴偏离角α为：
激光器1发出的光经第一透镜2、空间滤波器3、第二透镜4扩束准直后变成平行光，经起偏器5形成线偏振光，再经第三透镜9会聚至待测晶体10，在晶体中发生双折射。检测光从待测晶体10中射出后再经由第四透镜11准直成平行光，经过检偏器12后由成像透镜13会聚至探测器14的探测面。
实验表明，本发明利用锥光干涉原理，实现了待测晶体待测面非接触式无损检测，保障了测量过程中不引入待测晶体表面划痕，并且适用于大口径电光晶体检测，另外本发明采用数字光电自准直仪标定检测光束的光轴方向，保障了检测光束垂直入射待测晶体，具有测量精度高，测量重复性好的优点，具有很大应用前景。

Claims (1)

1.一种非接触式电光晶体通光面法线与Z轴偏离角测量装置测量电光晶体通光面法线与Z轴偏离角的方法，该装置包含激光器(1)，沿该激光器(1)出射激光方向依次是第一透镜(2)、空间滤波器(3)、第二透镜(4)、起偏器(5)和分光镜(6)；该分光镜(6)将入射的激光分为反射光和透射光，沿所述的反射光方向是平面反射镜(7)，在该平面反射镜(7)的反射光方向依次是所述的分光镜(6)和数字光电自准直仪(8)；沿所述的透射光方向依次是第三透镜(9)、第四透镜(11)、检偏器(12)、成像透镜(13)和探测器(14)，该探测器(14)的输出端与计算机处理系统(15)的输入端相连；所述的起偏器(5)和检偏器(12)偏振方向相互垂直，第三透镜(9)和第四透镜(11)严格共轭，所述的平面反射镜(7)和数字光电自准直仪(8)置于调整架(16)上，通过所述的调整架(16)实现平面反射镜(7)和数字光电自准直仪(8)同步调整，其特征在于该方法主要包括以下步骤：
A)将待测电光晶体(10)置于所述的第三透镜(9)和第四透镜(11)的公共焦平面，关闭所述的激光器(1)，通过数字光电自准直仪(8)观察由数字光电自准直仪发出的平行光经所述的平面反射镜(7)反射后达到数字光电自准直仪(8)的光斑位置，并通过调整所述的平面反射镜(7)的姿态，使返回的光斑位于数字光电自准直仪(8)成像系统的中心；
B)打开激光器(1)，通过所述的数字光电自准直仪(8)观察由激光器(1)发出的光经平面反射镜(7)反射后到达数字光电自准直仪(8)的位置，并通过调节所述的调整架(16)实现平面反射镜(7)和数字光电自准直仪(8)协同姿态调整，使由所述的激光器(1)发出的光斑位于数字光电自准直仪(8)成像系统的中心；
C)将第三透镜(9)移出光路，关闭激光器(1)，通过数字光电自准直仪(8)观察由数字光电自准直仪(8)发出的平行光经所述的平面反射镜(7)和待测电光晶体(10)表面反射回的光斑，并通过调节待测电光晶体(10)的姿态，使两个光斑的位置重合；
D)关闭数字光电自准直仪(8)的光源，打开激光器(1)，将第三透镜(9)移入光路，所述的计算机处理系统(15)通过所述的探测器(14)采集锥光干涉图，记录光轴出露点的位置(x1，y1)；
E)旋转待测电光晶体(10)一定角度，重复上述步骤A)、B)、C)、D)，再次记录光轴出露点的位置(x2，y2)；
F)重复步骤E)，完成多次测量，得到多组光轴出露点位置：(x1，y1)、(x2，y2)、…、(xi，yi)，其中i为3以上的整数，利用最小二乘法拟合出所述的光轴出露点的轨迹为圆形，该圆形的圆心位置的坐标即为待测电光晶体(10)通光面法线对应位置的坐标(x0，y0)；
G)所述的待测电光晶体(10)通光面法线与Z轴偏离角的计算方法如下：
假设光轴出露点坐标为(x1，y1)，待测电光晶体(10)的通光面法线对应位置的坐标为(x0，y0)，第三透镜(9)焦距为f，第三透镜(9)处光束口径为D，探测器(14)上的光斑直径对应的像素数为N；
系统产生的锥光的锥角θ为：θ＝2arctan(D/2f)，
每个像素对应的角度大小，即角度分辨率Δθ为：
Δθ＝θ/N＝2arctan(D/2f)/N≈D/Nf，
所述的待测电光晶体(10)的通光面法线与Z轴偏离角α为：
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