CN108106759A - 一种原子气室表面应力测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气室表面应力测试技术领域，具体公开了一种原子气室表面应力测试装置及测试方法。装置包括激光准直器、起偏器、原子气室、1/4波片、检偏器和CCD及镜头，还包括固定安装座、光学调整架和四个支杆。方法中首先将光源通过激光准直器、起偏器后形成两束线偏振光，再使两束光线产生π/2相位差，记录检偏器零位，利用CCD记录一张带有灰度值的气室应力分布图片，得到气室每一位置的灰度值与检偏器旋转角度的对应关系，拟合出每一位置气室灰度值最小的点所对应检偏器角度，最终得到气室应力值分布。消除了直接测量带来的而精度误差，精度提高。设计的原子气室表面应力测试装置采用笼式结构，方便光路对轴，且结构简单紧凑，稳定可靠。
Description
技术领域
本发明属于气室表面应力测试技术领域，具体涉及一种气室表面应力精确测量装置及方法。
背景技术
由于气室玻璃生产工艺的特殊性，制作完成后玻璃表面不可避免的会存在应力，一般可分为热应力、结构应力和机械应力三种。热应力是由于温度差产生相互作用力，该应力主要受温度差的影响，可通过退火和减小温度差消除热应力；结构应力是由于气室固有结构造成的相互作用力，该应力由材料本身决定；机械应力是玻璃受到外力作用时内部的相互作用力，外力撤去后，该应力随之消失。
原子气室为微小型核磁共振陀螺系统关键器部件之一，激光通过气室时，发生双折射效应，导致激光在气室玻璃材质传播中偏振态被破坏，降低了激光对原子自旋的操控精度，已经成为制约微小型核磁共振陀螺精度提高的技术瓶颈之一，所以对气室表面应力精确测量从而改进原子气室制作工艺就显得十分必要。
目前光学玻璃的双折射测量方法现今主要有四种：干涉色法即简式偏光仪法、四分之一波片法即读数偏光仪法、半影检偏器法、补偿式玻璃应力测试法。干涉色法结构简单，只能定量评价；半影检偏器法结构复杂，对偏振器件要求较高，四分之一波片法受限于人眼对光亮度的灵敏度较低，对微小型原子气室应力测试精度较低。
基于此本发明提出了基于琼斯矩阵、图像数据处理以及结构紧凑易于安装的笼式气室表面应力测试装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种原子气室表面应力测试装置及测试方法，能够精确的提供核磁共振陀螺原子气室表面应力测试数据。
本发明的技术方案如下：
一种原子气室表面应力测试装置，它包括激光准直器、起偏器、原子气室、1/4波片、检偏器和CCD及镜头，还包括固定安装座、光学调整架和四个支杆，所述的激光准直器、起偏器、原子气室、1/4波片、检偏器和CCD及镜头从上到下安装沿共同的光轴安装在所述的支杆上，所述的四个支杆固定于上述六个光学器件的四周外侧，通过固定安装座和光学调整架安装。
在上述的原子气室表面应力测试装置中，所述的检偏器与起偏器光轴成90度角。
在上述的原子气室表面应力测试装置中，所述的1/4波片的琼斯矩阵为
其中，α为1/4波片的快轴与起偏器光轴x轴的夹角。
在上述的原子气室表面应力测试装置中，所述的原子气室的琼斯矩阵可以表示为
其中，θ为原子气室快轴与起偏器光轴x轴夹角的夹角，λ为激光波长，no-ne为气室快慢轴折射率差，d为气室玻璃厚度。
一种基于原子气室表面应力测试方法，包括如下步骤：
1)将光源通过激光准直器准直；
2)利用起偏器将准直后的光源变成线偏振光；
3)上述两束光线均经过1/4波片，使得两束光线产生π/2相位差；
4)调节起偏器和检偏器光轴垂直，使CCD探测到的视野为暗场，此时起偏器与检偏器的光轴相互垂直，记录检偏器的角度γ0，并以此作为检偏器零位；
5)将气室放入光路中，调节气室光轴与起偏器、检偏器光轴呈45°夹角；
6)从零位开始旋转检偏器，每隔0.03～0.05°用CCD记录一张带有灰度值的气室应力分布图片，得到气室每一位置的灰度值与检偏器旋转角度的对应关系，拟合出每一位置气室灰度值最小的点所对应检偏器角度，最终得到气室应力值分布。
本发明的显著效果如下：本发明的测试装置当光线通过时，由于玻璃各向异性会产生双折射现象，通过两束光的光程差即可测量玻璃气室表面应力。方法中采用上述测试装置将CCD多幅图像数据拟合提高微小型原子气室应力测试精度，同时采用笼式结构便于系统安装调试，结构紧凑，稳定性好。从零位开始旋转检偏器，用CCD记录一张带有灰度值的气室应力分布图片，得到气室每一位置的灰度值与检偏器旋转角度的对应关系，拟合出每一位置气室灰度值最小的点所对应检偏器角度，最终得到气室应力值分布，消除了直接测量带来的而精度误差，精度提高。
设计的原子气室表面应力测试装置采用笼式结构，方便光路对轴，且结构简单紧凑，稳定可靠。
附图说明
图1为原子气室表面应力测试装置示意图；
图2为原子气室表面应力测试装置的原理示意图；
图中：1.激光准直器；2.起偏器；3.原子气室；4.1/4波片；5.检偏器；6.CCD及镜头。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，原子气室表面应力测试装置包括激光准直器1、起偏器2、原子气室3、1/4波片4、检偏器5和CCD及镜头6，它们分别从上到下安装，形成笼式结构，所述的笼式结构包括上述六个器件、四根钢制支杆、固定安装座及光学调整架，将上述的器件通过固定安装座及光学调整架沿着共同的光轴安装在支杆上。
笼式结构方便光路对轴，且结构简单紧凑，稳定可靠
一种基于原子气室表面应力测试方法，操作步骤为：
1)将光源通过激光准直器准直；
2)利用起偏器将准直后的光源变成线偏振光；
3)上述两束光线均经过1/4波片，使得两束光线产生π/2相位差；
4)调节起偏器和检偏器光轴垂直，使CCD探测到的视野为暗场，此时起偏器与检偏器的光轴相互垂直。记录检偏器的角度γ0，并以此作为检偏器零位。
5)将气室放入光路中，调节气室光轴与起偏器、检偏器光轴y轴呈45°夹角。
6)从零位开始旋转检偏器，每隔0.04°用CCD记录一张带有灰度值的气室应力分布图片，得到气室每一位置的灰度值与检偏器旋转角度的对应关系，拟合出每一位置气室灰度值最小的点所对应检偏器角度，最终得到气室应力值分布。
调节各光学元件，使得快轴与起偏器光轴同向，检偏器与起偏器光轴成90度角，1/4波片的光轴分别与起偏器和检偏的光轴重合，使1/4波片、检偏器、原子气室的琼斯矩阵分别满足以下关系：
假设原子气室快轴与x轴夹角为θ，那么气室的琼斯矩阵可以表示为：
式中，δ为线偏振光通过气室后快慢轴产生的相位差，λ为激光波长，no-ne为气室快慢轴折射率差，用来表示气室的应力，d为气室玻璃厚度。
假设1/4波片的快轴与x轴夹角为α，那么1/4波片的琼斯矩阵可以表示为：
当α＝0时，
假设检偏器透光轴与x轴夹角为β，则检偏器的琼斯矩阵可以表示为：
通过琼斯矩阵计算，经过检偏器输出的光矢量E2为：
E2＝GJP·G1/4·Gcell·E1
通过矩阵计算，并利用exp(iδ)＝cosδ+isinδ对结果进行简化可以得到：
其中，从激光经过起偏器后振动矢量为A为振幅，且I0＝A2,I0为激光器输出光强。
经检偏器输出的光强大小为：
I＝I0[cos2β-2cos(2β)cos2θsin2θ(1-cosδ)+sin(2θ)cosθsinθsinδ]
当检偏器与起偏器垂直即β＝π/2时，可以看到当θ＝π/4时，输出光强为最大，那么当θ＝π/4，I与β和δ的关系可以表示为：
综上分析可得，当检偏器从消光位置也就是β＝π/2处旋转角度γ后，输出光强可以表示为：
当γ＝δ/2时，光强达到最小，输出为0。所以通过旋转检偏器寻找光强最小值对应的检偏器所转动过的角度即可求得相位差：
δ＝2γ
调节起偏器和检偏器光轴垂直。安装起偏器、检偏器，调节检偏器使CCD探测到的视野为暗场，此时起偏器与检偏器的光轴相互垂直。记录检偏器的角度γ0，并以此作为检偏器零位。从零位开始旋转检偏器，每隔0.04°用CCD记录一张带有灰度值的气室应力分布图片，得到气室每一位置的灰度值与检偏器旋转角度的对应关系，拟合出每一位置气室灰度值最小的点所对应检偏器角度，最终得到气室应力值分布。
Claims (5)
1.一种原子气室表面应力测试装置，其特征在于：它包括激光准直器(1)、起偏器(2)、原子气室(3)、1/4波片(4)、检偏器(5)和CCD及镜头(6)，还包括固定安装座、光学调整架和四个支杆，所述的激光准直器(1)、起偏器(2)、原子气室(3)、1/4波片(4)、检偏器(5)和CCD及镜头(6)从上到下安装沿共同的光轴安装在所述的支杆上，所述的四个支杆固定于上述六个光学器件的四周外侧，通过固定安装座和光学调整架安装。
2.如权利要求1所述的原子气室表面应力测试装置，其特征在于：所述的检偏器与起偏器光轴成90度角。
3.如权利要求1所述的原子气室表面应力测试装置，其特征在于：
所述的1/4波片的琼斯矩阵为
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其中，α为1/4波片的快轴与起偏器光轴x轴的夹角。
4.如权利要求1所述的原子气室表面应力测试装置，其特征在于：
所述的原子气室的琼斯矩阵可以表示为
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其中，θ为原子气室快轴与起偏器光轴x轴夹角的夹角，λ为激光波长，no-ne为气室快慢轴折射率差，d为气室玻璃厚度。
5.一种基于原子气室表面应力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将光源通过激光准直器准直；
2)利用起偏器将准直后的光源变成两束线偏振光；
3)上述两束光线均经过1/4波片，使得两束光线产生π/2相位差；
4)调节起偏器和检偏器光轴垂直，使CCD探测到的视野为暗场，此时起偏器与检偏器的光轴相互垂直，记录检偏器的角度γ0，并以此作为检偏器零位；
5)将气室放入光路中，调节气室光轴与起偏器、检偏器光轴呈45°夹角；
6)从零位开始旋转检偏器，每隔0.03～0.05°用CCD记录一张带有灰度值的气室应力分布图片，得到气室每一位置的灰度值与检偏器旋转角度的对应关系，拟合出每一位置气室灰度值最小的点所对应检偏器角度，最终得到气室应力值分布。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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