CN108168470B - 一种基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量装置和测量方法。该装置由照明光源、定位基准元件、发散透镜、待测晶体、匹配透镜和CCD组成。用于照明的平行光束注入整个测量装置，经过定位基准元件、发散透镜后垂直入射到待测晶体表面。然后通过匹配透镜和CCD组成的光学系统将入射光成像于监视CCD上，通过CCD采集图像中的灰度值最大点的位置坐标来反推使倍频效率最大时对应的倍频晶体偏离准直位的夹角，从而得出倍频晶体的特征角度。本方法有效的解决了快速精确测量晶体特征角度的难题，消除了在测量过程中因为入射光束不稳定性引入的光束角漂对测试结果的影响，具有测量原理简单，操作简便等优点。

Description

一种基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量装置和方法
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，尤其是一种基于发散光束的精确测量倍频晶体特征角度的测量装置和方法。
背景技术
在较为复杂的钕玻璃高功率光学系统中，通常使用KDP晶体对基频光(波长1053nm)倍频后获得高效的三倍频光用来开展物理实验。晶体的倍频效率与晶体长度、相位匹配角、晶体温度以及基频光功率等因素有关。晶体的相位匹配角即入射的基频光偏离晶体晶轴的角度，是晶体的一个重要特征参数，以该角度入射的基频光满足相位匹配条件，在其它因素一定的条件下能够获得最佳的倍频效率。但在实际使用过程中，由于无法给出晶轴的方向作为基准参考，人们难以直接使用相位匹配角来调节晶体的最佳姿态。通常，晶体偏离准直位置(垂直于入射光)的角度被用来调节晶体的姿态。当入射光满足相位匹配条件时晶体偏离准直位置的角度即为晶体的特征角度，如图1所示。晶体从准直位置偏转该角度后能够获得最大的倍频效率。因此，晶体的特征角度需要得到精确的测量。
现有的测量晶体特征角度的主要方法是搜索法。即在一个较大的范围内不断改变入射光与晶体的夹角，同时监测倍频光的强度来搜索晶体的特征角度。其具体方法是从初始位置移动特定的步长开始搜索，当倍频光正好消失时记录晶体位置为位置1，用同样的方法反向搜索另一个正好消失的位置并记录为位置2。位置1和位置2之间的中间位置减去基准位置就是晶体的特征角度。同时，为了消除误差需要多次重复搜索取平均值。该方法较为繁琐，耗时较长。当系统中有多块晶体时还需要分别重复搜索每块晶体的特征角度。更为极端的情况是，当晶体温度发生变化的时候，晶体相位匹配角通常会发生改变，为了获得最佳的倍频效率需要同时调节温度和晶体角度两个变量。在该情况下使用搜索法测量晶体的特征角度无疑是既不便利的。
综上所述，更为简洁、快速、灵活的测量晶体特征角度无疑是非常必要的。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种测量原理简单、操作容易、调试精度高的倍频晶体特征角度的测量装置和方法，本发明灵活简洁、测量精度高，仅通过一次测量就能给出晶体的特征角度，解决了传统晶体特征角度测量方法测量次数较多、耗时较长的问题，极大简省了时间成本和经济成本。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量装置，在光路传输方向上依次排列有照明光源(1)、定位基准元件(2)、发散透镜(3或11)、待测晶体(4)、匹配透镜(5)和CCD(6)；其中光学元件均垂直于光轴，其几何中心均在光轴上，定位基准元件(2)正中心硬联结有定位基准(7或8)，照明光源(1)发出的平行光束照射定位基准元件(2)后，经过发散透镜(3或11)和待测晶体(4)后通过匹配透镜(5)后成像于CCD(6)。
进一步的，定位基准(7或8)和定位基准元件(2)硬联结为一个整体，联结位置在定位基准元件(2)的几何中心。
进一步的，所述待测晶体(4)的初始基准位置为垂直于光轴。
进一步的，使用发散透镜(3或11)对照明光源(1)发出的入射平行光进行发散，从而改变入射光与待测晶体(4)的夹角；发散后光束在空间上的不同位置表征了待测晶体(4)表面的不同入射角。
进一步的，合理排布各个光学元件之间的距离，使得照明光源(1)的物面(9)经过测量装置后的像面(10)在CCD(6)位置。
另一方面本发明还提供了一种基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量方法，在光路传输方向上依次排列照明光源(1)、定位基准元件(2)、发散透镜(3或11)、待测晶体(4)、匹配透镜(5)和CCD(6)，其中光学元件均垂直于光轴，其几何中心均在光轴上；在定位基准元件(2)正中心硬联结定位基准(7或8)，使得照明光源(1)发出的平行光束照射定位基准元件(2)后，经过发散透镜(3或11)和待测晶体(4)后通过匹配透镜(5)后成像于CCD(6)；合理排布各个光学元件之间的距离，使得照明光源(1)的物面(9)经过光学系统后的像面(10)在CCD(6)位置；记录CCD(6)采集图像中的灰度值最大点的位置坐标，并反推使倍频效率最大时对应的倍频晶体偏离准直位的夹角，从而得到倍频晶体的特征角度。
进一步的，定位基准(7或8)和定位基准元件(2)硬联结为一个整体，联结位置在定位基准元件(2)的几何中心；
根据衍射传输规律确定定位基准(7或8)的特征尺寸，所述定位基准的特征尺寸为定位基准(7)的直径R或定位基准(8)的直线宽度W；
将CCD(6)上采集到定位基准的像的中心作为基准坐标用于计算待测晶体(4)的特征角度。
进一步的，设发散透镜(3或11)的焦距为f1，发散透镜(3或11)和匹配透镜(5)之间的距离为L1，匹配透镜(5)的焦距为f2，匹配透镜(5)和CCD(6)之间的距离为L2，照明光源(1)发出的平行光束口径为D，则待测晶体(4)表面入射角的最大采样范围为
Figure BDA0001603227200000031
通过选择发散透镜(3或11)的焦距f1选择合理的入射角采样范围，CCD(6)上采集到的光斑口径为
Figure BDA0001603227200000032
已知CCD(6)的尺寸为a×b，分辨率为m×n，则CCD(6)两个方向上的采样精度分别为
Figure BDA0001603227200000033
以定位基准(7或8)在CCD(6)上成的像为坐标原点，设采集到的图像中灰度值最大的像素点相对于坐标原点的坐标为(x0，y0)，则计算出待测晶体(4)的特征角度为
Figure BDA0001603227200000034
进一步的，使用发散透镜(3或11)对照明光源(1)发出的入射平行光进行发散，从而改变入射光与待测晶体(4)的夹角；发散后光束在空间上的不同位置表征了待测晶体(4)表面的不同入射角。
进一步的，所述待测晶体(4)的初始基准位置为垂直于光轴。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：
1、本发明有效的解决了快速精确测量晶体特征角度的难题，具有测量原理简单，操作简便等优点；
2、本发明提供的技术方案中由于定位基准的存在，消除了在测量过程中因为入射光束不稳定性引入的光束角漂对测试结果的影响；
3、本发明提供的技术方案灵活简洁、测量精度高，仅通过一次测量就能给出晶体的特征角度，解决了传统晶体特征角度测量方法测量次数较多、耗时较长的问题，极大简省了时间成本和经济成本；
4、本发明提供的技术方案中整个系统结构简单紧凑、成本低，为高功率激光基频打靶提供了技术指导，同时在高效倍频光的产生领域也有应用前景。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明背景技术的示意图。
图2是本发明提供的测量装置的示意图。
图3是本发明提供的测量原理示意图。
图2中附图标号说明：1—照明光源；2—定位基准元件；3—发散透镜；4—待测晶体；5—匹配透镜；6—CCD；7—定位基准；8—定位基准；9—照明光源物面；10—照明光源像面；11—发散透镜。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不限定本发明。
如图2所示为一种基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量装置，包含：照明光源(1)、定位基准元件(2)、发散透镜(3)、待测晶体(4)和匹配透镜(5)和CCD(6)组成的光路部分。所述的光学元件均垂直于光轴，其几何中心均在光轴上。定位基准元件(2)正中心硬联结有定位基准(7)。照明光源(1)发出的平行光束照射定位基准元件(2)后，经过发散透镜(3)和待测晶体(4)后通过匹配透镜(5)后成像于CCD(6)。照明光源(1)的成像面(10)在CCD(6)上。发散透镜(3)对照明光源(1)发出的平行光进行发散，发散后光束在空间上的不同位置表征了待测晶体(4)表面的不同入射角。在CCD(6)上采集图像，求出采集图像中灰度值最大的像素点的位置，通过其位置坐标求出待测晶体(4)的特征角度。
在本实施例中所述光学元件指发散透镜(3)、待测晶体(4)和匹配透镜(5)，由于光学元件的含义和范围对本领域技术人员而言是周知的，因此本实施例对此不做其他解释。
所述待测晶体(4)的初始基准位置为垂直于光轴。
所述发散透镜可以是负透镜(3)，也可以是正透镜(11)。
设照明光源(1)发出的平行光束口径为D，发散透镜(3或11)的焦距为f1，其通光口径大于光束口径D，照明光源(1)的物面与发散透镜(3或11)之间的距离为L0，发散透镜(3或11)和匹配透镜(5)之间的距离为L1，匹配透镜(5)的焦距为f2，匹配透镜(5)和CCD(6)之间的距离为L2，则待测晶体(4)表面入射角的最大采样范围为
Figure BDA0001603227200000041
通过选择发散透镜(3)的焦距f1可以选择合理的入射角采样范围。而CCD(6)上采集到的光斑口径为
Figure BDA0001603227200000042
已知CCD(6)的尺寸为a×b，分辨率为m×n。则CCD(6)两个方向上的采样精度分别为/>
Figure BDA0001603227200000043
Figure BDA0001603227200000044
以定位基准7在CCD(6)上成的像为坐标原点，设采集到图像灰度值最大的像素点相对于定位基准的坐标为(x0，y0)，如图3所示，则计算出待测晶体(4)的特征角度为/>
Figure BDA0001603227200000051
从而实现了对晶体特征角度的测量。
综上所述，本发明提供一种基于发散光束光学系统的精确测量倍频晶体特征角度的测试装置和方法，解决了快速精确测量晶体特征角度的难题，具有测量原理简单，操作简便等优点。本发明为高功率激光基频打靶提供了技术指导，同时在高效倍频光的产生领域也有应用前景。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量装置，其特征在于，在光路传输方向上依次排列有照明光源（1）、定位基准元件（2）、发散透镜（3或11）、待测晶体（4）、匹配透镜（5）和CCD（6）；其中光学元件均垂直于光轴，其几何中心均在光轴上，定位基准元件（2）正中心硬联结有定位基准（7或8），照明光源（1）发出的平行光束照射定位基准元件（2）后，经过发散透镜（3或11）和待测晶体（4）后通过匹配透镜（5）后成像于CCD（6）；
设发散透镜（3或11）的焦距为f1，发散透镜（3或11）和匹配透镜（5）之间的距离为L1，匹配透镜（5）的焦距为f2，匹配透镜（5）和CCD（6）之间的距离为L2，照明光源（1）发出的平行光束口径为D，则待测晶体（4）表面入射角的最大采样范围为
Figure QLYQS_1
，通过选择发散透镜（3或11）的焦距f1选择合理的入射角采样范围，CCD（6）上采集到的光斑口径为
Figure QLYQS_2
；
已知CCD（6）的尺寸为a×b，分辨率为m×n，则CCD（6）两个方向上的采样精度分别为
Figure QLYQS_3
、/>
Figure QLYQS_4
；
以定位基准（7或8）在CCD（6）上成的像为坐标原点，设采集到的图像中灰度值最大的像素点相对于坐标原点的坐标为（x0，y0），则计算出待测晶体（4）的特征角度为
Figure QLYQS_5
。
2.如权利要求1所述的基于发散光束光学系统的倍频晶体特征角度的测量装置，其特征在于，定位基准（7或8）和定位基准元件（2）硬联结为一个整体，联结位置在定位基准元件（2）的几何中心。
3.如权利要求1所述的基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量装置，其特征在于，所述待测晶体（4）的初始基准位置为垂直于光轴。
4.如权利要求1所述的基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量装置，其特征在于，发散透镜（3或11）对照明光源（1）发出的入射平行光进行发散，从而改变入射光与待测晶体（4）的夹角；发散后光束在空间上的不同位置表征了待测晶体（4）表面的不同入射角。
5.根据权利要求1所述的基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量装置，其特征在于：合理排布各个光学元件之间的距离，使得照明光源（1）的物面（9）经过测量装置后的像面（10）在CCD（6）位置。
6.一种基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量方法，其特征在于，在光路传输方向上依次排列照明光源（1）、定位基准元件（2）、发散透镜（3或11）、待测晶体（4）、匹配透镜（5）和CCD（6），其中光学元件均垂直于光轴，其几何中心均在光轴上；在定位基准元件（2）正中心硬联结定位基准（7或8），使得照明光源（1）发出的平行光束照射定位基准元件（2）后，经过发散透镜（3或11）和待测晶体（4）后通过匹配透镜（5）后成像于CCD（6）；合理排布各个光学元件之间的距离，使得照明光源（1）的物面（9）经过光学系统后的像面（10）在CCD（6）位置；记录CCD（6）采集图像中的灰度值最大点的位置坐标，并反推使倍频效率最大时对应的倍频晶体偏离准直位的夹角，从而得到倍频晶体的特征角度；
设发散透镜（3或11）的焦距为f1，发散透镜（3或11）和匹配透镜（5）之间的距离为L1，匹配透镜（5）的焦距为f2，匹配透镜（5）和CCD（6）之间的距离为L2，照明光源（1）发出的平行光束口径为D，则待测晶体（4）表面入射角的最大采样范围为
Figure QLYQS_6
，通过选择发散透镜（3或11）的焦距f1选择合理的入射角采样范围，CCD（6）上采集到的光斑口径为
Figure QLYQS_7
；
已知CCD（6）的尺寸为a×b，分辨率为m×n，则CCD（6）两个方向上的采样精度分别为
Figure QLYQS_8
、/>
Figure QLYQS_9
；
以定位基准（7或8）在CCD（6）上成的像为坐标原点，设采集到的图像中灰度值最大的像素点相对于坐标原点的坐标为（x0，y0），则计算出待测晶体（4）的特征角度为
Figure QLYQS_10
。
7.如权利要求6所述的基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量方法，其特征在于，定位基准（7或8）和定位基准元件（2）硬联结为一个整体，联结位置在定位基准元件（2）的几何中心；
根据衍射传输规律确定定位基准（7或8）的特征尺寸，所述定位基准的特征尺寸为定位基准（7）的直径R或定位基准（8）的直线宽度W；
将CCD（6）上采集到定位基准的像的中心作为基准坐标用于计算待测晶体（4）的特征角度 。
8.如权利要求6所述的基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量方法，其特征在于，使用发散透镜（3或11）对照明光源（1）发出的入射平行光进行发散，从而改变入射光与待测晶体（4）的夹角；发散后光束在空间上的不同位置表征了待测晶体（4）表面的不同入射角。
9.根据权利要求6所述的基于发散光束的倍频晶体特征角度的测量方法，其特征在于：所述待测晶体（4）的初始基准位置为垂直于光轴。
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