CN109798849B - 倍频晶体定轴误差测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种倍频晶体定轴误差测量装置及测量方法，该装置包括：激光器、孔径光阑、激光隔离器、格兰激光棱镜、光挡、第一分光板、平面反射镜、第一激光自准直仪、第一旋转台、第二分光板、第一能量计、分光棱镜、待测倍频晶体、第二旋转台、第二能量计、直角棱镜、校准倍频晶体、第三旋转台、第三能量计和第二激光自准直仪。本发明装置通过获取待测倍频晶体和校准倍频晶体的倍频转换效率同步调谐曲线，从而计算待测倍频晶体光轴与校准晶体倍频光轴之间的角度差，即待测倍频晶体的定轴误差。本发明的测量精度较高，相对测量误差优于1″。

Description

倍频晶体定轴误差测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光学晶体元件技术领域，特别是一种倍频晶体定轴误差测量装置及测量方法。

背景技术

倍频晶体光轴的切割误差决定着倍频转换效率。目前，公认的检测倍频晶体光轴方向的方法是利用X射线衍射技术，国内外X射线晶体定向仪的最高测量精度为30″。然而，将待测晶体吸附在X射线晶体定向仪测试台时，晶体表面容易产生划痕和缺陷，从而对待测晶体的透射波前质量造成严重影响。本发明装置基于待测倍频晶体和校准倍频晶体的倍频转换效率同步调谐曲线原理，计算待测倍频晶体光轴偏离角误差，本方法的测量精度优于1″，实现了非接触式倍频晶体定轴误差的测量。

发明内容

本发明为了解决在利用X射线衍射技术测量倍频晶体光轴偏离误差时，晶体表面容易产生划痕和缺陷的问题，提出了一种倍频晶体定轴误差测量装置及测量方法。该装置能在1053nm波长下对倍频晶体的光轴偏离角误差进行非接触式无损测量，测量精度优于1″。

本发明的技术解决方案如下：

一种倍频晶体定轴误差测量装置及测量方法，其特点在于该装置包括：激光器、孔径光阑、激光隔离器、格兰激光棱镜、光挡、第一分光板、平面反射镜、第一激光自准直仪、第一旋转台、第二分光板、第一能量计、分光棱镜、待测倍频晶体、第二旋转台、第二能量计、直角棱镜、校准倍频晶体、第三旋转台、第三能量计和第二激光自准直仪；沿所述的激光器的激光输出方向依次是所述的孔径光阑、激光隔离器和格兰激光棱镜，所述的格兰激光棱镜将入射激光光束分为两束，即第一反射光和第一透射光，第一反射光入射到所述的光挡，第一透射光入射到所述的第一分光板，经该第一分光板分为两束，即第二反射光和第二透射光，所述的第二反射光经所述的平面反射镜反射后再次入射到第一分光板，并经该第一分光板透射后入射到所述的第一激光自准直仪，所述的第二透射光经所述的第二分光板分为两束，即第三反射光和第三透射光，所述的第三反射光经所述的第一能量计实时记录所探测到的第一激光能量，所述的第三透射光经所述的分光棱镜分为两束，即第四反射光和第四透射光，所述的第四反射光入射到待测倍频晶体，经该待测倍频晶体透射后被所述的第二能量计接收，并实时记录所探测到的第二激光能量，所述的第二激光自准直仪与所述的第二能量计相连，用于监测待测倍频晶体的旋转角度，所述的第四透射光经所述的直角棱镜反射后，入射到所述的校准倍频晶体，经该校准倍频晶体透射后入射到所述的第三能量计，通过第三能量计实时记录所探测到的第三激光能量。

所述的激光器的输出波长为1053nm、输出方式为脉冲输出，且功率密度大于3.0GW·cm^-2。

所述的分光棱镜和所述的直角棱镜的入射面和出射面均严格垂直于光轴。

所述的第二旋转台和第三旋转台能同步旋转。

用上述的倍频晶体定轴误差测量装置测量倍频晶体定轴误差的方法，其特点在于该方法主要包括以下步骤：

A)关闭激光器，打开第一激光自准直仪，调节平面反射镜的姿态，使第一激光自准直仪的监视器上出现亮十字线，并将该亮十字线的交点调至监视器画面中心，此时，平面反射镜镜面与第一激光自准直仪出射激光方向垂直；

B)打开激光器，通过控制第一旋转台使第一分光板、平面反射镜和第一激光自准直仪同时旋转，使第一激光自准直仪的监视器上出现激光光斑，并将该激光光斑的中心调至监视器画面中心；

C)关闭激光器，将待测倍频晶体、直角棱镜和校准倍频晶体移出光路，调节分光棱镜的姿态，使分光棱镜后表面反射回第一激光自准直仪监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，分光棱镜的后表面与光路光轴垂直；

D)将待测倍频晶体移入光路，调节待测倍频晶体的姿态，使待测倍频晶体后表面反射回第一激光自准直仪监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，待测倍频晶体的后表面与光路光轴垂直；

E)将直角棱镜移入光路，调节直角棱镜的姿态，使直角棱镜后表面反射回第一激光自准直仪监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，直角棱镜的后表面与光路光轴垂直；

F)将校准倍频晶体移入光路，调节校准倍频晶体的姿态，使校准倍频晶体后表面反射回第一激光自准直仪监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，校准倍频晶体的后表面与光路光轴垂直；

G)打开所述的第二激光自准直仪，调节第二激光自准直仪的姿态，使待测倍频晶体前表面反射回第二激光自准直仪监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，待测倍频晶体的前表面与第二激光自准直仪出射激光方向垂直；

H)打开激光器，控制第二旋转台和第三旋转台进行同步匀速旋转，由第二激光自准直仪每隔T时间记录一次旋转角度值，并依次记为θ_n(n＝1、2、3、…)；由第一能量计、第二能量计和第三能量计分别记录不同旋转角下对应所采集到的激光能量值，并将它们分别记为a_n，b_n和c_n(n＝1、2、3、…)；

I)计算待测倍频晶体的倍频转换效率：

和校准倍频晶体的倍频转换效率：

并以待测倍频晶体的倍频转换效率T_n和校准倍频晶体的倍频转换效率S_n为纵坐标、以同步旋转角θ_n为横坐标，绘制曲线图；

J)通过使用最小二乘法，找出曲线图中转换效率T_n和S_n分别达到最大值时的旋转角度值，将它们记录为θ_t和θ_s，计算角度差e₁＝θ_t-θ_s；

K)重复步骤H)～J)m次，将计算得到的角度差依次记为e₂、e₃、e₄、…、e_m+1；

L)通过下列公式，计算出上述m+1次测量结果的平均值e，即为待测倍频晶体的定轴误差：

所述的间隔时间T≤0.01秒。

所述的重复次数m≥5。

本发明的技术效果如下：

本发明装置基于待测倍频晶体和校准倍频晶体的倍频转换效率同步调谐曲线原理，计算待测倍频晶体光轴偏离角误差，本方法的测量精度优于1″，实现了非接触式倍频晶体定轴误差的测量；同时，本发明装置及发明方法适用于大口径倍频晶体定轴误差的检测；另外，本发明发明采用激光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倍频晶体，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是本发明倍频晶体定轴误差测量装置及测量方法的示意图

图2是待测倍频晶体的倍频转换效率T_n和校准倍频晶体的倍频转换效率S_n与晶体同步旋转角θ_n之间的关系曲线图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

请参阅图1，图1是本发明倍频晶体定轴误差测量装置及测量方法的示意图。由图可见，本发明倍频晶体定轴误差测量装置包括：激光器1、孔径光阑2、激光隔离器3、格兰激光棱镜4、光挡5、第一分光板6、平面反射镜7、第一激光自准直仪8、第一旋转台9第二分光板10、第一能量计11、分光棱镜12、供待测倍频晶体13放置的第二旋转台14、第二能量计15、直角棱镜16、校准倍频晶体17、供校准倍频晶体17放置的第三旋转台18、第三能量计19和第二激光自准直仪20；

沿所述的激光器1的激光输出方向依次是所述的孔径光阑2、激光隔离器3和格兰激光棱镜4，所述的格兰激光棱镜4将入射激光光束分为两束，即第一反射光和第一透射光，第一反射光经所述的光挡5被完全吸收。第一透射光入射到所述的第一分光板6，经该第一分光板6分为两束，即第二反射光和第二透射光，所述的第二反射光经所述的平面反射镜7反射后再次入射到第一分光板6，并经该第一分光板6透射后入射到所述的第一激光自准直仪8，所述的第二透射光经所述的第二分光板10分为两束，即第三反射光和第三透射光，所述的第三反射光经所述的第一能量计11实时记录所探测到的第一激光能量，所述的第三透射光经所述的分光棱镜12分为两束，即第四反射光和第四透射光，所述的第四反射光入射到待测倍频晶体13，经该待测倍频晶体13透射后被所述的第二能量计15接收，并实时记录所探测到的第二激光能量，所述的第二激光自准直仪20与所述的第二能量计15相连，用于监测待测倍频晶体13的旋转角度，所述的第四透射光经所述的直角棱镜16反射后，入射到所述的校准倍频晶体17，经该校准倍频晶体17透射后入射到所述的第三能量计19，通过第三能量计19实时记录所探测到的第三激光能量。所述的第一分光板6、平面反射镜7和第一激光自准直仪8固定在第一旋转台9上。所述的激光器1的输出波长为1053nm、输出方式为脉冲输出，且功率密度大于3.0GW·cm^-2。通过观察第一激光自准直仪8监视器上的激光光斑和监视器上的亮十字线，可调整第一透射光的出射方向和依次调整所述的分光棱镜12、直角棱镜16、待测倍频晶体13和校准倍频晶体17的二维姿态，使所述的分光棱镜12和所述的直角棱镜16的入射面和出射面均严格垂直于光轴。校准倍频晶体17选自实际工程上使用情况良好且倍频效率高的晶体样品。所述的第二旋转台14和第三旋转台18能同步旋转，通过同步旋转第二旋转台14和第三旋转台18，可以得到待测倍频晶体13和校准倍频晶体17的倍频转换效率同步调谐曲线，从而计算待测倍频晶体13的光轴偏离角误差。

用上述的倍频晶体定轴误差测量装置测量倍频晶体定轴误差的方法，该方法主要包括以下步骤：

A)关闭激光器1，打开第一激光自准直仪8，调节平面反射镜7的姿态，使第一激光自准直仪8的监视器上出现亮十字线，并将该亮十字线的交点调至监视器画面中心，此时，平面反射镜7镜面与第一激光自准直仪8出射激光方向垂直；

B)打开激光器1，通过控制第一旋转台9使第一分光板6、平面反射镜7和第一激光自准直仪8同时旋转，使第一激光自准直仪8的监视器上出现激光光斑，并将该激光光斑的中心调至监视器画面中心；

C)关闭激光器1，将待测倍频晶体13、直角棱镜16和校准倍频晶体17移出光路，调节分光棱镜12的姿态，使分光棱镜12后表面反射回第一激光自准直仪8监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，分光棱镜12的后表面与光路光轴垂直；

D)将待测倍频晶体13移入光路，调节待测倍频晶体13的姿态，使待测倍频晶体13后表面反射回第一激光自准直仪8监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，待测倍频晶体13的后表面与光路光轴垂直；

E)将直角棱镜16移入光路，调节直角棱镜16的姿态，使直角棱镜16后表面反射回第一激光自准直仪8监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，直角棱镜16的后表面与光路光轴垂直；

F)将校准倍频晶体17移入光路，调节校准倍频晶体17的姿态，使校准倍频晶体17后表面反射回第一激光自准直仪8监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，校准倍频晶体17的后表面与光路光轴垂直；

G)打开所述的第二激光自准直仪20，调节第二激光自准直仪20的姿态，使待测倍频晶体13前表面反射回第二激光自准直仪20监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，待测倍频晶体13的前表面与第二激光自准直仪20出射激光方向垂直；

H)打开激光器1，控制第二旋转台14和第三旋转台18进行同步匀速旋转，由第二激光自准直仪20每隔0.01秒记录一次旋转角度值，并依次记为θ_n(n＝1、2、3、…)；由第一能量计11、第二能量计15和第三能量计19分别记录不同旋转角下对应所采集到的激光能量值，并将它们分别记为a_n，b_n和c_n(n＝1、2、3、…)；

I)计算待测倍频晶体13的倍频转换效率：

和校准倍频晶体17的倍频转换效率：

并以待测倍频晶体13的倍频转换效率T_n和校准倍频晶体17的倍频转换效率S_n为纵坐标、以同步旋转角θ_n为横坐标，绘制曲线图；

J)通过使用最小二乘法，找出曲线图中转换效率T_n和S_n分别达到最大值时的旋转角度值，将它们记录为θ_t和θ_s，计算角度差e₁＝θ_t-θ_s；

K)重复步骤H)～J)m次，将计算得到的角度差依次记为e₂、e₃、e₄、…、e_m+1；

L)通过下列公式，计算出上述m+1次测量结果的平均值e，即为待测倍频晶体13的定轴误差：

所述的间隔时间T≤0.01秒。

所述的重复次数m≥5。

图2为利用本发明装置和发明方法测量倍频晶体定轴误差时，待测倍频晶体的倍频转换效率T_n和校准倍频晶体的倍频转换效率S_n与晶体同步旋转角θ_n之间的关系曲线图。由图可见，本发明装置测得的角度差即为待测倍频晶体13的定轴误差。

实验表明，本发明装置基于待测倍频晶体和校准倍频晶体的倍频转换效率同步调谐曲线原理，计算待测倍频晶体光轴偏离角误差，本发明方法的测量精度优于1″，实现了非接触式倍频晶体定轴误差的测量；同时，本发明装置及发明方法适用于大口径倍频晶体定轴误差的检测；另外，本发明发明采用激光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倍频晶体，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 (9)

1.一种倍频晶体定轴误差测量装置，其特征在于包括：激光器(1)、孔径光阑(2)、激光隔离器(3)、格兰激光棱镜(4)、光挡(5)、第一分光板(6)、平面反射镜(7)、第一激光自准直仪(8)、第二分光板(10)、第一能量计(11)、分光棱镜(12)、供待测倍频晶体(13)放置的第二旋转台(14)、第二能量计(15)、直角棱镜(16)、校准倍频晶体(17)、供校准倍频晶体(17)放置的第三旋转台(18)、第三能量计(19)和第二激光自准直仪(20)；

沿所述的激光器(1)的激光输出方向依次是所述的孔径光阑(2)、激光隔离器(3)和格兰激光棱镜(4)，所述的格兰激光棱镜(4)将入射激光光束分为两束，即第一反射光和第一透射光，第一反射光入射到所述的光挡(5)，第一透射光入射到所述的第一分光板(6)，经该第一分光板(6)分为两束，即第二反射光和第二透射光，所述的第二反射光经所述的平面反射镜(7)反射后再次入射到第一分光板(6)，并经该第一分光板(6)透射后入射到所述的第一激光自准直仪(8)，所述的第二透射光经所述的第二分光板(10)分为两束，即第三反射光和第三透射光，所述的第三反射光经所述的第一能量计(11)实时记录所探测到的第一激光能量，所述的第三透射光经所述的分光棱镜(12)分为两束，即第四反射光和第四透射光，所述的第四反射光入射到待测倍频晶体(13)，经该待测倍频晶体(13)透射后被所述的第二能量计(15)接收，并实时记录所探测到的第二激光能量，所述的第二激光自准直仪(20)与所述的第二能量计(15)相连，用于监测待测倍频晶体(13)的旋转角度，所述的第四透射光经所述的直角棱镜(16)反射后，入射到所述的校准倍频晶体(17)，经该校准倍频晶体(17)透射后入射到所述的第三能量计(19)，通过第三能量计(19)实时记录所探测到的第三激光能量。

2.根据权利要求1所述的倍频晶体定轴误差测量装置，其特征在于，所述的第一分光板(6)、平面反射镜(7)和第一激光自准直仪(8)固定在第一旋转台(9)上。

3.根据权利要求1所述的倍频晶体定轴误差测量装置，其特征在于，所述的第二激光自准直仪(20)用于实时测量待测倍频晶体(13)的旋转角度。

4.根据权利要求1所述的倍频晶体定轴误差测量装置，其特征在于所述的激光器(1)的输出波长为1053nm、输出方式为脉冲输出，且功率密度大于3.0GW·cm^-2。

5.根据权利要求1所述的倍频晶体定轴误差测量装置，其特征在于所述的分光棱镜(12)和所述的直角棱镜(16)的入射面和出射面均垂直于入射光的光轴。

6.根据权利要求1所述的倍频晶体定轴误差测量装置，其特征在于所述的第二旋转台(14)和第三旋转台(18)能同步旋转。

7.利用权利要求1-6任一所述的倍频晶体定轴误差测量装置测量倍频晶体定轴误差的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

A)关闭激光器(1)，打开第一激光自准直仪(8)，调节平面反射镜(7)的姿态，使第一激光自准直仪(8)的监视器上出现亮十字线，并将该亮十字线的交点调至监视器画面中心，此时，平面反射镜(7)镜面与第一激光自准直仪(8)出射激光方向垂直；

B)打开激光器(1)，通过控制第一旋转台(9)使第一分光板(6)、平面反射镜(7)和第一激光自准直仪(8)同时旋转，使第一激光自准直仪(8)的监视器上出现激光光斑，并将该激光光斑的中心调至监视器画面中心；

C)关闭激光器(1)，将待测倍频晶体(13)、直角棱镜(16)和校准倍频晶体(17)移出光路，调节分光棱镜(12)的姿态，使分光棱镜(12)后表面反射回第一激光自准直仪(8)监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，分光棱镜(12)的后表面与光路光轴垂直；

D)将待测倍频晶体(13)移入光路，调节待测倍频晶体(13)的姿态，使待测倍频晶体(13)后表面反射回第一激光自准直仪(8)监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，待测倍频晶体(13)的后表面与光路光轴垂直；

E)将直角棱镜(16)移入光路，调节直角棱镜(16)的姿态，使直角棱镜(16)后表面反射回第一激光自准直仪(8)监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，直角棱镜(16)的后表面与光路光轴垂直；

F)将校准倍频晶体(17)移入光路，调节校准倍频晶体(17)的姿态，使校准倍频晶体(17)后表面反射回第一激光自准直仪(8)监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，校准倍频晶体(17)的后表面与光路光轴垂直；

G)打开所述的第二激光自准直仪(20)，调节第二激光自准直仪(20)的姿态，使待测倍频晶体(13)前表面反射回第二激光自准直仪(20)监视器上的亮十字线的交点到达监视器画面中心，此时，待测倍频晶体(13)的前表面与第二激光自准直仪(20)出射激光方向垂直；

H)打开激光器(1)，控制第二旋转台(14)和第三旋转台(18)进行同步匀速旋转，由第二激光自准直仪(20)每间隔T时间记录一次旋转角度值，并依次记为θ_n，n＝1、2、3、…；由第一能量计(11)、第二能量计(15)和第三能量计(19)分别记录不同旋转角下对应所采集到的激光能量值，并将它们分别记为a_n，b_n和c_n，n＝1、2、3、…；

I)计算待测倍频晶体(13)的倍频转换效率：

和校准倍频晶体(17)的倍频转换效率：

并以待测倍频晶体(13)的倍频转换效率T_n和校准倍频晶体(17)的倍频转换效率S_n为纵坐标、以同步旋转角θ_n为横坐标，绘制曲线图；

J)通过最小二乘法，找出曲线图中转换效率T_n和S_n分别达到最大值时的旋转角度值，将它们记录为θ_t和θ_s，计算角度差e₁＝θ_t-θ_s；

K)重复步骤H)～J)m次，将计算得到的角度差依次记为e₂、e₃、e₄、…、e_m+1；

L)通过下列公式，计算出上述m+1次测量结果的平均值e，即为待测倍频晶体(13)的定轴误差：

8.根据权利要求7所述的测量倍频晶体定轴误差的方法，其特征在于，间隔时间T≤0.01秒。

9.根据权利要求7所述的测量倍频晶体定轴误差的方法，其特征在于，重复次数m≥5。

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