CN110441035A - 大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量装置及方法，属于光学测量领域，本发明包括：发射器组件，用于发出一束垂直偏振光；分光镜，用于将所述垂直偏振光分为第一光束、第二光束；第一探测器，用于记录第一光束的参量；第二光路，所述第二光路包括依次设置的起偏器、待测晶体、以及与所述起偏器正交布置的检偏器，还包括用于驱动所述起偏器和/或检偏器分别绕起偏器/或检偏器的轴线转动的旋转组件；第二探测器，用于记录第二光束通过第二光路后的参量；其中，所述第一光束与第二光束之间的参量变化限定所述垂直偏振光，本发明可极大地消除了用于发射激光的激光器功率随时间变化的影响。

Description

大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及到一种大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量 装置及方法。

背景技术

KDP\DKDP晶体在惯性约束聚变系统中作为频率转换元件，对系统最终输出能量起着至 关重要的影响。为达到一定的转换效率，晶体光轴方向与光束传播方向必须满足一定的角 度，即相位匹配角。晶体为各向异性物质，当入射角不同时，其e光折射率，e光传播方向 均不同，为准确测量其相位匹配角、吸收系数等参数，必须准确定位主截面的方向。

以KDP\DKDP晶体吸收系数的测量为例，为准确测量o光，即寻常光或者e光、即非寻常光的吸收系数，必须确定晶体o光或者e光的方向。

现有技术中常常使用晶体定向仪来精密快速地测定天然和人造单晶，如压电晶体、光学 晶体、激光晶体、半导体晶体的切割角度，但是晶体定向仪不能测量大口径元件。

现有的测量大口径晶体的方法包括惠更斯作图法、解析几何法，但是此类方法主要用于 理论计算，在实际测量中应用范围有限，因此需要一种能精确测量大口径倍频晶体o光e 光与边缘平行度的装置。

发明内容

本申请的实施例提供大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量装置及方法，用于精确 测量大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度。

为达到上述目的，本申请的实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请的实施例提供大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量装置，包 括：

发射器组件，用于发出一束垂直偏振光；

分光镜，用于将所述垂直偏振光分为第一光束、第二光束；

第一探测器，用于记录第一光束的参量；

第二光路，所述第二光路包括依次设置的起偏器、待测晶体、以及与所述起偏器正交 布置的检偏器，还包括用于驱动所述起偏器和/或检偏器分别绕起偏器/或检偏器的轴线转 动的旋转组件；

第二探测器，用于记录第二光束通过第二光路后的参量；

其中，所述第一光束与第二光束之间的参量变化限定所述垂直偏振光，

第二探测器与第一探测器记录的信号的比值可表示为I＝V₁/V₂。

可选的，所述发射器组件包括依次设置的激光器、稳功率仪和1/2玻片。

可选的，所述旋转组件包括与所述起偏器固定连接的第一旋转装置、与所述检偏器固 定连接的第二旋转装置、以及用于控制所述第一旋转装置和第二旋转装置的控制装置，所 述第一旋转装置、第二旋转装置均与所述控制装置通信连接。

可选的，第一旋转装置、第二旋转装置均设有编码器，所述第一旋转装置、第二旋转 装置均通过所述编码器与所述控制装置通信连接。

可选的，第一探测器、第二探测器均与所述控制装置通信连接。

与现有技术相比，本申请的实施例提供的测量装置可以准确定位晶体的o光和e光方向， 相较于现有技术，本测量装置不受待测晶体的尺寸影响。同时本测量装置通过倍频晶体主 截面为起始位置的小角度范围内进行扫描测量，然后通过最小二乘方法拟合N次多项式， 则可获得光强信号最小位置，测量精度较高。

第二方面，本申请的实施例提供一种大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量方法， 该方法包括以下步骤：

将一束垂直偏振光分为第一光束、第二光束；

记录第一光束的参量；

记录所述第二光束通过依次布置的透光轴水平的起偏器、待测晶体、与所述起偏器正 交布置的检偏器后的参量及参量变化；其中，所述起偏器、检偏器同步绕所述起偏器的轴 线摆动±θ/2；其中，光强最小时，经过晶体的透射光就是e光；

记录所述第二光束通过依次布置的透光轴垂直的起偏器、待测晶体、与所述起偏器正 交布置的检偏器后的参量及参量变化；其中，所述起偏器、检偏器同步绕所述起偏器的轴 线摆动±θ/2；其中，光强最小时，经过晶体的透射光就是o光；

通过测量标准晶体与待测晶体之间的偏差可得到待测晶体的o光e光与边缘平行度。

与现有技术相比，本申请的实施例提供的测量方法利用双光路光强差分测量，当通过将 第一光束与第二光束探测信号相比即为差分测量，通过差分测量可最大限度降低激光器功 率波动对测量结果的影响，从而极大地消除了用于发射激光的激光器功率随时间变化的影 响。而且，本申请的实施例提供的测量方法通过扫描测量激光经过同步旋转的、正交布置 的起偏器检偏器后的光强变化来确定光强信号的最小位置，从而确定晶体的o光和e光方 向。

附图说明

图1为本发明的测量装置的一个实施例示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用 于限定本发明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图 所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的 装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的 限制。

参考图1，在一示例性的实施例中示出了大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量装 置，包括以下组件：

用于发出一束垂直偏振光发射器组件。参考图1，可选的，所述发射器组件包括依次设 置的激光器1、稳功率仪2和1/2玻片3。激光器1发射激光经稳功率仪2后，可得到稳定的垂直偏振光，经1/2玻片3后可获得想要的偏振方向。

分光镜4，用于将所述垂直偏振光分为第一光束、第二光束，以实现双光路光强差分测 量的目的。其中第一光束直接被第一探测器8记录第一光束的参量，特别的为光强。

而第二光束通过第二光路再被第二探测器9记录其参量，特别是参量的变化。

所述第二光路包括依次设置的起偏器5、待测晶体6、以及与所述起偏器5正交布置的 检偏器7，还包括用于驱动所述起偏器5和/或检偏器7分别绕起偏器5/或检偏器7的轴线转动的旋转组件。参考图1，第二光路包括依次布置的起偏器5、检偏器7，二测量待测晶 体6时，将待测晶体6放置于起偏器5和检偏器7之间。具体的，起偏器5和检偏器7正 交布置。其起偏器5和检偏器7均放置于旋转组件上。

其中，所述第一光束与第二光束之间的参量变化限定所述垂直偏振光

第二探测器与第一探测器记录的信号的比值可表示为I＝V₁/V₂，当激光器输出功率 发生变化时，第一探测器与第二探测器记录的信号会同时发生变化，因此通过第二探测器 与第一探测器记录的信号的比值(即差分测量)可消除激光器随时间的波动。

可选的，所述旋转组件包括与所述起偏器5固定连接的第一旋转装置11、与所述检偏 器7固定连接的第二选装装置12。可选的，旋转组件为电动旋转台，例如美国MICRONIX公司PR-50旋转台，其重复定位精度可达±0.0002°。

在一些实施例中，保持垂直偏振光的发射，首先将起偏器5的偏振方向调整为水平， 然后放入待测晶体6前保持起偏器5的偏振方向不变，通过电动旋转台旋转检偏器7，第二 探测器9采集的光强信号随检偏器7偏振方向变化的曲线符合马吕斯定律，拟合得到的光 强信号最小值对应的检偏器7的偏振方向，就是检偏器7与起偏器5处于正交状态的角度。 通过电动旋转台将检偏器7定位在这个正交角度，此时检偏器7的透光轴为垂直方向。

由于检偏器7和起偏器5的旋转动作较为频繁以及精密，为了精确控制旋转组件的旋 转，以及便于处理第一探测器8和第二探测器9记录的光束的参量数据。还包括控制装置10，所述第一旋转装置11、第二选装装置12、第一探测器8以及第二探测器9均与所述控 制装置10通信连接。

在各种实施例中，可以使用各种模型或平台来实践本发明的控制装置10。例如，第一 旋转装置11和第二选装装置12的控制，以及光强的记录和计算可以由服务模型或应用服 务提供商模型。并且可以独立地(例如，下载到膝上型或台式计算机系统)运行。另外，可以结合本发明的各种实施例采用云计算技术。

此外，与本实施例相关联的光束的参量处理可以由可编程设备执行，例如计算机。可 以用于使可编程设备执行处理的软件或其它指令集可以存储在任何存储装置中，例如计算 机系统(非易失性)存储器。此外，可以在制造计算机系统时或者经由计算机可读存储器存 储介质对一些处理进行编程。

还可以理解，可以使用存储在计算机可读存储介质上的指示计算机或计算机系统执行 处理步骤的指令来执行本文描述的某些处理方面。计算机可读介质可以包括例如存储器装 置，例如磁盘、只读和读/写类型的光盘、光盘驱动器和硬盘驱动器。计算机可读介质还可 以包括存储器，其可以是物理的、虚拟的、永久的、临时的、半永久的和/或半临时的。存 储器和/或存储部件可以使用能够存储数据的任何计算机可读介质来实现，例如易失性或非 易失性存储器、可移动或不可移动存储器、可擦除或不可擦除存储器、可写或可重写存储 器等。

“计算机”、“计算机系统”、“计算设备”、“部件”或“计算机处理器”可以是，例如 但不限于，处理器、微计算机、小型计算机、服务器、大型机、膝上型计算机、个人数据 助理(PDA)、无线电子邮件装置、智能电话、移动电话、电子平板电脑、蜂窝电话、寻呼机、 传真机、扫描仪或构造成发送、处理和/或接收数据的任何其它可编程装置或计算机设备。 本文公开的控制装置10计算机系统和基于计算机的装置可以包括存储器和/或存储部件以 用于存储在获取、处理和传送信息时使用的某些软件应用程序。可以理解，关于所公开实 施例的操作，此种存储器可以是内部的或外部的。在各种实施例中，“主机”、“加载器”、、 “平台”或“部件”可以包括各种计算机或计算机系统，或者可以包括软件、固件和/或硬 件的合理组合。

具体的，在一些实施例中，第一旋转装置11、第二选装装置12均设有编码器，所述第 一旋转装置11、第二选装装置12均通过所述编码器与所述控制装置10通信连接。

而第一探测器8、第二探测器9均与所述控制装置10通过有线通信连接。

而使用上述的测量装置的大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量方法，包括以下 步骤：

S1、得到艺术垂直偏振光。具体的，激光器1发射激光经稳功率仪2后，可得到稳定的垂直偏振光，经1/2玻片3后可获得想要的偏振方向。

设激光器1输出的光矢量与x轴成θ角，振幅为a₁，则激光器1发出的光束的归一化矩阵为：

而1/2玻片3的琼斯矩阵为：

S2、将一束垂直偏振光分为第一光束、第二光束。具体的，分光通过分光镜4实现。

S3、记录第一光束的参量。容易理解的，S3一直在进行，直到后续的S4、S5执行完毕。

S4、记录所述第二光束通过依次布置的透光轴水平的起偏器5、待测晶体6、与所述起 偏器5正交布置的检偏器7后的参量及参量变化。

其中，所述起偏器5、检偏器7同步绕所述起偏器5的轴线摆动±θ/2。

具体的，将待测晶体6放入检偏器7和起偏器5之间，保持起偏器5和检偏器7相对角度位置不变，也就是两者保持正交，以起偏器5的起始位置为中心，设定角度θ，在± θ/2角度范围内同时旋转起偏器5和检偏器7，第一探测器8和第二探测器9采集得到光 强信号随起偏器5偏振方向变化的曲线。当入射光的偏振方向(起偏器5的透光轴)不与 晶体的主截面平行时，由于晶体的双折射现象，入射光会同时产生o光和e光，折射光不 再与检偏器7的透光轴完全正交，透过检偏器7的信号会变大。而通过最小二乘拟合得到 的光强最小时的起偏器5的偏振方向，就是入射光的偏振方向与晶体的主截面平行的方向， 经过晶体的透射光就是e光，其振动方向与检偏器7的透光轴正交垂直。即光强最小时， 经过晶体的透射光就是e光；

S5、记录所述第二光束通过依次布置的透光轴垂直的起偏器5、待测晶体6、与所述起 偏器5正交布置的检偏器7后的参量及参量变化；其中，所述起偏器5、检偏器7同步绕所述起偏器5的轴线摆动±θ/2。

具体的，将起偏器5的透光轴起始位置调整为垂直方向，通过马吕斯定律，得到检偏 器7与起偏器5的正交角度位置，此时检偏器7的透光轴为水平方向，放入晶体后，采用类似的原理，当起偏器5的透光轴与主截面垂直时，透过检偏器7的信号最小，从而确定 主截面的方向，得到完全的o光。即光强最小时，经过晶体的透射光就是o光。

透光轴与x轴成θ角的起偏器5的琼斯矩阵为

而倍频晶体的作用矩阵为：

到达第二探测器9的光振幅为入射振幅和以上器件的作用效果矩阵的乘积，其功率响 应为振幅的平方。假设到达第二探测器9的光振幅为

则，第二探测器91记录的功率值为：

上式中，G分别为各器件的作用矩阵。根据上述公式求解A₀和B₀，可得到A₀和B₀实数部分和虚数部分别为：

其中RealA₀为A₀的实部，RealB₀为B₀的实部，ImagA₀为A₀的虚部，ImagB₀为B₀的虚部。因此第二探测器9记录的信号V₁可表达为：

V₁＝RealA₀*RealA₀+ImagA₀*ImagA₀+RealB₀*RealB₀+ImagB*ImagB₀

第二探测器与第一探测器1记录的信号的比值可表示为

I＝V₁/V₂

通过测量标准晶体与待测晶体6之间的偏差可得到待测晶体6的o光e光与边缘平行度。 具体步骤如下：

第一步：通过晶体定向仪标定小口径标准晶体o光e光与边缘平行度；

第二步：将标定后的标准晶体放入本测量装置中，从而可确定其o光e光方向；

第三步：将待测晶体放入本装置中(待测晶体边缘与标准晶体边缘在同一平面内)，通 过本装置可测得待测晶体与标准晶体o光e光方向的偏差角度，该角度与经过标定标准晶 体o光e光与边缘平行度叠加后即为待测晶体o光e光与边缘平行度。

在一具体的实施例中：

采用527nm波长的激光器1，起偏器5和检偏器7分别安装在各自的电动旋转台上，其 透光轴与电动旋转台的零位具有一定的夹角。具体为：起偏器5的偏振方向为垂直方向时 其电动旋转台的缺省角度为78.8°，检偏器7的偏振方向为水平方向时其电动旋转台的缺 省角度为127°。为精确确定检偏器7与起偏器5的正交角度，保持以其缺省水平偏振方向对应的电动旋转台的角度为中心进行扫描，扫描角度范围为10°，扫描步进角度为0.25°。其光强信号的变化符合马吕斯定律，通过最小二乘拟合可得到检偏器7与起偏器5正交时电动旋转台的角度位置。

调整检偏器7，使得检偏器7和起偏器5正交定位，再放入一件I类二倍频KDP晶体，尺寸为40mm×40mm×10mm。I类二倍频KDP晶体的切割角为41°，保持晶体光轴方向，沿 水平方向放置晶体，保持晶体光轴方向，沿水平方向放置晶体，保持起偏器5和检偏器7 相对的正交位置不变，以水平方向为中心，起偏器5和检偏器7进行同步扫描，扫描的角 度范围为±5°，扫描步进角度为0.25°，记录光强信号与起偏器5电动旋转台的角度，听 过最小二乘法拟合，可计算得到光强信号最小时起偏器5的位置，此时入射光的偏振方向 与主截面垂直，透射的折射光为o光。重复测量10次。

将起偏器5的偏振方向定位在水平方向，检偏器7的偏振方向定位在垂直方向，采用同 样的原理，可以得到入射光偏振方向与主截面平行时起偏器5电动旋转台的角度，得到的 透射折射光为e光。

通过测量标准晶体与待测晶体6之间的偏差可得到待测晶体6的o光e光与边缘平行度， 因为待测晶体6的o光e光为虚光线，实际测量中无法直接应用，通过测量待测晶体6的o 光e光与镜头边缘平行度则可得到晶体的o光e光物理方向，从而在晶体元件装校中期至 关重要的作用。

需要说明的是，在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一 个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

通常，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，本文描述的各种实施例或其部件 或部分可以在软件、固件和/或硬件或其模块的许多不同实施例中实现。用于实现一些本发 明实施例的软件代码或专用控制硬件不是对本发明的限制。用于计算机软件和其它计算机 实现的指令的编程语言可以在执行之前由编译器或汇编器翻译成机器语言和/或可以在运 行时由解释器直接翻译。此种软件可以存储在任何类型的合适的计算机可读介质上，例如 磁性或光学存储介质。因此在没有具体参考实际软件代码或专用硬件部件的情况下，描述 了实施例的操作和行为。缺少此种具体参考是可行的，因为清楚理解的是，普通技术人员 将能够设计软件并控制硬件以基于本文的描述仅用合理的努力并且无需过度的实验来实现 本发明的实施例。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量装置，其特征在于，包括：

发射器组件，用于发出一束垂直偏振光；

分光镜，用于将所述垂直偏振光分为第一光束、第二光束；

第一探测器，用于记录第一光束的参量；

第二光路，所述第二光路包括依次设置的起偏器、待测晶体、以及与所述起偏器正交布置的检偏器，还包括用于驱动所述起偏器和/或检偏器分别绕起偏器/或检偏器的轴线转动的旋转组件；

第二探测器，用于记录第二光束通过第二光路后的参量；

其中，所述第一光束与第二光束之间的参量变化限定所述垂直偏振光，

第二探测器与第一探测器记录的信号的比值可表示为I＝V₁/V₂。

2.根据权利要求1所述的一种大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量装置，其特征在于，所述发射器组件包括依次设置的激光器、稳功率仪和1/2玻片。

3.根据权利要求1所述的一种大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量装置，其特征在于：所述旋转组件包括与所述起偏器固定连接的第一旋转装置、与所述检偏器固定连接的第二旋转装置。

4.根据权利要求3所述的一种大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量装置，其特征在于：还包括用于控制装置，所述第一旋转装置、第二旋转装置、第一探测器以及第二探测器均与所述控制装置通信连接；

第一旋转装置、第二旋转装置均设有编码器，所述第一旋转装置、第二旋转装置均通过所述编码器与所述控制装置通信连接。

5.一种大口径倍频晶体o光e光与边缘平行度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将一束垂直偏振光分为第一光束、第二光束；

记录第一光束的参量；

记录所述第二光束通过依次布置的透光轴水平的起偏器、待测晶体、与所述起偏器正交布置的检偏器后的参量及参量变化；其中，所述起偏器、检偏器同步绕所述起偏器的轴线摆动±θ/2；其中，光强最小时，经过晶体的透射光就是e光；

记录所述第二光束通过依次布置的透光轴垂直的起偏器、待测晶体、与所述起偏器正交布置的检偏器后的参量及参量变化；其中，所述起偏器、检偏器同步绕所述起偏器的轴线摆动±θ/2；其中，光强最小时，经过晶体的透射光就是o光；

通过测量标准晶体与待测晶体之间的偏差可得到待测晶体的o光e光与边缘平行度。