CN110836740A - 一种玻璃材料应力的在线实时测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃材料应力的在线实时测量系统及其测量方法，该系统装置包括连续激光器、准直系统、起偏器、滑轨载物台、DOE光束分光模块、光电检测模块、放大及AD转换模块和计算机。待测玻璃样品固定在滑轨载物台上，可沿横向和纵向移动，便于测量不同位置应力值。光电检测模块包括二维载物台和四个光电探测器，四个光电探测器固定于二维载物台，用于调节光电探测器探测位置，共光轴依次设置连续激光器、准直系统、起偏器、滑轨载物台、DOE光束分光模块和光电检测模块，光电检测模块、放大及AD转换模块和计算机依次连接。本发明不需要对数据进行调制解调，实验数据计算简便，无需机械转动，一次测量即可获得所需所有数据，可以实现快速测量。
Description
技术领域
本发明属于玻璃材料应力测量领域，具体涉及一种玻璃材料应力的在线实时测量系统及其测量方法。
背景技术
玻璃作为一种透明材料，具有独特的高透光性、高硬度、高耐磨性，良好的热稳定性与化学稳定性，低的电磁波传输衰减等优越性能，在不同领域发挥着重要的作用。几年来针对玻璃应力的研究日益受到人们关注。在激光的辐照下，光学玻璃吸收了一定的光能，在光学玻璃内产生热量沉积。光学玻璃中沉积的热量以热传导等方式不断地向内部扩散由于其导热性差，在厚度方向上温度分布不均匀，在材料中形成非均匀温度场，产生内应力，正是这种热力耦合的作用最终造成了玻璃的形变和损伤，导致玻璃性能下降甚至断裂，影响使用。此外，若玻璃内部存在应力，会使其表面随时间发生变形，影响成像质量，应力分布不均匀还会导致其内部光学均匀性下降，折射率分布不一致，发生双折射，导致成像质量变坏及损伤阈值降低等。光学玻璃在承受外力或者温差时，也会产生内应力，但这种应力一般在未达到损伤阈值的情况下会随着外部作用停止而自动消失，除此之外，光学玻璃在生产过程中，如退火加工时，也会由于上述原因产生应力，影响生产质量。光学玻璃是激光系统中非常重要而又易损伤的薄弱环节。建立更加高效的应力检测系统来检测高功率激光所引起的光学玻璃激的应力，有助于激光向更高功率、更大能量方向发展，同时也有助于延长整个激光系统使用寿命。
目前市场上的应力仪主要基于以下检测方法：(1)偏光干涉法：利用色偏振现象，将玻璃样品放置在彼此正交的起偏器和检偏器之间，可在检偏器观察到干涉色，根据颜色分析玻璃中的应力情况，此方法为一种定性检测方法；(2)移相法：通过多次机械旋转元件，获得测量元件不同方位角下光强值，计算得到玻璃应力值，无法做到快速测量；(3)1/4玻片法：在彼此正交的起偏器和检偏器之间放入1/4玻片，通过检偏器旋转的角度计算玻璃应力，此方法为定量测量法，但单点测量，工作效率低；(4)偏光调制法，利用电光、磁光等调制元件实现周期性调制，通过转动检偏器获得应力值，是一种定量测量法，但需要光学元件较多，且需要多次移动器件，无法实现实时测量。现有的玻璃应力测量装置测量效率较低，功能单一，难以满足测量需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种玻璃材料应力的在线实时测量系统及其测量方法，可以有效解决现有的玻璃应力测量系统中存在的问题，实现玻璃应力的快速测量。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种玻璃材料应力的在线实时测量系统，包括连续激光器、准直系统、起偏器、滑轨载物台、DOE光束分光模块、光电检测模块、放大及AD转换模块和计算机；待测玻璃样品固定在滑轨载物台上，共光轴依次设置连续激光器、准直系统、起偏器、滑轨载物台、DOE光束分光模块和光电检测模块，光电检测模块、放大及AD转换模块和计算机依次连接，待滑轨载物台沿横向和纵向移动，便于测量不同位置应力值。
一种基于玻璃材料应力的在线实时测量系统的测量方法，步骤如下：
步骤1、打开连续激光器，待出光功率稳定后开始实验；
步骤2、连续激光器发射激光，激光经过准直系统准直及起偏器实现特定方位角起偏后入射待测玻璃样品；
步骤3、偏振光穿过待测玻璃样品，入射DOE光束分光模块并以特定方位角分为4束光；
步骤4、光电检测模块接收4束光并将电信号传输至放大及AD转换模块，放大及AD转换模块对接收信号进行放大及AD转换，并将转换后的数据传输至计算机；
步骤5、计算机采集经放大及AD转换模块转化后的四束光光强的数字信号I0、I1、I2、I3；
步骤6、构造入射待测玻璃样品的斯托克斯矢量S′T＝[S′0 S′1 S′2 S′3]、穿过待测玻璃样品出射光的斯托克斯矢量ST＝[S0 S1 S2 S3]、光强矩阵IT＝[I1 I2 I3 I4]及系统矩阵
步骤7、根据光束经过光学器件的传输理论，得到S＝A-1I，光强矩阵IT＝[I1 I2 I3I4]由计算机接收，系统矩阵
由E-P定标法求得，由此可获得ST＝[S0 S1 S2 S3]；
步骤8、根据光学定律及平面应力理论，有
其中Δσ为主应力差，用以表示待测玻璃样品应力情况，λ为入射偏振光的波长，δ是入射光穿过待测玻璃样品后产生的相位延迟量，C是待测玻璃样品的应力光学常数，d为待测玻璃样品的厚度；
步骤9、根据光线传输理论，可得以特殊角度的线偏振光入射时，入射待测玻璃样品的斯托克斯矢量S′T＝[S′0 S′1 S′2 S′3]已知，因此可求得入射光穿过待测玻璃样品后产生的相位延迟量δ，进而求得待测玻璃样品的应力情况。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)实验过程中，不需要移动或转动实验元器件，减小了通误差，同时相比于其他测试需要多次测量才可获得所需数据，本发明一次测量即可获得所需所有数据，因此可以实现快速测量。
(2)不需要对数据进行调制解调，实验数据计算简便。
(3)测量速度仅由光电探测器、放大及AD转换模块以及计算机响应速度决定，测量速度快。
附图说明
图1为本发明玻璃材料应力的在线实时测量系统的原理示意图。
图2为本发明的光电检测模块示意图。
图3为本发明玻璃材料应力的在线实时测量系统的测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图2，本发明所述的一种玻璃材料应力的在线实时测量系统，本发明装置包括连续激光器1、准直系统2、起偏器3、滑轨载物台4、DOE(Diffractive OpticalElements)光束分光模块6、光电检测模块7、放大及AD转换模块9和计算机10。待测玻璃样品5固定在滑轨载物台4上，共光轴依次设置连续激光器1、准直系统2、起偏器3、滑轨载物台4、DOE光束分光模块6和光电检测模块7，光电检测模块7、放大及AD转换模块9和计算机10依次连接，待滑轨载物台4可沿横向和纵向移动，便于测量不同位置应力值。
所述光电检测模块7包括二维载物台和四个光电探测器8，四个光电探测器8固定于二维载物台，用于调节光电探测器8探测位置，保证光电探测器8准确接收经DOE光束分光模块6分光后的偏振光，四个光电探测器8再与放大及AD转换模块9连接。
连续激光器1输出波长范围1060～1080nm，输出能量0～200W连续可调，光斑直径7mm。
连续激光器1发射激光经过准直系统2准直，在起偏器3作用下起偏，照射在待测玻璃样品5上产生应力双折射，偏振光穿过待测玻璃样品5后入射DOE光束分光模块6，DOE光束分光模块6根据预先设计好的方位角将偏振光分成四束，四束光分别入射至光电检测模块7的四个光电探测器8上，光电探测器8接收并测得光信号并将其转换为电信号传送至放大及AD转换模块9，放大及AD转换模块9将电信号放大转换后传输给计算机10，计算机10通过结合斯托克斯矢量应力算法求解应力值，以此达到快速测量。
本实施例中，透过待测玻璃样品5的偏振光穿过DOE光束分光模块6，按照预先设计的方位角，将入射光分束为四束偏正光，方位角分别为0°、45°、90°和135°，不需机械转动即可获得不同方位角，大大提高测量效率，同时因为无机械转动，减小了实验操作过程中的产生的实验误差。
本实施例中，光电检测模块7的四个光电探测器8之间相互独立，探测速率可达10- 7s。
本实施例中，由于光经过DOE光束分光模块6进行分光，光强信号变弱，为提高信号强度，将光电检测模块7与放大及AD转换模块9连接，经过光电检测模块7得到的电信号经放大及AD转换后，最终传输给计算机10，通过结合斯托克斯矢量利用智能优化算法求解应力值，以此达到快速测量。
结合图3，一种基于玻璃材料应力的在线实时测量系统的测量方法，步骤如下：
步骤1、打开连续激光器1，待出光功率稳定后开始实验；
步骤2、连续激光器1发射激光，激光经过准直系统2准直及起偏器3实现特定方位角起偏后入射待测玻璃样品5；
步骤3、偏振光穿过待测玻璃样品5，入射DOE光束分光模块6并以特定方位角分为4束光；
步骤4、光电检测模块7接收4束光并将电信号传输至放大及AD转换模块9，放大及AD转换模块9对接收信号进行放大及AD转换，并将转换后的数据传输至计算机10；
步骤5、计算机10采集经放大及AD转换模块9转化后的四束光光强的数字信号I0、I1、I2、I3；
步骤6、构造入射待测玻璃样品5的斯托克斯矢量S′T＝[S′0 S′1 S′2 S′3]、穿过待测玻璃样品5出射光的斯托克斯矢量ST＝[S0 S1 S2 S3]、光强矩阵IT＝[I1 I2 I3 I4]及系统矩阵
步骤7、根据光束经过光学器件的传输理论，得到S＝A-1I，光强矩阵IT＝[I1 I2 I3I4]由计算机10接收，系统矩阵
由E-P定标法求得，由此可获得ST＝[S0 S1 S2 S3]；
步骤8、根据光学定律及平面应力理论，有
其中Δσ为主应力差，用以表示待测玻璃样品5应力情况，λ为入射偏振光的波长，δ是入射光穿过待测玻璃样品5后产生的相位延迟量，C是待测玻璃样品5的应力光学常数，d为待测玻璃样品5的厚度；
步骤9、根据光线传输理论，可得
以特殊角度的线偏振光入射时，入射待测玻璃样品5的斯托克斯矢量S′T＝[S′0 S′1 S′2 S′3]已知，因此可求得入射光穿过待测玻璃样品5后产生的相位延迟量δ，进而求得待测玻璃样品5的应力情况。
Claims (7)
1.一种玻璃材料应力的在线实时测量系统，其特征在于：包括连续激光器(1)、准直系统(2)、起偏器(3)、滑轨载物台(4)、DOE光束分光模块(6)、光电检测模块(7)、放大及AD转换模块(9)和计算机(10)；待测玻璃样品(5)固定在滑轨载物台(4)上，共光轴依次设置连续激光器(1)、准直系统(2)、起偏器(3)、滑轨载物台(4)、DOE光束分光模块(6)和光电检测模块(7)，光电检测模块(7)、放大及AD转换模块(9)和计算机(10)依次连接，待滑轨载物台(4)沿横向和纵向移动，便于测量不同位置应力值。
2.根据权利要求1所述的玻璃材料应力的在线实时测量系统，其特征在于：所述光电检测模块(7)包括二维载物台和四个光电探测器(8)，四个光电探测器(8)固定于二维载物台，用于调节光电探测器(8)探测位置，保证光电探测器(8)准确接收经DOE光束分光模块(6)分光后的偏振光，四个光电探测器(8)再与放大及AD转换模块(9)连接。
3.根据权利要求2所述的玻璃材料应力的在线实时测量系统，其特征在于：光电检测模块(7)的四个光电探测器(8)之间相互独立。
4.根据权利要求1所述的玻璃材料应力的在线实时测量系统，其特征在于：连续激光器(1)输出波长范围1060～1080nm，输出能量0～200W连续可调，光斑直径7mm。
5.根据权利要求1所述的玻璃材料应力的在线实时测量系统，其特征在于：连续激光器(1)发射激光经过准直系统(2)准直，在起偏器(3)作用下起偏，照射在待测玻璃样品(5)上产生应力双折射，偏振光穿过待测玻璃样品(5)后入射DOE光束分光模块(6)，DOE光束分光模块(6)根据预先设计好的方位角将偏振光分成四束，四束光分别入射至光电检测模块(7)的四个光电探测器(8)上，光电探测器(8)接收并测得光信号并将其转换为电信号传送至放大及AD转换模块(9)，放大及AD转换模块(9)将电信号放大转换后传输给计算机(10)，计算机(10)通过结合斯托克斯矢量应力算法求解应力值，以此达到快速测量。
6.一种基于玻璃材料应力的在线实时测量系统的测量方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、打开连续激光器(1)，待出光功率稳定后开始实验；
步骤2、连续激光器(1)发射激光，激光经过准直系统(2)准直及起偏器(3)实现特定方位角起偏后入射待测玻璃样品(5)；
步骤3、偏振光穿过待测玻璃样品(5)，入射DOE光束分光模块(6)并以特定方位角分为4束光；
步骤4、光电检测模块(7)接收4束光并将电信号传输至放大及AD转换模块(9)，放大及AD转换模块(9)对接收信号进行放大及AD转换，并将转换后的数据传输至计算机(10)；
步骤5、计算机(10)采集经放大及AD转换模块(9)转化后的四束光光强的数字信号I0、I1、I2、I3；
步骤6、构造入射待测玻璃样品(5)的斯托克斯矢量S′T＝[S′0 S′1 S′2 S′3]、穿过待测玻璃样品(5)出射光的斯托克斯矢量ST＝[S0 S1 S2 S3]、光强矩阵IT＝[I1 I2 I3 I4]及系统矩阵
步骤7、根据光束经过光学器件的传输理论，得到S＝A-1I，光强矩阵IT＝[I1 I2 I3 I4]由计算机(10)接收，系统矩阵由E-P定标法求得，由此可获得ST＝[S0 S1 S2 S3]；
步骤8、根据光学定律及平面应力理论，有
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步骤9、根据光线传输理论，可得
以特殊角度的线偏振光入射时，入射待测玻璃样品(5)的斯托克斯矢量S′T＝[S′0 S′1 S′2 S′3]已知，因此可求得入射光穿过待测玻璃样品(5)后产生的相位延迟量δ，进而求得待测玻璃样品(5)的应力情况。
7.根据权利要求6所述的基于玻璃材料应力的在线实时测量系统的测量方法，其特征在于：步骤3中，特定方位角分别为0°、45°、90°和135°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200225 |