CN1122838C - 透明材料破坏的测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种透明材料破坏的测量装置，它包括在外壳内，沿着激光器发射光束前进的方向上，同光轴地依次置有扩束镜，反射面与光轴成α角置放的半反半透镜、偏振片、偏振棱镜、凸透镜以及供置放含有破坏点的待测透明材料的调整架。发射光束穿过含有破坏点的待测透明材料后射到在光路端点处的全反射镜上被反射后沿原光路返回。在半反半透镜反射光束的方向上置有显示观测器件。具有光路简单紧凑、易于调整、使用方便、成本低、测量精度高的优点。
Description
技术领域
本发明是一种关于测量透明材料破坏的装置，主要适用于透明材料，特别是光学玻璃材料的微小破坏的测量。
背景技术
在激光领域中，透明光学元件材料(如光学玻璃等)的微小破坏测量，一直是人们关心的问题。在先技术中，於海武等人在文章“光学玻璃材料破坏测量”(光学学报，1996，Vol.16，No.11：1646-1649)中，提供了一种光学玻璃材料破坏的测量装置，其结构对于待测材料几乎是左右对称的，如图1所示。氦氖激光器1发出的相干光经过第一个偏振片2变成线偏振光后，被第一个偏振棱镜3将其一分为二，两束光经过第一个凸透镜4后变成平行光，一束通过待测材料5的完好部分，另一束通过待测材料5的微小破坏点6，这两束分别携带了待测材料的破坏程度和完好程度信息的光被第二个凸透镜7会聚于第二个偏振棱镜8中，第二个偏振棱镜8将它们合二为一进行干涉。干涉图样经第二个偏振片9滤去非偏振杂散光，再经显微物镜10放大后，最后用CCD摄象机11进行接收。从干涉条纹的弯曲程度可以观测出待测材料的破坏程度。
上述在先技术测量装置的结构的缺点是：①整个装置光路太长，放置时受实验场地空间大小的限制。②大多数光学元件对于待测材料是左右对称的，以待测材料5为中心分成左右两侧的的结构参数完全相同，造成成对加工太浪费，成本高，尤其是对于昂贵的偏振棱镜。两个相同的元件在加工制做时不可能做的完全一样，加工时必然会有误差影响测量精度。③因为是对称式结构，左右对称元件的位置角度稍有偏差就偏离了光路。装调过程复杂，要协调的元件多。例如，第一个偏振棱镜的功能是将光束一分为二，第二个偏振棱镜的功能是将光束合二为一，偏振棱镜的分束角很小，如果调整时稍不精确，第一个偏振棱镜所分开的两束光就不能被第二个偏振棱镜重新合并成一束光进行干涉，以致没有干涉信号输出。
发明内容
本发明的目的是针对在先技术中光学元件重复、光路长、难调整、成本高的缺点，提供一种优化的往返式光路设置，使整个测量装置更为紧凑，降低成本，简化调整过程，提高测量精度。
本发明透明材料破坏的测量装置，如图2所示，包括外壳16内置有的激光器1，在外壳16内沿着由激光器1发射光束G0前进的方向上，与激光器1同光轴OO地依次置有扩束镜12、半反半透镜13、偏振片2、偏振棱镜3、凸透镜4、含有破坏点6的待测透明材料5以及全反射镜14，所说的透明材料置于一调整架15上，其特点是：发射光束G0穿过含有破坏点6的待测透明材料5后射到在光路端点处的全反射镜14上被反射后沿原光路返回；半反半透镜13的反射面与光轴OO成α角，其中α角的角度为0°＜α＜90°；在半反半透镜13相对偏振片2的反射面所反射的反射光束Gf的方向上置有显示观测器件17。
所说的激光器1是半导体激光器，或者是固体激光器，或者是气体激光器，或者是染料激光器。
所说的显示观测器件17是显微镜，可以从显微镜中直接观测到干涉光信号，或是摄象机，可以将干涉光信号摄录下来，或者是探测元件将干涉光信号变成电信号输入计算机进行处理显示。
本发明的测量装置用激光器1发出的相干性较强的激光束G0作为测量透明材料微小破坏的探测光，经过扩束镜12扩束后，通过半反半透镜13后被偏振片2变成线偏振光，偏振棱镜3将光束一分为二，两束光经过凸透镜4后变为平行光。其中一束通过待测透明材料5的完好部分，另一束通过待测透明材料5中的破坏点6，两束光被全反射镜14反射并沿原光路返回，再次经过待测透明材料5，凸透镜4将两光束会聚到偏振棱镜3中，这次偏振棱镜3的功能是将两光束合二为一进行干涉，形成的干涉图由半反半透镜13反射到显示观测器件17中进行观测。
本发明的优点是光路简单紧凑，易于调整，使用方便，降低成本的同时提高了测量精度。如图2所示，本发明中用了一个全反射镜14使光线能顺原路返回，使同一个器件被重复利用两次，而每次实现的功能相反。例如，偏振片2既可使相干光变成偏振光又可滤掉非偏振杂散光；偏振棱镜3的功能既将光束一分为二，又将光束合二为一；凸透镜4使会聚光发散成平行光，又使平行光会聚起来。上述在先技术中，相反功能的实现是用成对的元件分别实现的，而本发明的结构使在先技术中成对出现的元件只须单个即可，去掉了重复的元件，从而提高了元件的利用率，用更少的元件达到了更好的效果。更有意义的是：全反射镜14的反射作用使探测光G0来回两次通过待测透明材料5(在先技术中探测光只通过待测透明材料一次)，累积加倍了两束干涉光通过材料完好部分与破坏点6后的光程差。对同一破坏程度，本发明的光程差为在先技术的两倍。这样就提高了探测精度，使干涉图样更加明显，易于观测。若显示观测元件17选用普通光学显微镜，则本发明即成为一种新型的干涉显微镜。干涉显微镜显然要比普通的光学显微镜具有更高的分辨率，能观察透明材料的极其微小的破坏。
附图说明：
图1为在先技术测量装置结构的示意图。
图2为本发明透明材料破坏的测量装置结构的示意图。
图3为本发明实施例中观测到的干涉图样示意图。
具体实施方式：
应用如图2所示的结构。为了使整台装置小型化，选用小巧的半导体激光器作为探测光源的激光器1。半反半透镜13的反射面与光轴OO成夹角α＝45°置放。偏振片2和用乌拉斯顿棱镜做的偏振棱镜3均安装在可做到俯仰和旋转调节的光学调整架上，以便使它们的光轴同光轴OO。乌拉斯顿棱镜是用冰洲石加工的一对小偏振棱镜胶合而成，每小块偏振棱镜的劈角为11°，两块偏振棱镜胶合后的厚度为8mm。待测透明材料5为光学玻璃材料放在凸透镜4与全反射镜14之间，用夹具固定于调整架15上。凸透镜4的焦距f＝60mm，口径为25mm。显示观测器件17采用普通光学显微镜。整台装置用外壳16密封起来，防止灰尘和杂散光的进入，影响观测效果。因为激光对人眼有害，在观察时最好戴上激光防护镜。
图3为实施例所观测到的干涉图样示意图。干涉条纹Tw为干涉图样中弯曲程度最大的条纹，通过测量它弯曲的矢高h可以计算出破坏点6的大小Φ。计算公式为：Φ＝hλ/mdΔn，式中λ为激光器1所发射光束G0的波长，m为干涉光通过待测透明材料5的次数，d为相邻干涉条纹的间距，Δn为材料的完好部分与破坏点6的折射率之差。由上式可得：h＝mΦdΔn/λ，干涉条纹的弯曲程度h正比于m。对本发明来说，干涉光来回两次通过待测透明材料5，m＝2；对在先技术，干涉光只通过待测透明材料5一次，m＝1。因此，对同样的破坏点6大小Φ，本发明所观测到的干涉图样中条纹的弯曲程度h为在先技术的两倍。这样就提高了测量精度，也易于观测和计算。
Claims (3)
1.一种透明材料破坏的测量装置，包括：外壳(16)内置有的激光器(1)，在外壳(16)内，沿着激光器(1)发射光束(G0)前进的方向上，与激光器(1)同光轴(OO)地依次置有扩束镜(12)、半反半透镜(13)、偏振片(2)、偏振棱镜(3)、凸透镜(4)含有破坏点(6)的待测透明材料(5)以及全反射镜(14)，所说的透明材料置于一调整架(15)上；其特征在于：
<1>发射光束(G0)穿过含有破坏点(6)的待测透明材料(5)后射到在光路端点处的全反射镜(14)上被反射并沿原光路返回；
<2>半反半透镜(13)的反射面与光轴(OO)成α角，其中α角的角度为0°＜α＜90°；
<3>在半反半透镜(13)相对偏振片(2)的反射面所反射的反射光束(Gf)的方向上置有显示观测器件(17)。
2.根据权利要求1所述的透明材料破坏的测量装置，其特征在于所说的激光器(1)是半导体激光器，或者是固体激光器，或者是气体激光器，或者是染料激光器。
3.根据权利要求1所述的透明材料破坏的测量装置，其特征在于所说的显示观测器件(17)是显微镜，或者是摄象机，或者是探测元件。
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