CN114414592A - 基于非线性全息热像的玻璃气泡检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于非线性全息热像的光学玻璃气泡检测装置和方法，包括激光器，沿该激光器输出的激光方向依次是空间滤波器、准直透镜、非线性介质、光电探测器，所述的光电探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连。本发明能对光学玻璃的气泡进行实时、高效、精密的检测。
Description
技术领域
本发明涉及光学玻璃加工技术领域，具体为一种基于非线性全息热像的玻璃气泡检测装置和方法。
背景技术
光学玻璃可以做成棱镜、透镜、滤光片等各种光学元件，在成像领域、高功率激光装置等领域内有着不可替代的重要应用。受制于加工工艺的局限性，光学玻璃会引入气泡。这些气泡直接影响着由光学玻璃构成的光学仪器的表现。因此，光学玻璃的气泡度是重要的质量指标。
现有的光学玻璃气泡的光学检测方法，多是人工将光学玻璃对准光源，通过肉眼或借助光电探测器对其进行检测、分辨。然而，这些方法对操作人员的经验提出了较高要求，并且光学玻璃中的气泡对光束更多的是产生相位上的调制，人眼或光电探测器难以实现高对比度的分辨。尤其对于较小的气泡，检测效率与检测精度较低。一些基于显微技术检测方法可以对光学玻璃进行足够精密的检测。但是，高倍数的显微镜意味着较短的物距，因此显微方法在想要实现精密检测的时候，无法对厚光学玻璃进行有效的检测。还有一些基于干涉或衍射的检测方法，但是，这些方法引入了过多高质量要求的光学元件，对环境稳定性也提出了极高的要求，从而极大提高了检测成本。因此，如何对光学玻璃气泡进行易于实现、结构简单、高效率、高对比度的检测，是玻璃制造业的需求之一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于非线性全息热像的玻璃气泡检测装置和方法。该方法通过对待测光学玻璃的热像面的光场信息进行采集，能对光学玻璃的气泡进行实时、高效、精密的检测。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于非线性全息热像的光学玻璃气泡检测装置，其特点在于，包括激光器，沿该激光器输出的激光方向依次是空间滤波器、准直透镜、非线性介质、光电探测器，所述的光电探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连。
利用上述基于非线性全息热像的光学玻璃气泡检测装置对光学玻璃气泡检测方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：
1)在一个平台上设置所述的装置，依次激光器、空间滤波器、准直透镜、非线性介质、光电探测器和计算机，将所述的待测光学玻璃置于所述的准直透镜和所述的非线性介质之间，调整所述的空间滤波器、准直透镜、待测光学玻璃、非线性介质和光电探测器，使所述的激光器输出的激光通过所述的空间滤波器之后的光束被焦距为f的准直透镜准直为平行光束，准直之后的平行光束照射所述的待测光学玻璃，所述的光电探测器放置在光学玻璃的热像面处，即所述的待测光学玻璃与所述的非线性介质的距离为d1，所述的非线性介质与所述的光电探测器之间的距离为d2，且d1＝d2，即所述的光电探测器位于待测光学玻璃的全息热像面处，所述的光电探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连；
2)所述的光电探测器探测全息热像面的光场分布，输入所述的计算机；
3)所述的计算机输出全息热像面的光场分布，即得知所述的待测光学玻璃中的气泡信息。
所述的空间滤波器同准直透镜构成扩束系统，使得通过准直透镜之后的光束为平行光束。
所述的空间滤波器，将激光器出射的激光的高频成分滤去，从而获得一个均匀的光场。
所述的空间滤波器和准直透镜构成的扩束系统，可以是扩束器等可以将激光器出射激光调制为平行光束的器件。
所述的光电探测器放置在待测光学玻璃的热像面处。
所述的热像面是待测光学玻璃4的共轭面。具体体现在，光学玻璃到非线性介质前表面的距离等于非线性介质后表面到热像面的距离，即d1＝d2。
所述的基于非线性全息热像，其产生过程如下：
经过扩束器滤波的平行光束，经过带气泡的光学玻璃的调制，在自由空间中传输到非线性介质处。这一过程的传输可以用如下偏微分方程描述：
其中，A是光场的复振幅。k1是自由空间中的波数。光束在非线性介质中的传播，可以用如下非线性薛定谔方程描述：
其中，
k2是非线性介质中的波数。B0＝k2n2|E0|2/n0。n0和n2是自由空间中和非线性介质中的本底折射率。光束离开非线性介质后，到热像面的传输为在自由空间中的传输，同样可以用如下偏微分方程描述：
传输到热像面，即可以得到待测光学玻璃的热像。
基于非线性全息热像的光学玻璃气泡检测方法，其原理如下：
光束经过光学玻璃的气泡调制，产生的衍射可以看做信号光。其他部分可以看做背景光。在热像形成的过程中，由于非线性克尔效应，非线性介质的折射率会发生变化。这样，非线性介质相当于全息记录了信号光和背景光的干涉信号。在背景光进一步的照射之下，在下游共轭面的位置，将对记录的气泡信息进行复现。这个位置就是热像位置。因此，观察热像面的光场分布，即可以得知光学玻璃中的气泡信息。
本发明与以前的方法相比的技术优势在于：
传统的光学玻璃气泡的检测方法，多是人工将光学玻璃对准光源，通过肉眼或借助光电探测器对其进行检测、分辨。然而，这些方法对操作人员的经验操作提出了较高要求，并且，对于较小的气泡，无法进行有效的分辨。同时，光学玻璃中的气泡，更多对光束产生的是相位上的调制，因而检测的对比度较低。本发明利用非线性全息热像来实现对气泡的检测，相比于人工检测的方法，热像将光学玻璃的气泡信息转化成热像的强振幅信息，从而极大提高了检测对比度。相比于传统的基于干涉或衍射的检测方法，本发明检测装置结构简单，只需要一块非线性克尔介质和光电探测器，就可以实现对玻璃气泡的实时检测。
附图说明
图1为本发明光学玻璃气泡检测装置的示意图。
图2为待测光学玻璃的气泡分布。
图3为待测光学玻璃的全息热像。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例：
请参阅图1，图1为本发明光学玻璃气泡检测装置的示意图。由图可见，本发明基于非线性全息热像的光学玻璃气泡检测装置，包括激光器1，沿该激光器1输出的激光方向依次是空间滤波器2、准直透镜3、非线性介质5、光电探测器6，所述的光电探测器6的输出端与所述的计算机7的输入端相连。
利用上述基于非线性全息热像的光学玻璃气泡检测装置对光学玻璃气泡检测方法，包括下列步骤：
1)在一个平台上设置所述的装置，依次包括激光器1、空间滤波器2、准直透镜3、非线性介质5、光电探测器6和计算机7，将所述的待测光学玻璃4置于所述的准直透镜3和所述的非线性介质5之间，调整所述的空间滤波器2、准直透镜3、待测光学玻璃4、非线性介质5和光电探测器6，使所述的激光器1输出的激光通过所述的空间滤波器2之后的光束被焦距为f的准直透镜3准直为平行光束，准直之后的平行光束照射所述的待测光学玻璃4，所述的光电探测器6放置在光学玻璃的热像面处，即所述的待测光学玻璃4与所述的非线性介质5的距离为d1，所述的非线性介质5与所述的光电探测器6之间的距离为d2，且d1＝d2，即所述的光电探测器6位于待测光学玻璃4的全息热像面处，所述的光电探测器6的输出端与所述的计算机7的输入端相连；
2)所述的光电探测器6探测全息热像面的光场分布，输入所述的计算机6；
3)计算机6输出全息热像面的光场分布，即得知所述的待测光学玻璃4中的气泡信息。
在本实施例中：
所述的激光器1为波长为532nm的激光器。
所述的空间滤波器2是由显微物镜和针孔构成的空间滤波器。
所述的非线性介质3为铌酸锶钡晶体(SBN:61)。可以通过电压来控制SBN:61的非线性克尔效应的强弱。
所述的光电探测器6为电荷耦合元件(CCD)。
所述的计算机7的目的是存储CCD记录的热像面的强度信息。
请参阅附图。附图为本发明实现光学玻璃气泡检测的装置示意图。
本实施例包括激光器1、空间滤波器2、准直透镜3、待测光学玻璃4、非线性介质5、光电探测器6、计算机7。上述各部分的位置关系及光路原理解释如下：
激光器1输出光前进方向上是空间滤波器2，通过空间滤波器2之后的光束被焦距为f的准直透镜3准直为平行光束，准直之后的平行光束照射待测光学玻璃4。光束经过待测光学玻璃4后，传播d1的距离后照射到非线性介质5处。由于光克尔效应，在非线性介质之后距离为d2的位置会产生全息热像。在这里放置光电探测器6。光电探测器6和计算机7相连。在本实施例中，d1＝d2＝0.8m。
读取光电探测器6的数据，即待测光学玻璃的热像。
图2为光学玻璃中的气泡分布。其中，红色圆圈圈起来的部分为随机设置的气泡。气泡1为长条形的气泡，长度为600微米，宽度为200微米。气泡2,3,4为随机三个位置的，半径为100微米、200微米、300微米的气泡。图2为这些气泡的相位信息，而在实际情况下，这些相位信息难以被肉眼或光电探测器所直接探测。
图3为该待测光学玻璃的全息热像的光场。
对热像进行分析，可以看到，图3中全息热像的光场分布情况即对应了光学玻璃内的气泡分布情况。
Claims (2)
1.一种基于非线性全息热像的光学玻璃气泡检测装置，其特征在于，包括激光器(1)，沿该激光器(1)输出的激光方向依次是空间滤波器(2)、准直透镜(3)、非线性介质(5)、光电探测器(6)，所述的光电探测器(6)的输出端与所述的计算机(7)的输入端相连。
2.利用权利要求1所述的基于非线性全息热像的光学玻璃气泡检测装置对光学玻璃气泡检测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)在一个平台上设置所述的装置，依次包括激光器(1)、空间滤波器(2)、准直透镜(3)、非线性介质(5)、光电探测器(6)和计算机(7)，将所述的待测光学玻璃(4)置于所述的准直透镜(3)和所述的非线性介质(5)之间，调整所述的空间滤波器(2)、准直透镜(3)、待测光学玻璃(4)、非线性介质(5)和光电探测器(6)，使所述的激光器(1)输出的激光通过所述的空间滤波器(2)之后的光束被焦距为f的准直透镜(3)准直为平行光束，准直之后的平行光束照射所述的待测光学玻璃(4)，所述的光电探测器(6)放置在光学玻璃的热像面处，即所述的待测光学玻璃(4)与所述的非线性介质(5)的距离为d1，所述的非线性介质(5)与所述的光电探测器(6)之间的距离为d2，且d1＝d2，即所述的光电探测器(6)位于待测光学玻璃(4)的全息热像面处，所述的光电探测器(6)的输出端与所述的计算机(7)的输入端相连；
2)所述的光电探测器(6)探测全息热像面的光场分布，输入所述的计算机(6)；
3)所述的计算机(6)输出全息热像面的光场分布，即得知所述的待测光学玻璃(4)中的气泡信息。
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