CN115598091B - 一种基于波前测量的晶体折射率非均匀性测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于波前测量的晶体折射率非均匀性测量方法，激光器发出的光经过起偏器、扩束器后由聚焦透镜聚焦，再经检偏器形成探测光，通过扫描衍射物体，在远场光斑探测器上记录衍射斑。将待测晶体紧贴放置在聚焦透镜前面，通过调整起偏器和检偏器的偏振方向并分别记录衍射斑，得到o光和e光以及背景光的相位分布。本发明将PIE相位恢复技术与偏振测量相结合，通过相位恢复，根据得到的o光和e光的相位，求出晶体e光折射率非均匀性测量结果，提升了测量的采样分辨率。该方法具有结构简单、环境适应性强、测量分辨率及精度高等优点，对所用透镜等元件精度要求低，尤其适用于大口径晶体的检测。
Description
技术领域
本发明涉及晶体折射率非均匀性测量领域，特别是一种利用PIE相位恢复技术进行波前测量的晶体折射率非均匀性测量方法。
背景技术
晶体作为频率转换及相位调制元件，广泛应用于各种激光系统中。晶体材料折射率的空间非均匀分布会导致晶体局部存在相位失配，影响到晶体的转换效率等指标，并最终对系统的输出性能产生至关重要的影响。而晶体在生长过程中由于杂质缺陷、自身重力、装配应力以及温度变化等因素，不可避免地会出现折射率空间分布的不均匀。因此需要对晶体材料的折射率非均匀性进行精确测量，以选择合适的晶体材料进行加工。
目前，对晶体折射率空间分布测量的方法主要有两种，一种采用单点扫描的方式，逐线测量，也就是晶体定位测试系统(CATS)；另一种则是正交偏振干涉(OPI)测量技术，利用激光干涉仪获得不同偏振态下晶体的透过波前，通过差异分析得出晶体折射率分布的非均匀性。OPI方法虽然测量精度高，但易受环境振动及气流影响，而且对光路中透镜、参考镜等元件要求高。该方法也对晶体表面加工质量提出了极高要求，无法在精密加工完成前判断其均匀性是否满足要求，降低了工作效率。因此对晶体折射率非均匀性测量方法的研究具有十分重要的意义。
发明内容
本发明针对上述晶体折射率非均匀性测量的问题，提出了一种基于波前测量的晶体折射率非均匀性测量方法，将PIE定量相位测量技术与偏振测量相结合，调整入射光偏振状态，分别测量晶体以及背景光的波前分布，利用四组数据重建出的近场相位获得晶体折射率非均匀性。该方法具有结构简单、环境适应性强、测量分辨率及精度高等优点，对所用透镜等元件精度要求低，尤其适用于大口径晶体的检测。本发明利用相干衍射相位恢复技术降低了对晶体表面抛光质量的要求，晶体只需经过检测性抛光即可进行测量判断均匀性，提高了加工效率。
本发明采用的技术解决方案如下：
一种基于波前测量的晶体折射率非均匀性的检测方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：
步骤1)构建检测光路：
放置激光器，并沿该激光器的输出光方向依次放置起偏器、扩束器、聚焦透镜、检偏器、衍射物体和光斑探测器；所述的衍射物体固定在二维电动位移台上，所述的光斑探测器和二维电动位移台分别与计算机相连；所述的检偏器位于所述的聚焦透镜的焦点附近，所述聚焦透镜到衍射物体的距离z0，衍射物体到聚焦透镜焦点的距离z1，衍射物体到光斑探测器的距离z2；
步骤2)打开激光器，调整起偏器和检偏器的角度，使两个偏振片的偏振方向均为待测晶体o光的方向；所述计算机控制二维电动位移台，使衍射物体在垂直于光轴平面内进行M行N列移动扫描，且扫描步长小于入射光直径；利用光斑探测器记录o光方向背景光的衍射光斑序列I1，并存储于计算机中；
步骤3)将待测晶体靠近聚焦透镜垂直放置在平行入射光束中；所述计算机控制二维电动位移台，使衍射物体在垂直于光轴平面内进行M行N列移动扫描，且扫描步长小于入射光直径；利用光斑探测器记录o光方向下探测光的衍射光斑序列I2，并存储于计算机中；
步骤4)将起偏器和检偏器均旋转90°，使两个偏振片的偏振方向均为待测晶体e光的方向，所述计算机控制二维电动位移台，使衍射物体在垂直于光轴平面内进行M行N列移动扫描，且扫描步长小于入射光直径；用光斑探测器记录e光方向下探测光的衍射光斑序列I3，存储于计算机中；
步骤5)将待测晶体从测量光路中取出，所述计算机控制二维电动位移台，使衍射物体在垂直于光轴平面内进行M行N列移动扫描，且扫描步长小于入射光直径；用光斑探测器记录e光方向背景光的衍射光斑序列I4，存储于计算机中；
步骤6)利用标准ePIE相位恢复算法分别对衍射光斑序列I1、I2、I3、I4进行迭代重建，得到衍射物体所在平面处入射光的复振幅分布P1、P2、P3、P4，并利用菲涅尔衍射积分公式计算其逆向传播到聚焦透镜所在平面获得的出射光复振幅，包括相位
步骤7)计算待测晶体的折射率非均匀性δne：
o光状态下待测晶体引入的相位变化为 同样e光状态下晶体引入的相位变化为其中，no和ne分别为待测晶体o光和e光的折射率；δno(x,y)、δne(x,y)分别表示待测晶体o光、e光折射率非均匀性，L为待测晶体的平均厚度，δL(x,y)表示待测晶体厚度变化，λ表示入射光的波长。
计算中认为折射率的空间非均匀性完全取决于晶体光轴方向的变化，即o光折射率为常数，忽略不计δno。利用结合/>最终可以得到：
与现有技术相比，本发明的技术效果：
①不仅可对单轴晶体进行测量，可同时对双轴晶体进行测量。
②降低了对晶体表面抛光质量的要求，晶体只需经过检测性抛光即可进行测量判断均匀性，提高了加工效率。
③利用起偏器完成o光和e光透射波前的测量，并测量不同偏振下的背景光，去除测量光路带来的误差，体现更多的细节信息，提高测量准确性。
④该装置具有结构简单、环境适应性强、测量分辨率及精度高等优点，对所用透镜等元件精度要求低，尤其适用于大口径晶体的检测。
附图说明
图1是本发明基于波前测量的晶体折射率非均匀性检测装置示意图。
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，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是基于波前测量的晶体折射率非均匀性检测装置示意图，如图所示，激光器1发出的相干光经过起偏器2后通过扩束器3扩束成口径较大的平行光，由聚焦透镜5聚焦，焦点后附近放置检偏器6和衍射物体7，衍射物体7固定于二维电动位移台8上并沿X-Y方向二维移动，光斑探测器9和二维电动位移台8同时由计算机10控制。
聚焦透镜5到衍射物体7的直线距离z0为333.2mm，聚焦透镜5焦点距离衍射物体7平面z1为33.2mm，衍射物体7平面到光斑探测器9的距离z2为87.7mm，光斑探测器9的分辨率为2048像素×2048像素，最小单元为7.4μm。二维电动位移台8沿X-Y方向进行10行10列的扫描，扫描步长为0.185mm(0.185mm对应于25个像素)。
利用上述测量装置对晶体进行折射率非均匀性检测，包括下列步骤：
1)打开激光器1，以激光器1发出的相干光光束为基准，确定光轴，各光学元件与光束垂直且中心保持在光轴上，将衍射物体7置于二维电动位移台8上并垂直于光束的入射方向，测量获得聚焦透镜5到衍射物体7的距离z0，衍射物体7到聚焦透镜5焦点的距离z1，衍射物体7到光斑探测器9的距离z2。
2)调整起偏器2和检偏器6的角度，使两个偏振片的偏振方向均为待测晶体4o光的方向，聚焦透镜5前先不放置待测晶体4。计算机10控制二维电动位移台8，使衍射物体7在垂直于光轴平面内进行M行N列移动扫描，且扫描步长小于照明光直径，利用光斑探测器9记录o光方向背景光的衍射光斑序列I1，并存储于计算机10中。
3)将待测晶体4靠近聚焦透镜5垂直放置在平行入射光束中。采用上述同样扫描方式，用光斑探测器9记录o光方向下探测光的衍射光斑序列I2，存储于计算机10中。
4)将起偏器2和检偏器6均旋转90°，使两个偏振片的偏振方向均为待测晶体4e光的方向，此时待测晶体4仍置于测量光路中。采用相同扫描方式用光斑探测器9记录e光方向下探测光的衍射光斑序列I3，存储于计算机10中。
5)将待测晶体4从测量光路中取出。采用相同的扫描方式用光斑探测器9记录e光方向背景光的衍射光斑序列I4，存储于计算机10中。
6)利用标准ePIE相位恢复算法分别对衍射光斑序列I1、I2、I3、I4进行迭代重建，得到衍射物体7所在平面处照明光的复振幅分布P1、P2、P3、P4，并利用菲涅尔衍射积分公式，计算其逆向传播到聚焦透镜5所在平面获得出射光复振幅，它们对应的相位分别为
7)计算晶体折射率非均匀性δne：
o光状态下待测晶体4引入的相位变化为 同样e光状态下晶体引入的相位变化为其中，no和ne分别为待测晶体o光和e光的折射率；δno(x,y)、δne(x,y)分别表示待测晶体o光、e光折射率非均匀性，L为待测晶体4的平均厚度，δL(x,y)表示待测晶体厚度变化，λ表示入射光的波长。
计算中认为折射率的空间非均匀性完全取决于晶体光轴方向的变化，即o光折射率为常数，忽略不计δno。利用结合/>最终可以得到：
Claims (1)
1.一种基于波前测量的晶体折射率非均匀性的检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1)构建检测光路：
放置激光器(1)，并沿该激光器(1)的输出光方向依次放置起偏器(2)、扩束器(3)、聚焦透镜(5)、检偏器(6)、衍射物体(7)和光斑探测器(9)；所述的衍射物体(7)固定在二维电动位移台(8)上，所述的光斑探测器(9)和二维电动位移台(8)分别与计算机(10)相连；所述的检偏器(6)位于所述的聚焦透镜(5)的焦点附近，所述聚焦透镜(5)到衍射物体(7)的距离z0，衍射物体(7)到聚焦透镜(5)焦点的距离z1，衍射物体(7)到光斑探测器(9)的距离z2；
步骤2)打开激光器(1)，调整起偏器(2)和检偏器(6)的角度，使两个偏振片的偏振方向均为待测晶体(4)o光的方向；所述计算机(10)控制二维电动位移台(8)，使衍射物体(7)在垂直于光轴平面内进行M行N列移动扫描，且扫描步长小于入射光直径；利用光斑探测器(9)记录o光方向背景光的衍射光斑序列I1，并存储于计算机(10)中；
步骤3)将待测晶体(4)靠近聚焦透镜(5)垂直放置在平行入射光束中；所述计算机(10)控制二维电动位移台(8)，使衍射物体(7)在垂直于光轴平面内进行M行N列移动扫描，且扫描步长小于入射光直径；利用光斑探测器(9)记录o光方向下探测光的衍射光斑序列I2，并存储于计算机(10)中；
步骤4)将起偏器(2)和检偏器(6)均旋转90°，使两个偏振片的偏振方向均为待测晶体(4)e光的方向，所述计算机(10)控制二维电动位移台(8)，使衍射物体(7)在垂直于光轴平面内进行M行N列移动扫描，且扫描步长小于入射光直径；用光斑探测器(9)记录e光方向下探测光的衍射光斑序列I3，存储于计算机(10)中；
步骤5)将待测晶体(4)从测量光路中取出，所述计算机(10)控制二维电动位移台(8)，使衍射物体(7)在垂直于光轴平面内进行M行N列移动扫描，且扫描步长小于入射光直径；用光斑探测器(9)记录e光方向背景光的衍射光斑序列I4，存储于计算机(10)中；
步骤6)利用标准ePIE相位恢复算法分别对衍射光斑序列I1、I2、I3、I4进行迭代重建，得到衍射物体(7)所在平面处入射光的复振幅分布P1、P2、P3、P4，并利用菲涅尔衍射积分公式计算其逆向传播到聚焦透镜(5)所在平面获得的出射光复振幅，包括相位
步骤7)计算待测晶体(4)的折射率非均匀性δne，公式如下：
式中，no和ne分别为待测晶体o光和e光的折射率，L为待测晶体(4)的平均厚度，λ为入射光的波长。
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