CN116086776A - 一种准直光束发散角检测装置及发散角检测方法 - Google Patents

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孙文杰
郑家乐
吴雪琴
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兰文科
沈中华
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Abstract

本发明公开了一种准直光束发散角检测装置及发散角检测方法。该装置可通过透镜组将被测光聚焦通过柱棱镜并入射到光子晶体表面，光束在光子晶体上激发布洛赫表面波后反射并出射；CCD将收集记录来自柱棱镜方向的出射光。本装置可以通过CCD中所成图像的弯曲程度来完成对入射光线是否准直的监测与判断，并计算得出该入射光的发散角。此装置提供了一种新型的准直光束判断及发散角检测方式，经济便捷，响应迅速，检测精确。

Description

一种准直光束发散角检测装置及发散角检测方法
技术领域
本发明涉及精密测量领域及光束校准及检测领域，尤其涉及一种准直光束发散角检测装置及发散角检测方法。
背景技术
准直光束通常情况下表示为发散角极小的光束；其光束半径在一定的传播距离内不会发生显著的变化。准直光束在诸如光学应用，通信工程，机械生产制造等诸多领域中都属于不可或缺的光源；其在光纤通讯，激光焊接，激光打标，激光切割雕刻，机械零件轴孔同轴度和同心度测量等具体工程应用方面都有着不同的应用场景。在传统的准直光束判断及发散角检测中，一般采用Shack-Hartmann传感器，刀口阴影法或者特定的干涉仪来测量光束自由空间中传播一段距离内的光束半径变化，从而检验光束是否准直；而在光纤光学中，通常会采用光纤准直器这种适用于检测裸光纤和需要连接起来的光纤的装置，显然光纤准直器则只适用于需要与光纤连接器连接起来的光纤设备中。如果使用传统的Shack-Hartmann传感器通过检测光束波面来检测光束准直与否，该装置造价相对较高，且操作复杂；而如果使用刀口阴影法来检测，虽然其基本原理也是通过波面检测，且造价便宜对环境要求不高，但是精度相对较低且非常依靠使用者的经验判断，使得它的结果对于不同使用者而言误差较大。总结来说，具体的问题可以归结为：(1)对于使用者经验要求高，不同使用者所得出的结果误差较大，大多数检测装置可以得到较为准确的结果，但是精确度差别较大。(2)使用场景有限制，大多数装置能够在该装置面向的特定材料或情况得到所需要的结果，但是缺乏泛用性。(3)精确度不理想，部分仪器所能给出的只是一个粗略的精确度不足的结果。(4)造价高昂，操作复杂，部分检测装置能够在大多数使用场景下得到足够精确的结果，但通常造价高昂且操作复杂，对操作人员要求较高。此外，在某些特殊工作条件下还要求对来自多个光源发出的光束进行准直光束判断及发散角检测。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种准直光束发散角检测装置及发散角检测方法。
实现上述目的的技术解决方案为：
一种准直光束发散角检测装置，所述装置包括光源安装架、偏振片、柱透镜、柱棱镜，光子晶体、CCD，
所述偏振片、柱透镜和柱棱镜依次沿主光轴设置，所述光子晶体沉积于柱棱镜后端斜方上表面，所述CCD设置于柱棱镜下方出射的光束的主光轴上且与主光轴垂直，所述光源安装架上所安置待测光源，出射光经过偏振片和柱透镜聚焦入射至柱棱镜和光子晶体并能够在光子晶体上激发布洛赫表面波，且耦合反射的光线在出射后被CCD记录。
进一步地，所述光源安装架包括架体、横向直导轨和纵向直导轨，所述架体能够沿横向直导轨和纵向直导轨水平移动，架体还能够在横向直导轨与纵向直导轨所构成的平面上旋转。
进一步地，所述柱透镜紧贴于柱棱镜前端面一侧，其聚焦方向为水平方向。
进一步地，所述偏振片的偏振极化方向为横电方向，即TE偏振方向，使其出射偏振光能够在光子晶体上激发布洛赫表面波。
进一步地，所述柱棱镜与光子晶体的相交界面处于柱透镜的后焦面位置。
进一步地，柱棱镜为等腰直角柱棱镜。
进一步地，所述光子晶体沉积于柱棱镜斜边处，二者紧密相连。
进一步地，所述光子晶体包括在柱棱镜斜边上自下而上地交替排列多层沉积厚度约90nm的Si3N4与厚度约为135nm的SiO2共14层，其中底层Si3N4与柱棱镜贴合，然后再依次沉积一层厚度约90nm的Si3N4层和一层厚度为185nm的SiO2层。
进一步地，所述光源安装架上的待测光源为氦氖激光器。
根据上述的准直光束发散角检测装置的发散角检测方法，包括以下步骤：
步骤一：在光源安装架中放入待测光源并打开，调整光源安装架的位置，让光源的出射光的主光轴垂直于偏振片、柱透镜，并由柱透镜聚焦入射，使部分入射光能够在入射柱透镜后在光子晶体与空气界面处激发布洛赫表面波；
步骤二：在水平方向上调整CCD的位置，使得从柱棱镜出射的光线成像于CCD上；记录此时CCD拍摄的图片；
步骤三：观察分析CCD所成图像，记录图像中暗线的弯曲程度，并以暗线的最大弯曲偏移距离Δl表示；进而依据装置光子晶体布洛赫表面波的激发角的余角α、柱透镜的焦距f、CCD距离光子晶体表面的距离L、柱棱镜的折射率n1以及外界的空气折射率n2来完成光束发散角的检测，根据如下计算式得出光线的发散角θ：
Figure BDA0004060528880000031
若发散角θ为0°，则说明光源发出的是准直光束，若发散角θ不为0°，则说明所测光源发出的光为非准直光束且该光束发散角的角度值为θ。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
(1)应用场景广，测量精度高：本发明所述装置可以应用于单色LED、激光等多种光源，且探测仪器精度几乎不受环境影响，具有很高的测量精度；
(2)测量灵敏度高，响应迅速：本发明所述装置对光束发散角的微小变化都可以完成检测，响应迅速，可以实时监测。
(3)成本低廉，搭建方便：本发明所述装置无需昂贵光学器件，相比同精度的检测仪器，无需精密调节，操作难度低。
(4)测量方便：仅仅通过已知条件以及CCD上像的结果，既可以测算光束的发散角，无需多次测量，校准方便，减少测量误差。
除了上面所描述的特征和优点之外，本发明的原理以及其他的特征和优点。下面将参照附图和实施方式，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明光束准直检测装置示意图。
图2为不同发散角下的光源在CCD上的成像结果示意图。
图3为准直光入射时的示意图。
图4为发散光入射时的示意图。
图5为入射光从柱透镜入射至光子晶体并反射至CCD的示意图。
图6为发散角推导示意图。
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，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
如图1所示，一种光束发散角检测装置，所述装置包括光源安装架1、横向导轨1-1、纵向导轨1-2、偏振片2、柱透镜3、柱棱镜4、光子晶体5、CCD 6。
进一步地，在柱棱镜4斜边上自下而上地沉积厚度约90nm的Si3N4与厚度约为135nm的SiO2交替排列，共14层，其中底层Si3N4与柱棱镜贴合，然后再依次沉积一层厚度约90nm的Si3N4层和一层厚度为185nm的SiO2层，作为光子晶体5；
进一步地，所述由光源安装架1上的光源所发出的被测光，经过偏振片2、柱透镜3，入射到柱棱镜4，并在光子晶体5与空气交界面处激发布洛赫表面波，最终反射于CCD 6上。
进一步地，所述光源安装架1上的光源为氦氖激光器，光源波长为633nm。
进一步地，所述CCD 6被设置为位置可以调整，以允许更好的成像效果。
进一步地，所述偏振片2的偏振方向被设置为沿横向直导轨1-1与纵向直导轨1-2所定义平面的法线方向，所以出射光为线偏振光，且偏振方向为横电(TE)方向。
进一步地，柱透镜3竖直放置，聚焦方向为水平方向。
进一步地，柱透镜3焦距f约为3cm，柱棱镜4上表面与光子晶体5交界处位于柱透镜3后焦面上，入射光线由柱透镜3聚焦至柱棱镜4上表面。
进一步地，柱棱镜4的折射率n1为1.515，常温下的空气折射率n2为1.0。
根据上述光束准直检测装置，操作可以包括以下步骤：
步骤一：打开波长为633nm的激光器，调整光源的位置，光源所出射光线的光轴垂直于偏振片2、柱透镜3，并由柱透镜3聚焦入射。使部分入射光能够在入射柱棱镜4后在光子晶体5处激发布洛赫表面波。
步骤二：调整CCD6的位置，使得从柱棱镜4出射的光线成像于CCD6上；记录此时CCD6拍摄的图片。
步骤三：观察图像上暗线的弯曲情况并记录暗线的弯曲偏移距离Δl；由于所使用的光子晶体的布洛赫表面波所需激发角的余角α为45.55°、柱透镜3的焦距f为3cm、CCD6距离光子晶体5表面的距离L为10cm，如图5所示。
步骤四：根据如下计算式代入上述数据得出光线的发散角θ：
Figure BDA0004060528880000051
当有三束发散角度不同的发散光分别入射时，CCD6上记录了此时对应的暗线分布，如图2自左向右依次所示，分别弯曲程度为0.1842、0.3245、0.1969厘米。依据本发明所述方法，无需多次测量，即可快速计算出上述三个光束所对应发散角度分别为10.76°、14.16°、11.12°。
本发明技术方案的相关原理为：
当光子晶体的各层厚被确定且沉积于棱镜上之后，在结构以及周围环境确定的情况下，对于某一特定波长，此波长下的布洛赫表面波激发角度是唯一确定的。
如图3所示，光源发出的光线经过偏振片2后转变为TE模式的线偏振光；该线偏振光经过柱透镜3后聚焦于柱棱镜4与光子晶体5的交界位置并反射至CCD 6处，此时若入射光为准直光束，准直光束经过柱透镜以不同的角度入射至柱棱镜时聚焦至aa’。由布洛赫表面波的激发条件可知，当偏振这些入射在光子晶体5上的光线中只有一个特定的角度能够满足布洛赫表面波的激发条件。如图3中dd’所示，沿着此方向的光线恰好可以激发布洛赫表面波，所以角d-a-o为激发角的余角α，此时过d点向柱棱镜斜边作垂线并交于o点。当布洛赫表面波被激发后，此方向的入射光将耦合至光子晶体表面而不会被反射，因此用于收集反射光的CCD6上在此方向对应的反射方向上采集不到反射光，即会在收集的光束中表现有一道竖直的暗线。
当光源所发出光为发散光时，光束不再聚焦与aa’，而聚焦于ba’，如图4所示。原先光线da将入射至柱棱镜斜边上的b点。此时该光线的入射角d-b-o已经小于α，即不满足布洛赫表面波的激发条件，但在d点同平面内一定存在一个偏移点e使得光线eb与光子晶体的夹角e-b-c等于α，即满足布洛赫表面波的激发条件，其中c为点e向柱棱镜斜边的投影。因此从e点入射的光线eb会激发光子晶体5上的布洛赫表面波，因而不会被CCD收集到。同理，从dd’入射的每条光线都由于光束发散而无法激发布洛赫波，对应可以激发布洛赫表面波的光线都有所偏移，即图4中的弯曲曲线位置所示d’e上的光束。所以此时，在CCD上收集的光束中会表现有一条弯曲的暗线。为了计算光束的发散角，过a点和b点向柱透镜的主面做投影，其相交于x点。此时，角a-x-b即为光束的发散角，记为θ。
而弯曲曲线位置上的发散光束在经过光子晶体反射后，由于传输了一段距离，其空间上放大的暗线被CCD6收集。具体放大的程度取决于柱棱镜的焦距f和CCD的位置L间的关系，如图5所示。所以根据等腰直角柱棱镜间的几何关系，线段de的长度与CCD 6上所测量的暗线的弯曲偏移距离Δl满足如下关系：
Figure BDA0004060528880000061
为了计算光束的发散角，发散角推导示意图如图6所示。由于柱透镜4紧贴于柱棱镜4一侧，所以有：
f＝lax＝ladcos(α-45)
Figure BDA0004060528880000062
由于柱棱镜为等腰直角柱棱镜，所以有
lce＝lod+loc
且角o-a-d等于角c-b-e为激发角的余角α，根据直角三角形的相似定理，三角形oad相似于三角形cbe。线段oa、线段cb、线段od的长度和柱透镜的焦距f的满足如下关系：
Figure BDA0004060528880000063
Figure BDA0004060528880000064
Figure BDA0004060528880000065
在直角三角形cab中，其直角边ab满足如下关系：
Figure BDA0004060528880000066
经过化简后可得直角边ab长度的表达式为：
Figure BDA0004060528880000071
由上述发散角的定义，
Figure BDA0004060528880000072
代入上述ab的表达式，有
Figure BDA0004060528880000073
根据上式，代入相关数据即可得到光线发散角θ。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种准直光束发散角检测装置，其特征在于，所述装置包括光源安装架(1)、偏振片(2)、柱透镜(3)、柱棱镜(4)，光子晶体(5)、CCD(6)，
所述偏振片(2)、柱透镜(3)和柱棱镜(4)依次沿主光轴设置，所述光子晶体(5)沉积于柱棱镜(4)后端斜方上表面，所述CCD(6)设置于柱棱镜(4)下方出射的光束的主光轴上且与主光轴垂直，所述光源安装架(1)上所安置待测光源，出射光经过偏振片(2)和柱透镜(3)聚焦入射至柱棱镜(4)和光子晶体(5)并能够在光子晶体(5)上激发布洛赫表面波，且耦合反射的光线在出射后被CCD(6)记录。
2.根据权利要求1所述的准直光束发散角检测装置，其特征在于，所述光源安装架(1)包括架体、横向直导轨(1-1)和纵向直导轨(1-2)，所述架体能够沿横向直导轨(1-1)和纵向直导轨(1-2)水平移动，架体还能够在横向直导轨(1-1)与纵向直导轨(1-2)所构成的平面上旋转。
3.根据权利要求1所述的准直光束发散角检测装置，其特征在于，所述柱透镜(3)紧贴于柱棱镜(4)前端面一侧，其聚焦方向为水平方向。
4.根据权利要求1所述的准直光束发散角检测装置，其特征在于，所述偏振片(2)的偏振极化方向为横电方向，即TE偏振方向，使其出射偏振光能够在光子晶体(5)上激发布洛赫表面波。
5.根据权利要求1所述的准直光束发散角检测装置，其特征在于，所述柱棱镜(4)与光子晶体(5)的相交界面处于柱透镜(3)的后焦面位置。
6.根据权利要求1所述的准直光束发散角检测装置，其特征在于，柱棱镜(4)为等腰直角柱棱镜。
7.根据权利要求6所述的准直光束发散角检测装置，其特征在于，所述光子晶体(5)沉积于柱棱镜(4)斜边处，二者紧密相连。
8.根据权利要求7所述的准直光束发散角检测装置，其特征在于，所述光子晶体(5)包括在柱棱镜(4)斜边上自下而上地交替排列多层沉积厚度约90nm的Si3N4与厚度约为135nm的SiO2共14层，其中底层Si3N4与柱棱镜(4)贴合，然后再依次沉积一层厚度约90nm的Si3N4层和一层厚度为185nm的SiO2层。
9.根据权利要求1所述的准直光束发散角检测装置，其特征在于，所述光源安装架(1)上的待测光源为氦氖激光器。
10.根据权利要求1-9任一项所述的准直光束发散角检测装置的发散角检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在光源安装架(1)中放入待测光源并打开，调整光源安装架(1)的位置，让光源的出射光的主光轴垂直于偏振片(2)、柱透镜(4)，并由柱透镜(3)聚焦入射，使部分入射光能够在入射柱透镜(4)后在光子晶体(5)与空气界面处激发布洛赫表面波；
步骤二：在水平方向上调整CCD(6)的位置，使得从柱棱镜(4)出射的光线成像于CCD(6)上；记录此时CCD(6)拍摄的图片；
步骤三：观察分析CCD(6)所成图像，记录图像中暗线的弯曲程度，并以暗线的最大弯曲偏移距离Δl表示；进而依据装置光子晶体布洛赫表面波的激发角的余角α、柱透镜(3)的焦距f、CCD(6)距离光子晶体(5)表面的距离L、柱棱镜(4)的折射率n1以及外界的空气折射率n2来完成光束发散角的检测，根据如下计算式得出光线的发散角θ：
Figure FDA0004060528870000021
若发散角θ为0°，则说明光源发出的是准直光束，若发散角θ不为0°，则说明所测光源发出的光为非准直光束且该光束发散角的角度值为θ。
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