材料損壞的測量儀的製作方法

2023-09-21 12:55:30 1

專利名稱：材料損壞的測量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種關於測量材料損壞的測量儀，主要適用於透明材料，特別是光學玻璃材料的微小損壞的測量。
在雷射領域中，透明光學元件材料(如光學玻璃等)的微小損壞測量，一直是人們關心的問題。在先技術中，於海武等人在文章「光學玻璃材料破壞測量」(光學學報，1996，Vol.16，No.111646-1649)中，提供了一種光學玻璃材料破壞的測量儀器，其結構對於待測材料幾乎是左右對稱的，如圖1所示。氦氖雷射器1發出的相干光經過第一個偏振片2變成線偏振光後，被第一個偏振稜鏡3將其一分為二，兩束光經過第一個凸透鏡4後變成平行光，一束通過待測材料5的完好部分，另一束通過待測材料5的微小損壞點6，這兩束分別攜帶了待測材料的破壞程度和完好程度信息的光被第二個凸透鏡7會聚於第二個偏振稜鏡8中，第二個偏振稜鏡8將它們合二為一進行幹涉。幹涉圖樣經第二個偏振片9濾去非偏振雜散光，再經顯微物鏡10放大後，最後用CCD攝象機11進行接收。從幹涉條紋的彎曲程度可以觀測出待測材料的破壞程度。
上述在先技術測量儀器的結構的缺點是①整個儀器光路太長，放置時受實驗場地空間大小的限制。②大多數光學元件對於待測材料是左右對稱的，以待測材料5為中心分成左右兩側的的結構參數完全相同，造成成對加工太浪費，成本高，尤其是對於昂貴的偏振稜鏡。兩個相同的元件在加工製做時不可能做的完全一樣，加工時必然會有誤差影響測量精度。③因為是對稱式結構，左右對稱元件的位置角度稍有偏差就偏離了光路。裝調過程複雜，要協調的元件多。例如，第一個偏振稜鏡的功能是將光束一分為二，第二個偏振稜鏡的功能是將光束合二為一，偏振稜鏡的分束角很小，如果調整時稍不精確，第一個偏振稜鏡所分開的兩束光就不能被第二個偏振稜鏡重新合併成一束光進行幹涉，以致沒有幹涉信號輸出。
本實用新型的目的是針對在先技術中光學元件重複、光路長、難調整、成本高的缺點，提供一種優化的往返式光路設置，使整個測量儀更為緊湊，降低成本，簡化調整過程，提高測量精度。
本實用新型材料損壞的測量儀，如圖2所示，包括外殼16內置有的雷射器1，在外殼16內沿著由雷射器1發射光束G0前進的方向上，與雷射器1同光軸OO地依次置有擴束鏡12，偏振片2、偏振稜鏡3、凸透鏡4以及供置放含有損壞點6的待測材料5的調整架15。光路的端點處置有全反向鏡14。發射光束G0穿過含有損壞點6的待測材料5後射到在光路端點處的全反射鏡14上被反射後沿原光路返回。在擴束鏡12與偏振片2之間的光路上置有反射面與雷射器1的光軸OO成α角的半反半透鏡13，其中α角的角度為0°＜α＜90°。在半反半透鏡13相對偏振片2的反射面所反射的反射光束Gf的方向上置有顯示觀測器件17。
所說的雷射器1是半導體雷射器，或者是固體雷射器，或者是氣體雷射器，或者是染料雷射器。
所說的顯示觀測器件17是顯微鏡，可以從顯微鏡中直接觀測到幹涉光信號，或是攝象機，可以將幹涉光信號攝錄下來，或者是探測元件將幹涉光信號變成電信號輸入計算機進行處理顯示。
本實用新型的測量儀用雷射器1發出的相干性較強的雷射束G0作為測量透明材料微小損壞的探測光，經過擴束鏡12擴束後，通過半反半透鏡13後被偏振片2變成線偏振光，偏振稜鏡3將光束一分為二，兩束光經過凸透鏡4後變為平行光。其中一束通過待測材料5的完好部分，另一束通過待測材料5中的損壞點6，兩束光被全反射鏡14反射並沿原光路返回，再次經過待測材料5，凸透鏡4將兩光束會聚到偏振稜鏡3中，這次偏振稜鏡3的功能是將兩光束合二為一進行幹涉，形成的幹涉圖由半反半透鏡13反射到顯示觀測器件17中進行觀測。
本實用新型的優點是光路簡單緊湊，易於調整，使用方便，降低成本的同時提高了測量精度。如圖2所示，本實用新型中用了一個全反射鏡14使光線能順原路返回，使同一個器件被重複利用兩次，而每次實現的功能相反。例如，偏振片2既可使相干光變成偏振光又可濾掉非偏振雜散光；偏振稜鏡3的功能既將光束一分為二，又將光束合二為一；凸透鏡4使會聚光發散成平行光，又使平行光會聚起來。上述在先技術中，相反功能的實現是用成對的元件分別實現的，而本實用新型的結構使在先技術中成對出現的元件只須單個即可，去掉了重複的元件，從而提高了元件的利用率，用更少的元件達到了更好的效果。更有意義的是全反射鏡14的反射作用使探測光G0來回兩次通過待測材料5(在先技術中探測光只通過待測材料一次)，累積加倍了兩束幹涉光通過材料完好部分與損壞點6後的光程差。對同一損壞程度，本實用新型的光程差為在先技術的兩倍。這樣就提高了探測精度，使幹涉圖樣更加明顯，易於觀測。若顯示觀測元件17選用普通光學顯微鏡，則本實用新型即成為一種新型的幹涉顯微鏡。幹涉顯微鏡顯然要比普通的光學顯微鏡具有更高的解析度，能觀察透明材料的極其微小的損壞。


圖1為在先技術測量儀器結構的示意圖。
圖2為本實用新型材料損壞的測量儀結構的示意圖。
圖3為本實用新型實施例中觀測到的幹涉圖樣示意圖。
實施例應用如圖2所示的結構。為了使整臺儀器小型化，選用小巧的半導體雷射器作為探測光源的雷射器1。半反半透鏡13的反射面與光軸OO成夾角α=45°置放。偏振片2和用烏拉斯頓稜鏡做的偏振稜鏡3均安裝在可做到俯仰和旋轉調節的光學調整架上，以便使它們的光軸同光軸OO。烏拉斯頓稜鏡是用冰洲石加工的一對小偏振稜鏡膠合而成，每小塊偏振稜鏡的劈角為11°，兩塊偏振稜鏡膠合後的厚度為8mm。待測材料5為光學玻璃材料放在凸透鏡4與全反射鏡14之間，用夾具固定於調整架15上。凸透鏡4的焦距f=60mm，口徑為25mm。顯示觀測器件17採用普通光學顯微鏡。整臺儀器用外殼16密封起來，防止灰塵和雜散光的進入，影響觀測效果。因為雷射對人眼有害，在觀察時最好戴上雷射防護鏡。
圖3為實施例所觀測到的幹涉圖樣示意圖。幹涉條紋Tw為幹涉圖樣中彎曲程度最大的條紋，通過測量它彎曲的矢高h可以計算出損壞點6的大小Φ。計算公式為Φ=hλ/mdΔn，式中λ為雷射器1所發射光束G0的波長，m為幹涉光通過待測材料5的次數，d為相鄰幹涉條紋的間距，Δn為材料的完好部分與損壞點6的折射率之差。由上式可得h=mΦdΔn/λ，幹涉條紋的彎曲程度h正比於m。對本實用新型來說，幹涉光來回兩次通過待測材料5，m=2；對在先技術，幹涉光只通過待測材料5一次，m=1。因此，對同樣的損壞點6大小Φ，本實用新型所觀測到的幹涉圖樣中條紋的彎曲程度h為在先技術的兩倍。這樣就提高了測量精度，也易於觀測和計算。
權利要求1．一種材料損壞的測量儀，包括1外殼(16)內置有的雷射器(1)，在外殼(16)內，沿著雷射器(1)發射光束(G0)前進的方向上，與雷射器(1)同光軸(OO)地依次置有偏振片(2)、偏振稜鏡(3)、凸透鏡(4)以及供置放含有損壞點(6)的待測材料(5)的調整架(15)；其特徵在於2在光路的端點處置有反射鏡(14)；3在雷射器(1)與偏振片(2)之間的光路上，與雷射器(1)同光軸(OO)地置有擴束鏡(12)；4在擴束鏡(12)與偏振片(2)之間的光路上置有反射面與雷射器(1)的光軸(OO)成α角的半反半透鏡(13)，其中α角的角度為0°＜α＜90°；5在半反半透鏡(13)相對偏振片(2)的反射面所反射的反射光束(Gf)的方向上置有顯示觀測器件(17)。
2．根據權利要求1所述的材料損壞的測量儀，其特徵在於所說的雷射器(1)是半導體雷射器，或者是固體雷射器，或者是氣體雷射器，或者是染料雷射器。
3．根據權利要求1所述的材料損壞的測量儀，其特徵在於所說的顯示觀測器件(17)是顯微鏡，或者是攝象機，或者是探測元件。
專利摘要一種材料損壞的測量儀,它包括在外殼內,沿著雷射器發射光束前進的方向上,同光軸地依次置有擴束鏡,反射面與光軸成α角置放的半反半透鏡、偏振片、偏振稜鏡、凸透鏡以及供置放含有損壞點的待測材料的調整架。發射光束穿過含有損壞點的待測材料後射到在光路端點處的全反射鏡上被反射後沿原光路返回。在半反半透鏡反射光束的方向上置有顯示觀測器件。具有光路簡單緊湊、易於調整、使用方便、成本低、測量精度高的優點。主要適用於透明材料。
文檔編號G01N21/88GK2433619SQ0021867
公開日2001年6月6日 申請日期2000年8月3日 優先權日2000年8月3日
發明者朱鵬飛, 孟紹賢 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所