互補光束波面檢測儀的製作方法

2023-07-20 00:59:31 2

專利名稱：互補光束波面檢測儀的製作方法
技術領域：
本發明是一種光學波面檢測儀。
光學波面檢測儀在經典光學儀器檢驗和現代非線性光學測量中佔有極其重要的地位。它可以用於檢驗光學儀器中實際光學波面相對理想波面的偏差，從而使人們得以改進光學儀器的設計和加工過程，同樣它還可以檢驗在光學系統中由於增加一些光學元件或光學元件本身對光學波面的影響所導致的波面變化，通過一些簡單的數學分析，從波面的變化量可以推算許多其它需要測量的物理量，使其光學波面檢測儀還可用於間接測量上。
在已有的波面檢測技術中，用參考波面和被檢波面幹涉法檢測微小位移或長度(如美國專利No.3720471)，檢測微小夾角(如美國專利NO.SU-811-070)，檢測相干性(如美國專利No.4536089)。但是過去很少有人把光學波面檢測用於高精度光學非線性測量，近來M.Sheik-Bakae等人(Qpt.Lett，Vd.14，P.955，1989)採用波面檢測方法測量了材料的非性線析射率。
但是M.Sheik-Bahae等人的方法中，當波面變化時，是將變化的波面入射到一個小孔光欄上，用小孔法，觀察或測量透過率的變化，在實際測量中，透過率的初值，即當入射到小孔光欄上的波面沒有變化時，小孔的透過率不可能為零，因此在波面變化時，每次測得的是透過率的初值和變化量的和，所以這對透過率變化量的動態範圍產生很大的限制，使測量精度難以提高，同時在這種測量方法中，只有當小孔的大小趨於零時，靈敏度才最高。顯然無法通過改變小孔的大小無限制地增高靈敏度，因為當小孔小到一定時很難找到更高靈敏度的光電探測器。
本發明的目的是為了提高動態光學波面變化量的測量精度，它既可以測量波面的動態微小變化，又可以測量入射光功率的變化或被測光學元件對光功率的動態調製，還可測量光學樣品的非線性折射率，及非線性和線性吸收係數等。
圖1給出了互補光束波面檢測儀的結構示意圖。它由三大部分構成，第一部分是光源。最好是單色相干光，通常選擇雷射器作為光源;第二部分是本發明的核心。由一個光束分割元件和一個會聚透鏡構成，從光源入射到透鏡的光束會聚後發散，然後由光束分割元件分割成空間位置上互補的兩束光，其中一束為反射光束，另一束為透射光束第三部分為光電接收及數據處理一顯示系統。它由三個光電探測器D1、D2和D3，差分電路，相加電路，放大電路和顯示系統組合而成。
具體的構成是從作為光源的雷射器發出的雷射經分光鏡後分成反射光束和透射光束，反射光束被作為監視光束經透鏡L3會聚到光電探測器D3上;透射光束經過聚焦透鏡L2後(焦距為f3)會聚再發散後有一光束分割元件，它將光束分割成透射和反射兩束空間互補光束，分別被光電探測器D1和D2所接收，光電探測器D1和D2的輸出同時接到差分電路和相加電路上，差分和相加兩電路的輸出分別連接有放大電路，放大電路的輸出送顯示系統上。如圖1所示。
所說的顯示系統可以是一個示波器，或是經A/D變換電路進行A/D變換後接數字顯示器，或是把數位訊號直接送微型計算機後進行處理和輸出。
在初始狀態，即波面恆定不變時，差分電路輸出信號為零，因為透射光束和反射光束的光通量相等。當波面有變化時，差分信號不再為零，此時兩個互補光束的光通量也就不再相等，由此可以測出波面的變化。
本發明儀器的核心是光束分割元件，它的結構完全不同於普通的光束分光鏡，它把入射光束分割成兩束光，一束為透射光束，另一束為反射光束，是因為它的元件上有兩個區域，一個是全透射光區，一個為全反射光區，兩個區域由一條閉合曲線分開，此閉合曲線的形狀是根據入射光束的不同而不同，可以是橢圓形或是長方形或是不規則的閉合曲線。不過它總是和入射到光束分割元件上的光束被此光束分割元件所在平面截出的光斑的邊界線相似。例如入射到光束分割元件上的是一束最一般的圓對稱發散(或會聚)光束(當然也可以是平行光)，則光束分割元件所在平面與光束相割時，得到的全光斑的邊界線是一個橢圓形(如圖2所示)。由此可知光束分割元件中心為全透射光區和它周圍的全反射光區的交界線也是一個小橢圓，小橢圓的長短半軸顯然比全光斑橢圓的長短半軸小，而兩者是成比例的。小橢圓的短軸可以由以下條件來確定，當初始靜態時光束分割元件要使光束通過它之後形成的透射光和反射光具有相同的光通量，這可以用下面方程精確描述∫∞bIRdR＝∫boIRdRR＝(x2+y2)1/2I是Z＝0處的光強，是(x，y)的函數，在圓對稱的情況下是R的函數，(x，y，z)是空間座標，座標軸是這樣選定的，沿透射光束的光軸方向為z軸的方向，光束分割元件中心位於光軸上，被定為座標原點0，(x，z)平面為圖1所示的平面，y軸垂直於圖1所示的平面，則對於入射光功率為p時∫∞bIRdR＝P-∫boIRdR由此可得1/P∫boIRdR＝1/2當光強I已知時，可以計算出短軸b的具體值，同時也可以計算長軸aa＝b/sinβ其中β為光束分割元件所在平面和光軸的夾角。若β＝30°，則a＝2b。
當被測樣品14最初位置是置於遠離透鏡L8的焦點處，如圖3所示則由於樣品上的光功率密度比較小，產生的光學非線性效應很小，光束通過樣品時波面的變化極小可以忽略，此時[(D1-D2)/D3]＝0(式中D1，D2，D3分別為光電探測器D1，D2，D3所接收的光信號)，當樣品越來越接近焦點時，則入射到樣品上的單位面積上的光能量就越來越變大，產生的非線性效應也就開始明顯，從樣品出射的光學波面就有明顯的變化，此時[(D1-D2)/D3]≠0。根據從樣品出射的光入射到光束分割元件上，形成一束透射光和一束反射光，其中透射光束和反射光束與光學非線性折射率n2的關係可以分開進行的理論分析，入射到探測器D1上的透射光，其透過率可計算為D1max-D1min～0.34kn2IoLeff其中D1max-為光電探測器D1所接收最大值，D1min-為光電探測器D1所接收到最小值，Io為光軸上樣品所在的光強度，Leff為樣品的厚度。由於光束分割元件上產生的是兩束互補光，初始時光通量相等，在動態過程中互補，所以D2max-D2min＝-(D1max-D1min)由此可以得出△D＝[(D1-D2)max-(D1-D2)min]/D3＝2(D1max-D2min)/D3～0.68kn2IoLeffn2＝η△D/0.68kIoLeff式中η為與放大電路的放大倍數和分光鏡11的分光比有關的一個儀器常數。
從上面的分析可以看出，本發明的互補光束波面檢測儀與M.Sheik-Bahae等人採用小孔法檢測波面變化的技術相比有許多優點1.測量精度至少可以比小孔法高三倍以上，可測λ/800或更小的動態波面變化。
如果初始時刻或靜態時，使兩束互補光束的光通量相等，則此時差分信號為零，只有當入射光束在光束分割元件前的波面發生改變時，差分信號的輸出才不為零。這就為採用高倍數的放大電路把信號加以放大提供了基礎，因此限制精度提高的初始本底在互補光束波面檢測儀中被消去。
2.可以直接測量被測元件對光功率的動態調製。這就可以直接用於測量光學元件(或非線性材料)上光能的損耗。
在輸出信號中，互補光束波面檢測儀給出了光源信號的功率變化及通過被測元件後光功率的變化，這是因為探測器D1和D2輸出的信號被輸入相加電路，給出的是兩信號之和，即光束的光功率值。如果光束通過樣品後，光功率的變化是樣品的吸收所致，則可以得到樣品的吸收係數，當線性吸收和非線性吸收共存時，可以利用光源的功率漂移，從互補光束波面檢測儀的輸出信號同時分辨出兩者的大小。


圖1互補光束波面檢測儀結構示意圖1-光束分割元件;
2-光電探測器D1;
3-差分電路;
4-放大電路A1;
5-相加電路;
6-放大電路A2;
7-光電探測器D2;
8，9，10-會聚透鏡L1，L2，L3;
11-分光鏡;
12-光電探測器D3;
13-顯示系統;
圖2光束分割元件平面示意圖，圖中14-全透射光區;
15-全反射光區;
16-透射和反射兩個區域的交界線;
圖3互補光束波面檢測儀用於光學非線性測量時被測樣品和系統結構相對位置示意圖。
17-被測樣品圖4一個典型的測量結果。
實施例用互補光束波面檢測儀測量生物有機材料的光學非線性折射率n2。如圖3所示。
光源YAG雷射器，1.06μm的倍頻光為0.53μm，脈寬為12ns，脈衝重複頻率1Hz到10Hz，單脈衝能量20mj;
分光鏡11的反射率為10%;
透鏡L2的焦距為30mm;
光束分割元件上全透射光區和全反射光區的分界線為橢圓形，短軸為5mm，長軸為52]]>mm，光束分割元件和光軸的夾角β為45°;
光電探測器D1，D2，D3全都採用3DU5C光電三極體;
差分電路採用運算放大器LM118構成，相加電路採用運算放大器μA772構成和兩個放大電路採用普通模擬信號放大電路，放大倍數β＝103。
顯示系統由A/D變換板和與IBM微機的通用接口及IBM微機構成。
樣品是摻有葉綠素a的複合有機高分子材料，樣品厚度為1.0mm，線性吸收係數α＝1.29cm-1，當樣品在透鏡L2的焦點上時，軸上點的照射光強Io為400MW/cm2，所得△D＝2.9×102，η＝10-3，根據公式(1)可以計算出n2＝-4.9×10-8esu。
權利要求
1.一種互補光束波面檢測儀，含有光源、透鏡、探測器和顯示系統，其特徵在於從光源發射的光束，經一分光鏡分成兩束光，一束光作為監視光束經一透鏡L3被一光電探測器D3接收；另一束光經過一會聚透鏡L2會聚再發散後，有一光束分割元件，分割出透射光束和反射光束，分別被光電探測器D1，D2所接收，光電探測器D1和D2的輸出同時接到差分電路和相加電路上，差分和相加兩電路接有放大電路，信號被放大輸出到顯示系統上。
2.根據權利要求1所述的一種互補光束波面檢測儀，其特徵在於光束分割元件上分有全透射光區和全反射光區，兩個區域的交界線是一條閉合曲線。
3.根據權利要求1、2所述的一種互補光束波面檢測儀，其特徵在於光束分割元件分割成透射光束和反射光束，在初始靜態時、兩光束的光通量相等，在動態過程中，兩光束的光通量為互補的。
4.根據權利要求1、2所述的一種互補光束波面檢測儀，其特徵在於光束分割元件上全透射光區和全反射光區之間的交界閉合曲線可以是橢圓形、長方形、不規則的閉合曲線。
全文摘要
本發明是一種互補光束波面檢測儀，由於本檢測儀採用特製的含有全透射光區和全反射光區的光束分割元件，它將入射光束分割成空間互補的透射和反射兩束光，兩束光分別被同時連接到差分電路和相加電路上的兩探測器接收，再經放大電路到顯示系統上，所以它具有測量精度高、用途廣的優點。
文檔編號G01M11/02GK1071253SQ9110749
公開日1993年4月21日 申請日期1991年9月25日 優先權日1991年9月25日
發明者錢秋明, 趙建明, 楊少辰, 王之江, 趙新宇 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所