本发明专利技术属于光学材料及元件的应力测量技术领域，具体涉及一种宽光谱光学材料及元件的应力测量仪，两个测量通道分别通过两个频率不相同的弹光调制器同时工作在谐振状态产生基频、差频等调制光信号，待测光学材料及元件5的应力双折射相位延迟量被加载到调制光信号中，通过对两个弹光调制器基频信号和差频信号的提取能够同时实现相位延迟量和快轴方位角的求解。本发明专利技术采用弹光调制技术克服了传统应力测量方法需要机械调节，检测精度和重复性低等问题，为光学材料结构应力、热应力和机械应力等测量评估提供了先进设备。本发明专利技术用于光学材料及元件的应力测量。
【技术实现步骤摘要】
一种宽光谱光学材料及元件的应力测量仪
本专利技术属于光学材料及元件的应力测量
，具体涉及一种宽光谱光学材料及元件的应力测量仪。
技术介绍
光电系统中的窗口、滤光片、透镜和棱镜等光学元件均是使用BK7玻璃、熔融石英、蓝宝石、硒化锌、锗等光学材料加工制作，通光范围覆盖可见光、近红外、短波红外、中波红外和长波红外等波段。应力是评价光学系统质量的重要指标之一，光学材料及光学元件产生应力的原因主要有结构应力、热应力和机械应力3个方面。光学材料生长缺陷或由于物理化学变化会产生结构应力；退火冷却造过程中，温度变化引起的不均匀塑性变形和不均匀的体积变化会产生热应力；元件加工过程中的切割磨削以及装载夹持会产生机械应力。光学材料及元件的应力对光学系统及光学仪器的危害主要表现为：(1)应力较大时，在切割和研磨等光学加工过程，光学系统在高强度的空气动力负荷下容易引起材料及元件的炸裂；(2)应力在光学材料及元件中引起的双折射，使一个点的成像光束不再会聚于一点，造成成像系统的像散；(3)光学材料及元件应力分布不均匀，使光学材料的折射率均匀性变差，使通过光学材料及元件后的光波波面发生变形，造成成像系统的成像畸变。光学材料、光学元件中存在应力时，最显著的光学效应是会产生双折射。偏振光入射并沿两个应力主轴方向分解为振动方向互相垂直、传播速度不同的寻常光和非寻常光，出射后会产生一个光程差，通常将该应力光程差称之为延迟量。通过测量应力双折射引起的延迟量(光程差)和快轴方位角等技术参数，能够进一步数据反演、全面掌握光学材料及光学元件的应力分布。国内外科研工作者对光学材料及元件应力分析技术进行深入研究，并获得商业化成熟的仪器产品。目前，已开发研制出的光学材料应力测量技术及仪器主要有偏光干涉应力仪和Senarmont补偿法偏光应力仪两类典型代表产品：(1)偏光干涉应力仪：检测光源依次通过起偏器、样品和检偏器发生干涉，通过观察偏振光干涉色序来获取应力大小和分布，测量精度较低，在102nm量级，适用于应力分布定性或半定量测量；(2)Senarmont补偿法偏光应力仪：为了进一步提高应力测量的分辨率和灵敏度，Senarmont补偿法被应用于应力检测分析，检测光源依次通过起偏器、样品、1/4波片和检偏器，通过旋转波片或检偏器观测偏振角度进而实现应力测量。该类型偏光应力仪具有仪器结构简单，但需要机械旋转波片，测量速度受到了限制，此外，波片只适用于某一特定波长，使得该测量技术不能够满足高精度、宽光谱光学材料及光学元件的应力测量应用。
技术实现思路
针对上述偏光干涉应力仪测量精度较低、Senarmont补偿法偏光应力仪测量速度较低技术问题，本专利技术提供了一种调制效率高、调制纯度大、调制频率高、工作稳定性好的宽光谱光学材料及元件的应力测量仪。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种宽光谱光学材料及元件的应力测量仪，包括第一检测光源、第一起偏器、第一弹光调制器、二维样品扫描台、待测光学材料及元件、第二弹光调制器、第一检偏器、可见光探测器、第二检测光源、第二起偏器、第三弹光调制器、第四弹光调制器、第二检偏器、红外光电探测器、第一LC谐振电路、第二LC谐振电路、扫描样品台步进电机控制电路、第三LC谐振电路、第四LC谐振电路、系统控制及数据处理模块、第一前置放大、第二前置放大、调制光信号模数转换模块、控制电脑，所述第一检测光源的光路方向上依次设置有第一起偏器、第一弹光调制器、待测光学材料及元件、第二弹光调制器、第一检偏器、可见光探测器，构成可见光测量通道，所述可见光探测器通过导线连接有第一前置放大，所述第二检测光源的光路方向上依次设置有第二起偏器、第三弹光调制器、待测光学材料及元件、第四弹光调制器、第二检偏器、红外光电探测器，构成红外光测量通道，所述红外光电探测器通过导线连接有第二前置放大，所述第一前置放大、第二前置放大均连接在调制光信号模数转换模块，所述调制光信号模数转换模块连接在系统控制及数据处理模块，所述第一弹光调制器、第二弹光调制器分别连接有第一LC谐振电路、第二LC谐振电路，所述第三弹光调制器、第四弹光调制器分别连接有第三LC谐振电路、第四LC谐振电路，所述待测光学材料及元件设置在二维样品扫描台上，所述二维样品扫描台连接有扫描样品台步进电机控制电路，所述第一LC谐振电路、第二LC谐振电路、扫描样品台步进电机控制电路、第三LC谐振电路、第四LC谐振电路均连接在系统控制及数据处理模块上，所述系统控制及数据处理模块连接有控制电脑。所述系统控制及数据处理模块包括数字锁相、信号发生器，所述数字锁相与信号发生器连接，所述数字锁相分别连接有调制光信号模数转换模块、控制电脑，所述信号发生器分别连接有第一LC谐振电路、第二LC谐振电路、扫描样品台步进电机控制电路、第三LC谐振电路、第四LC谐振电路。所述可见光探测器采用硅光电探测器，所述可见光探测器的光谱响应范围为200-1100nm，所述红外光电探测器采用铟砷锑光电探测器，所述红外光电探测器的光谱响应范围为1.0-5.8μm。所述第一起偏器、第一检偏器、第二起偏器、第二检偏器均采用氟化镁晶体制作的洛匈棱镜，所述第一起偏器、第一检偏器、第二起偏器、第二检偏器的消光比均为10000:1，所述第一起偏器、第一检偏器、第二起偏器、第二检偏器的通光范围均为0.2-6μm。所述第一弹光调制器、第二弹光调制器、第三弹光调制器、第四弹光调制器均采用氟化镁八角对称结构弹光调制器，所述第一弹光调制器、第二弹光调制器、第三弹光调制器、第四弹光调制器的通光范围均为0.18-8μm，所述第一弹光调制器、第三弹光调制器的调制频率均为40-50kHz，所述第二弹光调制器、第四弹光调制器的调制频率均为60-80kHz。所述数字锁相通过调制光信号模数转换模块获取第一弹光调制器、第二弹光调制器的基频差频信号ω2-ω1以及第一弹光调制器的基频信号ω1和第二弹光调制器的基频信号ω2等低频率信号的幅值，所述数字锁相分析求解待测光学材料及元件的应力双折射相位延迟量和快轴方位角。所述系统控制及数据处理模块利用检测光源波长λ、待测光学材料及元件的厚度d和待测光学材料及元件的应力光学系数C反演获得待测光学材料及元件的光程差、双折射大小、应力分布、应变分布参数；所述光程差的求解方法为：所述Δ为光程差，所述λ为检测光源，所述X为应力双折射相位延迟量；所述双折射的求解方法为：所述Δn为双折射大小，所述d为待测光学材料及元件的厚度；所述应力分布的求解方法为：所述Δσ为应力分布，所述σ1和σ2分别为待测光学材料及元件平面上两个方向相互垂直的主应力，所述C为待测光学材料及元件应力光学系数；所述应变分布的求解方法为：所述ε为应变分布，所述E为待测光学材料及元件的杨氏模量。所述系统控制及数据处理模块通过扫描样品台步进电机控制电路驱动并控制二维样品扫描台实现二维扫描测量，所述系统控制及数据处理模块通过二维扫描测量获得应力分布测量，所述系统控制及数据处理模块将坐标位置数据与应力分布测量数据构建二维图形本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种宽光谱光学材料及元件的应力测量仪，其特征在于：包括第一检测光源(1)、第一起偏器(2)、第一弹光调制器(3)、二维样品扫描台(4)、待测光学材料及元件(5)、第二弹光调制器(6)、第一检偏器(7)、可见光探测器(8)、第二检测光源(9)、第二起偏器(10)、第三弹光调制器(11)、第四弹光调制器(12)、第二检偏器(13)、红外光电探测器(14)、第一LC谐振电路(15)、第二LC谐振电路(16)、扫描样品台步进电机控制电路(17)、第三LC谐振电路(18)、第四LC谐振电路(19)、系统控制及数据处理模块(20)、第一前置放大(21)、第二前置放大(22)、调制光信号模数转换模块(23)、控制电脑(24)，所述第一检测光源(1)的光路方向上依次设置有第一起偏器(2)、第一弹光调制器(3)、待测光学材料及元件(5)、第二弹光调制器(6)、第一检偏器(7)、可见光探测器(8)，构成可见光测量通道，所述可见光探测器(8)通过导线连接有第一前置放大(21)，所述第二检测光源(9)的光路方向上依次设置有第二起偏器(10)、第三弹光调制器(11)、待测光学材料及元件(5)、第四弹光调制器(12)、第二检偏器(13)、红外光电探测器(14)，构成红外光测量通道，所述红外光电探测器(14)通过导线连接有第二前置放大(22)，所述第一前置放大(21)、第二前置放大(22)均连接在调制光信号模数转换模块(23)，所述调制光信号模数转换模块(23)连接在系统控制及数据处理模块(20)，所述第一弹光调制器(3)、第二弹光调制器(6)分别连接有第一LC谐振电路(15)、第二LC谐振电路(16)，所述第三弹光调制器(11)、第四弹光调制器(12)分别连接有第三LC谐振电路(18)、第四LC谐振电路(19)，所述待测光学材料及元件(5)设置在二维样品扫描台(4)上，所述二维样品扫描台(4)连接有扫描样品台步进电机控制电路(17)，所述第一LC谐振电路(15)、第二LC谐振电路(16)、扫描样品台步进电机控制电路(17)、第三LC谐振电路(18)、第四LC谐振电路(19)均连接在系统控制及数据处理模块(20)上，所述系统控制及数据处理模块(20)连接有控制电脑(24)。/n...
【技术特征摘要】
1.一种宽光谱光学材料及元件的应力测量仪，其特征在于：包括第一检测光源(1)、第一起偏器(2)、第一弹光调制器(3)、二维样品扫描台(4)、待测光学材料及元件(5)、第二弹光调制器(6)、第一检偏器(7)、可见光探测器(8)、第二检测光源(9)、第二起偏器(10)、第三弹光调制器(11)、第四弹光调制器(12)、第二检偏器(13)、红外光电探测器(14)、第一LC谐振电路(15)、第二LC谐振电路(16)、扫描样品台步进电机控制电路(17)、第三LC谐振电路(18)、第四LC谐振电路(19)、系统控制及数据处理模块(20)、第一前置放大(21)、第二前置放大(22)、调制光信号模数转换模块(23)、控制电脑(24)，所述第一检测光源(1)的光路方向上依次设置有第一起偏器(2)、第一弹光调制器(3)、待测光学材料及元件(5)、第二弹光调制器(6)、第一检偏器(7)、可见光探测器(8)，构成可见光测量通道，所述可见光探测器(8)通过导线连接有第一前置放大(21)，所述第二检测光源(9)的光路方向上依次设置有第二起偏器(10)、第三弹光调制器(11)、待测光学材料及元件(5)、第四弹光调制器(12)、第二检偏器(13)、红外光电探测器(14)，构成红外光测量通道，所述红外光电探测器(14)通过导线连接有第二前置放大(22)，所述第一前置放大(21)、第二前置放大(22)均连接在调制光信号模数转换模块(23)，所述调制光信号模数转换模块(23)连接在系统控制及数据处理模块(20)，所述第一弹光调制器(3)、第二弹光调制器(6)分别连接有第一LC谐振电路(15)、第二LC谐振电路(16)，所述第三弹光调制器(11)、第四弹光调制器(12)分别连接有第三LC谐振电路(18)、第四LC谐振电路(19)，所述待测光学材料及元件(5)设置在二维样品扫描台(4)上，所述二维样品扫描台(4)连接有扫描样品台步进电机控制电路(17)，所述第一LC谐振电路(15)、第二LC谐振电路(16)、扫描样品台步进电机控制电路(17)、第三LC谐振电路(18)、第四LC谐振电路(19)均连接在系统控制及数据处理模块(20)上，所述系统控制及数据处理模块(20)连接有控制电脑(24)。
2.根据权利要求1所述的一种宽光谱光学材料及元件的应力测量仪，其特征在于：所述系统控制及数据处理模块(20)包括数字锁相(201)、信号发生器(202)，所述数字锁相(201)与信号发生器(202)连接，所述数字锁相(201)分别连接有调制光信号模数转换模块(23)、控制电脑(24)，所述信号发生器(202)分别连接有第一LC谐振电路(15)、第二LC谐振电路(16)、扫描样品台步进电机控制电路(17)、第三LC谐振电路(18)、第四LC谐振电路(19)。
3.根据权利要求1所述的一种宽光谱光学材料及元件的应力测量仪，其特征在于：所述可见光探测器(8)采用硅光电探测器，所述可见光探测器(8)的光谱响应范围为200-1100nm，所述红外光电探测...
【专利技术属性】
技术研发人员：李克武，王志斌，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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