一种光学材料微观应力空间分布的精确测量装置的制作方法

本发明属于技术测量领域，具体是一种对光学材料微观应力空间分布的精确测量技术。

背景技术：

大多数光学晶体材料的原生缺陷和后期加工都会在材料内部产生非均匀分布的微观应力，该微观应力通常会引起材料双折射的局域波动(即应力双折射)，对成品光学器件的光学均匀性产生不良影响。光学材料的微观应力很难直接测量，只能通过测量相位延迟计算出的应力双折射进行间接表征。而对于该应力双折射在空间上的波动(即微观应力空间分布)，一般采用二维逐点扫描的测量方式，这就要求微观应力测量系统既要具有较好的精度，还要具有非常高的测量稳定性。微观应力空间分布检测技术对玻璃、晶体、聚合物薄膜、镜片、晶片等光学材料的质量分析和控制具有非常重要的意义。

2011年，肖昊苏等人(偏振干涉法测量晶体应力双折射精度分析，《红外与激光工程》，40卷，2期，272页，2011年)提出了一种基于偏振干涉法测量晶体应力双折射的方法，该方法采用楔形样品避免了样品厚度可能引起的测量误差，但是其采用消光位置单点测量，因此检偏器消光角度测量精度相对较低；此外该方案无法消除激光器功率波动以及光探头温漂对测量结果的影响，稳定性较差。

2012年，侯俊峰(一种波片相位延迟的精密测量系统及其实现方法，专利申请号为：201210009867.4)提出在旋转补偿器的椭偏仪的基础上将相位延迟作为未知参数联立非线性方程计算测量样品的相位延迟。该方法尽管采用了多点测量的方式提高精度，但其光源必须采用氙灯等连续谱光源，光斑质量不宜整形，无法用于微观应力的表征。此外，该方案采用单光路单探头，无法消除光源功率波动以及光探测器温漂所带来的影响，稳定性不佳。因此该方案无法用于微观应力空间分布的测量。

2013及2014年，高寒松等人(半导体材料微区应力测试系统，专利申请号为201310194074.9，材料的微区应力测试系统，专利号为：201410143013.4)提出利用光弹调制器对光学材料的微观应力空间分布进行测试，通过测量材料表面相互垂直的两个方向上的光强反射比率差及光强透射比率差测量材料的应力大小。这两种方法需要使用价格昂贵的进口光弹调制器，大幅提高了其组成系统部件成本，此外该方案没有考虑激光器功率波动、光探头温漂，光谈调制器自身以及外界环境因素对测量结果的影响。2014年，房建成等人提出(一种基于双光束差分消除光弹调制器及环境影响的检测装置与方法，专利申请号为201410670079.9)令两束状态相同的光通过同一个光弹调制器后经两个光电探测器转化成电信号，经由锁相放大器和信号处理系统进行差分处理，消除光弹调制器自身及环境变化带来的影响。该方案尽管在一定程度上抑制了激光器、光弹调制器等外界因素对测量结果的影响，但由于其仍然采用两个独立的光电探测器，无法消除光探头温漂和个体差异对测量结果的影响，稳定性不佳。

2015年，谈宜东等人(一种光学材料应力测量系统，专利申请号为：CN201510409605.0)提出了一种利用双探测器测量光学材料应力的方案，一束激光由激光器外腔发出，经过分光棱镜后被分成两束，并被两个探测器接受，另一束激光由激光器第二腔发出，照射在样品上，并被其底部的反射膜按原路反射回激光器，然后激光器对激光进行调制，从而测得晶体不同部位的应力大小。此发明同样利用两个光探头探测光信号，无法消除光探头个体差异对测量结果的影响，稳定性较差。

技术实现要素：

现有微观应力测量方案中存在精度低、成本高、稳定性差(易受激光器功率波动、光探头温漂及个性差异影响)等缺点。针对上述问题，本发明提供一种低成本、高精度、高稳定性的微观应力空间分布测量装置。

本发明提供的一种光学材料微观应力空间分布的精确测量装置，其特征在于：该装置采用单一硅光二极管同时探测信号光与参考光的双光路单探头设计，极大减弱了激光器功率波动、光探头温漂及个体差异带来的影响，具有极高的测量稳定性；该装置利用伺服电机驱动检偏器旋转，通过测量并拟合归一化透过率随补偿角度的变化曲线，间接测量材料微区的应力双折射波动，该多点拟合测量方式大幅提高了微观应力空间分布的测量精度。

本发明提供的一种光学材料微观应力空间分布的精确测量装置，其特征在于：该装置按照激光器1、激光分束器2、斩波器3、起偏器4、反光镜5、光学整形器6、试样7、电动二维微动平移台8、相位延迟器9、检偏器10、伺服电机11、反光镜12、硅光二极管13、双通道锁相放大器14、计算机15的顺序形成光路，并依次固定在钢性连接架16上。

与现有技术相比，本发明装置核心光探测部件全部采用普通光电元器件，成本较低；采用单一硅光二极管同时探测信号光与参考光的双光路单探头设计，极大减弱了激光器功率波动、光探头温漂及个体差异带来的影响，具有极高的测量稳定性；利用伺服电机驱动检偏器旋转，通过测量并拟合归一化透过率随补偿角度的变化曲线，间接测量材料微区的应力双折射波动，该多点拟合测量方式大幅提高了微观应力空间分布的测量精度。

附图说明

图1为本发明光学材料微观应力空间分布测量装置的基本原理结构示意图。

图2为本发明光学材料微观应力空间分布测量装置的数据拟合图。

图3为利用本发明装置测量铌酸锂晶体的稳定性测试图。

图4为本发明光学材料微观应力空间分布测量装置的一种实施例(实例1)检测结果图。

图5为本发明光学材料微观应力空间分布测量装置的一种实施例(实例2)检测结果图。

图6为本发明光学材料微观应力空间分布测量装置的一种实施例(实例3)检测结果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

本发明公开的一种光学材料微观应力空间分布的精确测量装置，整个装置中按照激光器1、激光分束器2、斩波器3、起偏器4、反光镜5、光学整形器6、试样7、电动二维微动平移台8、相位延迟器9、检偏器10、伺服电机11、反光镜12、硅光二极管13、双通道锁相放大器14、计算机15的顺序形成光路，并依次固定在钢性连接架16上。

激光器要求其波长范围为400-700nm，功率为0.5-5.5mW，单色性小于±1nm，斩波器频率两个通道的斩波频率均应当大于日光灯的频率50Hz，起偏器和检偏器材料为高质量的云母石、方解石或冰洲石。所测试样必须为透明光学晶体且具有双折射现象。起偏器和检偏器的消光比应该大于1∶500。载物台为电动二维微动平移台，其精度应优于3μm。

综上所述，考虑到各个元件的成本和测量的精度要求，其零部件优选的范围为：激光器采用波长为400-700nm的激光，功率为1-3mW，单色性应小于±0.1nm，斩波器的频率为150-700Hz，起偏器和检偏器材料为高质量的冰洲石。起偏器与检偏器之间的消光比应大于1∶1000，载物台为电动二维微动平移台，其分辨率应介于0.1μm-1μm之间，在光路上的所有光学元件和电子器件均固定在钢性连接架16上，保证了光的正确传播和测量精度。

本发明装置的工作原理为：本发明基于相位补偿技术对光学材料微观应力的空间分布进行测量。在本发明中光源发出激光经过激光分束器分成同偏振、等光强的两束激光，一束为参考光IR，一束为探测光Is。两束光经斩波器调制成不同频率后，参考光经反射后直接进入光探头，而探测光则经过起偏器、光学整形器等对光进行偏振和波前调整，然后进入试样探测微观应力，最后经由相位延迟器和检偏器进入光探头。光探头信号经由双通道锁相放大器提取参考光和探测光信号并给出归一化光强信号(I＝Is/IR)，输入计算机进行数据处理和记录。由相位补偿原理：归一化透过率T＝1/2[1±sin(δ±2β)](其中T＝I/I0，I0为系统可获得的最大归一化光强信号，δ为相位延迟，β为检偏器旋转弧度，即补偿角度)T为β的函数T(β)，δ为该函数参量。计算机控制伺服电机旋转检偏器，测量归一化透过率T随补偿角度β的变化关系----函数曲线T(β)，之后对该曲线进行最小二乘法拟合可得到参量相位延迟δ，并由公式δ＝2πdΔn/λ可求出双折射Δn。计算机通过电动二维微动平移台对样品进行扫描测量，可给出光学材料双折射Δn在二维空间上的波动，即微观应力的空间分布图。

下面给出本发明检测装置的具体实施例，具体实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围。

实例1

设计一种光学材料微观应力空间分布的精确测量装置，该装置各元器件件具体参数如下：激光器光源1波长为632.8nm，功率为1mW，单色性小于±0.1nm；斩波器2参考光和探测光调制频率为350和700Hz；起偏器和检偏器材料为冰洲石；试样7为铌酸锂晶体；起偏器和检偏器的消光比为1∶1000；电动二维微动平移台8的平移分辨率为0.1μm；

实例2

设计一种光学材料微观应力空间分布的精确测量装置，该装置各元器件件具体参数如下：激光器光源1波长为514.5nm，功率为2mW，单色性小于±0.1nm；斩波器2参考光和探测光调制频率为200和400Hz；起偏器和检偏器材料为冰洲石；试样7为蓝宝石晶体；起偏器和检偏器的消光比为1∶1500；电动二维微动平移台8的平移分辨率为0.5μm

实例3

设计一种光学材料微观应力空间分布的精确测量装置，该装置各元器件件具体参数如下：激光器光源1波长为488.0nm，功率为3mW，单色性小于±0.1nm；斩波器2参考光和探测光调制频率为150和300Hz；起偏器和检偏器材料为冰洲石；试样7为钽酸锂晶体；起偏器和检偏器的消光比为1∶2500；电动二维微动平移台8的平移分辨率为1μm；

利用本发明检测装置对铌酸锂样品的固定区域进行微观应力检测(参见实例1)，得到如图2所示的归一化透过率T随补偿角度β的函数曲线T(β)和最小二乘法曲线拟合结果，拟合相似度R-square值为0.994，经过计算得到双折射为52.35×10^-6。该数值随二维扫描在空间上的波动即表征微观应力空间分布的情况，因此该双折射测量值在同一测量点随时间的波动(稳定性)则至关重要。图3给出铌酸锂样品的单点双折射稳定性测试曲线，所测折射率之差在3个小时内的波动小于2×10^-7，稳定性极高。

利用本发明检测装置对铌酸锂样品进行了微观应力空间分布检测(参见实例1)，得到如图4所示应力双折射空间波动图。

利用本发明检测装置对蓝宝石样品进行了微观应力空间分布检测(参见实例2)，得到如图5所示应力双折射空间波动图。

利用本发明检测装置对钽酸锂样品进行了微观应力空间分布检测(参见实例3)，得到如图6所示应力双折射空间波动图。

以上所述具体事例对本发明的技术方案，实施办法做了进一步的详细说明，应理解的是，以上实例并不仅用于本发明，凡是在本发明的精神和原则之内进行的同等修改、等效替换、改进等均应该在本发明的保护范围之内。