一种透射元件偏振性能检测系统及检测方法

1.本发明属于光学计量与测量技术领域，具体地说涉及一种透射元件偏振性能检测系统及检测方法。


背景技术：

2.在大型激光装置中，偏振性能常常是装置重点关注的光学指标，光束的偏振性能不仅会影响各个光学元件的使用寿命，甚至会影响整个装置的运行效率。理想的光路设计中，光束在通过各向同性材料制成的透射元件后，其偏振性能不会发生改变。然而在实际中，透射元件在受应力作用的情况下，其折射率会发生各向异性的变化，这种变化会使通过元件的激光的偏振特性发生变化，这对于整个光路系统来说是致命缺陷。因此，在设计和优化光路时，为了检测和控制光束的偏振状态，需要检测透射元件的偏振特性。
3.对于大口径的透射元件，其偏振特性检测难度高。现有的大口径透射元件偏振检测系统主要有两种模式：一种是利用曲面反射镜多次反射，将激光束扩束到满足需求的口径，然后进行大口径透射元件偏振检测；一种是利用透镜，将激光束扩束到满足需求的口径。总之，上述两种模式都是将原本小口径的激光扩束到大口径透射元件整口径的尺度进行检测。扩束后的激光在被测元件的口径越大，其光束的均匀度、结构设计等问题也会越严重，难以适用或满足大口径透射元件偏振特性的检测需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种透射元件偏振性能检测系统及检测方法。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.第一方面，本发明提供一种透射元件偏振性能检测系统，包括同光轴设置的激光光源、偏振起偏器以及光电探测器，所述偏振起偏器与所述光电探测器之间设置有用于夹持透射元件的夹持框架，所述夹持框架位于二维平移台上。
7.通过采用上述的技术方案，二维平移台带动夹持框架实现二维移动，利用单点偏振特性测量实现透射元件全口径偏振特性测量，能够适用于各种口径各种外形的透射元件的偏振性能检测，尤其适用于大口径透射元件的偏振性能检测。
8.进一步，所述激光光源通过光纤与激光器相连，所述激光器发出的光束通过所述光纤从所述激光光源出射，所述光束通过偏振起偏器调制为线偏振光。
9.进一步，所述二维平移台包括第一平移台和第二平移台，所述第二平移台可移动的设置于所述第一平移台的上方，所述夹持框架可移动的设置于所述第二平移台的侧方。
10.进一步，所述夹持框架在所述第二平移台上沿着透射元件的高度方向移动，所述第二平移台在所述第一平移台上沿着透射元件的长度方向移动。
11.进一步，所述夹持框架沿着透射元件的长度方向以及高度方向的移动精度为毫米级。
12.通过采用上述的技术方案，在第一平移台和第二平移台的配合作用下，透射元件可沿其高度以及长度方向移动，完成不同位置的偏振性能检测，最终实现全口径偏振性能检测。
13.进一步，所述第一平移台与所述第二平移台的结构相同，且所述第一平移台与所述第二平移台垂直设置。
14.进一步，所述第一平移台包括基座、传动杆、滑块以及驱动电机，所述传动杆与所述驱动电机的输出端传动连接，且所述传动杆的两端分别与所述基座可转动连接，所述传动杆的外表面设置有外螺纹，所述滑块设置于所述传动杆上，且所述滑块上设有与所述外螺纹转动配合的内螺纹。
15.通过采用上述的技术方案，驱动电机带动传动杆转动时，通过外螺纹带动内螺纹从而驱动滑块在传动杆轴向上做往复直线运动。
16.进一步，所述驱动电机以及光电探测器均与控制终端通讯连接。
17.第二方面，本发明还提供一种透射元件偏振性能的检测方法，包括如下步骤：
18.步骤s100、将透射元件安装于夹持框架中，再将夹持框架固定于二维平移台上；
19.步骤s200、光束从激光光源出射，依次通过偏振起偏器、透射元件，最终被光电探测器接收，实现偏振特性数据采集；
20.步骤s300、二维平移台基于预设的扫描轨迹动作，将透射元件的不同位置依次置于激光光源的光轴上，实现透射元件全口径内不同位置的扫描及偏振特性数据采集；
21.步骤s400、将光电探测器采集的数据依据扫描位置进行拼接，得到透射元件全口径偏振特性数据，完成全口径偏振特性检测。
22.进一步，步骤s300中，所述扫描轨迹的确定方法为：
23.依据所述透射元件的通光口径确定偏振特性扫描范围，所述偏振特性扫描范围等于所述透射元件的通光口径；
24.设定二维平移台的移动步距及移动周期，依据偏振特性扫描范围以及二维平移台的移动步距确定扫描点矩阵，所述扫描点矩阵包括n个扫描点，n为整数，顺序连接所有扫描点形成扫描轨迹。
25.进一步，依据二维平移台的移动周期设定光电探测器的数据采集时间间隔，光电探测器基于数据采集时间间隔在二维平移台带动透射元件相邻两次移动的间隔期间内进行偏振特性数据采集。
26.进一步，所述步骤s400之后还包括：
27.将二维平移台复位并关闭，关闭激光光源以及光电探测器，拆卸夹持框架以及大口径透射元件。
28.进一步，步骤s100至步骤s400均在达到iso14644-1规定的5级空气洁净标准环境中执行。
29.本发明的有益效果是：
30.1、二维平移台带动夹持框架实现二维移动，利用单点偏振特性测量实现透射元件全口径偏振特性测量。
31.2、无需进行光束扩束，利用小口径光束作为检测光源，避免了传统扩束手段降低光均匀性问题，同时，小口径光束本身的高稳定性保证了全口径偏振特性检测过程中的稳
定性，检测结果更加精准。
32.3、光电探测器接收经透射元件透射的光束，有效缩短了光程，降低了光束的检测误差，提高了检测精度。
33.4、利用二维平移台带动透射元件进行全口径扫描，克服了传统偏振检测系统对口径限制问题，适用于各种口径各种外形的透射元件的偏振性能检测，尤其适用于大口径透射元件的偏振性能检测。
34.5、可二维移动的夹持框架结合经透射元件透射的光束实现对透射元件的扫描，降低了扫描器件体积和重量，提高了扫描频率，从而能够实现快速高精度的检测透射元件的偏振性能。
附图说明
35.图1是本发明具体实施例中透射元件偏振性能检测系统的示意图；
36.图2是本发明具体实施例中透射元件偏振性能的检测方法的流程图；
37.图3是本发明另一具体实施例中透射元件偏振性能的检测方法的流程图。
38.附图中：1-激光器、2-激光光源、3-偏振起偏器、4-夹持框架、5-控制终端、6-第一平移台、7-光电探测器、8-第二平移台。
具体实施方式
39.为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本技术保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
40.实施例一：
41.如图1所示，一种透射元件偏振性能检测系统，包括同光轴设置的激光光源2、偏振起偏器3以及光电探测器5，所述偏振起偏器3与所述光电探测器5之间设置有用于夹持透射元件的夹持框架4，所述夹持框架4位于二维平移台上。
42.通过采用上述的技术方案，二维平移台带动夹持框架4实现二维移动，利用单点偏振特性测量实现透射元件全口径偏振特性测量，能够适用于各种口径各种外形的透射元件的偏振性能检测，尤其适用于大口径透射元件的偏振性能检测。
43.可选的，所述激光光源2通过光纤与激光器1相连，所述激光器1发出的光束通过所述光纤从所述激光光源2出射，所述光束通过偏振起偏器3调制为线偏振光，再通过被夹持在夹持框架4上的透射元件，光束偏振特性发生改变，最终被偏振光电探测器5接收。
44.优选的，激光光源2、偏振起偏器3、光电探测器5均固定在水平面上，无法移动，夹持框架4与二维平移台联动，实现在二维平面内移动。
45.可选的，所述二维平移台包括第一平移台6和第二平移台8，所述第二平移台8可移动的设置于所述第一平移台6的上方，所述夹持框架4可移动的设置于所述第二平移台8的上方。
46.可选的，所述夹持框架4在所述第二平移台8上沿着透射元件的高度方向移动，所
述第二平移台8在所述第一平移台6上沿着透射元件的长度方向移动。
47.可选的，所述夹持框架4沿着透射元件的长度方向以及高度方向的移动精度为毫米级。
48.优选的，所述夹持框架4的口径形状可依据所夹持的透射元件的形状进行定制。为了夹持大口径的透射元件，夹持框架4的口径可大于100mm。
49.通过采用上述的技术方案，在第一平移台6和第二平移台8的配合作用下，透射元件可沿其高度以及长度方向移动，完成不同位置的偏振性能检测，最终实现全口径偏振性能检测。
50.可选的，所述第一平移台6与所述第二平移台8的结构相同，且所述第一平移台6与所述第二平移台8垂直设置。
51.可选的，所述第一平移台6包括基座、传动杆、滑块以及驱动电机，所述传动杆与所述驱动电机的输出端传动连接，且所述传动杆的两端分别与所述基座可转动连接，所述传动杆的外表面设置有外螺纹，所述滑块设置于所述传动杆上，且所述滑块上设有与所述外螺纹转动配合的内螺纹。
52.通过采用上述的技术方案，驱动电机带动传动杆转动时，通过外螺纹带动内螺纹从而驱动滑块在传动杆轴向上做往复直线运动。
53.可选的，所述驱动电机以及光电探测器5均与控制终端7通讯连接，可以实现不同设备间的联动扫描。
54.如图2所示，本发明还提供一种透射元件偏振性能的检测方法，包括如下步骤：
55.步骤s100、将透射元件安装于夹持框架4中，再将夹持框架4固定于二维平移台上；
56.步骤s200、光束从激光光源2出射，依次通过偏振起偏器3、透射元件，最终被光电探测器5接收，实现偏振特性数据采集；
57.步骤s300、二维平移台基于预设的扫描轨迹动作，将透射元件的不同位置依次置于激光光源的光轴上，实现透射元件全口径内不同位置的扫描及偏振特性数据采集；
58.步骤s400、将光电探测器5采集的数据依据扫描位置进行拼接，得到透射元件全口径偏振特性数据，完成全口径偏振特性检测。
59.可选的，步骤s300中，所述扫描轨迹的确定方法为：
60.依据所述透射元件的通光口径确定偏振特性扫描范围，所述偏振特性扫描范围等于所述透射元件的通光口径；
61.设定二维平移台的移动步距及移动周期，依据偏振特性扫描范围以及二维平移台的移动步距确定扫描点矩阵，所述扫描点矩阵包括n个扫描点，n为整数，顺序连接所有扫描点形成扫描轨迹。
62.可选的，依据二维平移台的移动周期设定光电探测器5的数据采集时间间隔，光电探测器5基于数据采集时间间隔在二维平移台带动透射元件相邻两次移动的间隔期间内进行偏振特性数据采集。
63.可选的，所述步骤s400之后还包括：
64.将二维平移台复位并关闭，关闭激光光源2以及光电探测器5，拆卸夹持框架4以及大口径透射元件。
65.可选的，步骤s100至步骤s400均在达到iso14644-1规定的5级空气洁净标准环境
中执行。
66.下面结合图1以及图3介绍本方案的一种可选的实施例，其具体过程如下：
67.s01、复位：第一平移台6与第二平移台8自起始位开始平移，所述起始位位于透射元件的通光口径的边缘。
68.s02、x步进：透射元件的长度方向作为x轴，第一平移台6上沿着x轴前进一个步距，线偏振光束经过第一行的第一个扫描点，执行步骤s07。
69.s03、检测范围：检测当前位置是否位于偏振特性扫描范围内，若是，则执行步骤s02，线偏振光束经过第一行的第二个扫描点，若否，则执行步骤s04。
70.s04、x复位：第一平移台6沿着x轴复位至起始位。
71.s05、y步进：透射元件的高度方向作为y轴，第二平移台8上沿着y轴前进一个步距。
72.s06、检测范围：检测当前位置是否位于偏振特性扫描范围内，若是，则执行步骤s02，第一平移台6上沿着x轴前进一个步距，线偏振光束经过第二行的第一个扫描点，若否，则结束，第一平移台6与第二平移台8停止平移。
73.s07、偏振检测：光束从激光光源2出射，依次通过偏振起偏器3、透射元件的扫描点。
74.s08、数据采集记录：光电探测器5接收经过扫描点的光束，采集该扫描点的偏振特性数据并记录。
75.s09、拼合口径数据：位于偏振特性扫描范围的所有扫描点均完成检测后，将所获取的偏振特性数据依据透射元件的口径进行拼合。
76.s10、最终检测结果：拼合口径数据形成最终检测结果。
77.综上所述，随着第一平移台6和第二平移台8平移，将偏振特性扫描范围内的所有扫描点依次置于激光光源2的光轴上，以获取不同扫描点的偏振特性数据，拼合所有扫描点的偏振特性数据得到透射元件全口径的偏振特性数据。
78.实施例二：
79.如图1所示，本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
80.激光器1是波长为1064nm的光纤激光器，激光光源2将光纤激光汇聚为口径0.3mm左右的小口径平行光束，偏振起偏器3的偏振方向调整为沿水平方向，用于产生水平方向的线偏振光，透射元件为200mm
×
100mm
×
10mm的矩形掺钕离子磷酸盐玻璃。
81.不考虑透射元件的边缘非通光区域，确定偏振特性扫描范围为190mm
×
90mm，第一平移台6与第二平移台8的移动步距均为5mm，依据扫描范围以及移动步距确定出38
×
18的扫描点矩阵，依次连接各扫描点形成扫描轨迹(即夹持框架的移动轨迹)，设定第一平移台6与第二平移台8的移动周期，依据二维平移台的移动周期确定光电探测器的数据采集时间间隔，使光电探测器5在第一平移台6与第二平移台8带动透射元件移动的间隔期间进行偏振特性数据采集。
82.所述透射元件偏振性能的检测方法如下：
83.步骤s100、将200mm
×
100mm
×
10mm的矩形掺钕离子磷酸盐玻璃安装于夹持框架4中，再将夹持框架4固定于二维平移台平移台上。
84.步骤s200、打开激光器1，调整功率为确定值20mw，使光束从激光光源出射，依次通过偏振起偏器3、透射元件，最终被光电探测器5接收。
85.假设水平方向为x方向，竖直方向为y方向，为方便后续偏振特性的表征均使用琼斯矢量和琼斯矩阵。光束通过偏振起偏器后，不考虑误差等因素，其琼斯矢量为是理想的线偏振光。通过透射元件后，其偏振特性发生改变。透射元件为掺钕离子磷酸盐玻璃，是一种各向同性材料，一般认为，光束在通过各向同性材料后，其偏振性能不会发生变化，但在其受应力作用时，会发生弹光效应。弹光效应是指材料的介电常数b在应力作用下会发生各向异性的变化，从而变成二阶张量：
[0086][0087]
式中，
△bij
为逆介电张量各分量的变化量，b
ij
为逆介电张量的分量，b0为材料的原逆介电常数，σ为正应力，σ
x
为沿x轴方向的正应力，σy为沿y轴方向的正应力，σz为沿z轴方向的正应力。τ为切应力，τ
xy
为沿xy方向的切应力，τ
xz
为沿xz方向的切应力，τ
yz
为沿zy方向的切应力。π为材料的弹光系数。
[0088]
假设光束沿z轴方向传播，此时材料的折射率为一个椭圆：
[0089][0090][0091]
式中，n1为折射率椭圆的长轴，n2为折射率椭圆的短轴，θ为折射率椭圆长轴与水平方向x轴的夹角。光束通过这样的材料，产生了双折射现象，通过该材料的光束会沿着“晶轴”分裂成两束光，两束光在通过不同的光程后叠加成一束光，产生了相位差，其偏振特性就发生了改变：
[0092][0093]
式中φ1分别φ2为沿着长轴方向和沿着短轴方向光束经过的相位，此时，透射元件的琼斯矩阵可表示为：
[0094][0095]
显然，此时的光束已经不是线偏振光。
[0096]
步骤s300、在控制终端7启动存有扫描轨迹的程序，控制第一平移台6与第二平移台8联动，按照设定好的扫描轨迹，进行5mm间隔的间断运动，并在每次运动的中间时刻控制光电探测器进行偏振特性数据采集。
[0097]
步骤s400、将光电探测器5采集的数据依据扫描位置进行拼接，得到透射元件全口
径偏振特性数据，最终是一个38
×
18的琼斯矢量的矩阵：其中，j
1,1
表示扫描点矩阵中第1行第1列的扫描点对应的偏振特性数据，同理可知矩阵中其他字母表示的含义，不再赘述。
[0098]
步骤s500、将二维平移台复位并关闭，关闭激光光源2、激光器1以及光电探测器5，拆卸夹持框架4以及大口径透射元件。
[0099]
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本技术范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。