一种热透镜测量装置和方法

技术领域

本申请涉及光学测量领域，尤其涉及一种热透镜测量装置和方法。

背景技术

热透镜效应是高功率激光技术中经常遇到的问题。光学材料，例如激光晶体、非线性晶体等，由于自身晶体质量问题，对入射的激光存在很小但不可忽略的吸收率。当光学元件受激光器发出的激光束连续较长时间照射，局部吸收激光能量而产生温度升高，伴随着内部的应力增大和外表的形变，光学材料内部的温度场形成中心高、四周低的分布，而材料的折射率随着温度变化，导致光学材料形成类似汇聚透镜或者发散透镜的效应，称为热透镜。

光学材料的热透镜测量已经是一种较为成熟的技术，通常是将光学材料例如激光晶体放入激光器谐振腔中，并将激光器发出的激光透过光学材料后，再从谐振腔中发出，通过测量激光器谐振腔的出光功率或者输出激光的光斑形状等因素对热透镜的焦距等参数进行评估测量。例如专利：一种在线实时测量激光晶体热透镜焦距的方法与装置(CN105547656B)、一种非线性晶体热透镜焦距的测量方法(CN105954010B)、一种测量非线性晶体吸收系数的方法(CN106018285B)、一种测量非线性晶体热透镜焦距的装置和方法(CN106706272B)、一种固体激光器热焦距测量方法(CN109742642B)、测量激光增益晶体内能量传输上转换热负荷的装置及方法(CN110865053B)、一种利用刀口法测量激光晶体热透镜焦距的方法及装置(CN110987379B)。

然而，上述方法需要完整的激光器，且需测量激光器谐振腔的出光功率或者输出激光的光斑形状等因素，方法复杂，且测量速度慢。

发明内容

本申请实施例提供了一种热透镜测量装置和方法，方法简单，测量速度快。

本申请实施例提供一种热透镜测量装置，包括相机和背景板，所述背景板上设置有图案，所述相机用于采集所述背景板上的图案；

所述相机和所述背景板之间设置光学材料，且所述光学材料设置在所述相机采集所述背景板上的图案的光路上；

所述光路一侧设置激光器，所述激光器用于向所述光学材料通入激光，以在所述光学材料中产生热透镜；

在所述光学材料中产生所述热透镜的前后，所述相机分别采集所述背景板上的图案，得到两幅图像，比较所述相机采集的所述两幅图像上的图案，通过分析所述两幅图像上图案的平移量计算所述热透镜的折射率分布。

在一种可行的实现方式中，所述热透镜测量装置还包括透镜组；

所述透镜组位于所述相机与背景板之间的光路上，所述透镜组与所述背景板之间用于设置所述光学材料；

所述透镜组用于缩放所述背景板上的图案。

在一种可行的实现方式中，所述透镜组包括第一柱透镜和第二柱透镜，所述第一柱透镜和所述第二柱透镜正交设置；

以所述背景板的宽度方向为X轴所在方向，以所述背景板的长度方向为Y轴所在方向，以所述光路方向为Z轴所在方向建立坐标系，所述第一柱透镜用于在X-Z平面内聚焦，所述第二柱透镜用于在Y-Z平面内聚焦。

在一种可行的实现方式中，所述激光器的激光出射方向垂直于所述光路。

在一种可行的实现方式中，所述相机包括电荷耦合器件，所述电荷耦合器件的长度方向平行于所述背景板的长度方向。

本申请实施例还提供一种热透镜测量方法，采用上述热透镜测量装置，所述测量方法包括：

通过相机透过光学材料采集背景板上的图案；

通过激光器向所述光学材料中通入激光；

所述激光通过所述光学材料并在所述光学材料中产生热透镜后，再次通过所述相机透过所述光学材料采集所述背景板上的图案；

比较所述相机采集的两幅图像，计算所述相机采集的所述两幅图像上图案的平移量；

根据所述平移量计算所述热透镜的折射率分布。

在一种可行的实现方式中，所述计算所述热透镜的折射率分布，包括：

根据所述热透镜的厚度、所述光学材料的本底折射率、所述相机采集所述两幅图像上图案的平移量以及所述相机采集所述两幅图像上图案的偏移角度计算所述热透镜的折射率分布。

在一种可行的实现方式中，所述相机和所述背景板之间设置第一柱透镜和第二柱透镜，所述第一柱透镜和所述第二柱透镜正交设置；

以所述背景板的宽度方向为X轴所在方向，以所述背景板的长度方向为Y轴所在方向，以所述相机的光路方向为Z轴所在方向建立坐标系，所述第一柱透镜用于在X-Z平面内聚焦，所述第二柱透镜用于在Y-Z平面内聚焦；

所述通过相机透过光学材料采集背景板上的图案，包括：通过所述相机透过所述第一柱透镜、所述第二柱透镜和所述光学材料采集所述图像；

所述再次通过所述相机透过所述光学材料采集所述图像，包括：再次通过所述相机透过所述第一柱透镜、所述第二柱透镜和所述光学材料采集所述图像。

在一种可行的实现方式中，所述测量方法还包括：

根据所述背景板的X轴长度、所述相机中电荷耦合器件的X轴长度、所述光学材料与所述相机和所述背景板的距离计算所述光学材料在所述相机中成像的X轴长度；

根据所述背景板的Y轴长度、所述相机中电荷耦合器件的Y轴长度、所述光学材料与所述相机和所述背景板的距离计算所述光学材料在所述相机中成像的Y轴长度；

根据所述光学材料在所述相机中成像的X轴长度和在所述相机中成像的Y轴长度以及所述相机的像素计算所述热透镜的X轴长度和Y轴长度。

在一种可行的实现方式中，所述测量方法还包括：

根据所述第一柱透镜的焦距计算所述第一柱透镜与所述相机的距离以及所述第一柱透镜与所述背景板的距离；

根据所述第二柱透镜的焦距计算所述第二柱透镜与所述相机的距离以及所述第二柱透镜与所述背景板的距离；

根据所述第一柱透镜与所述相机的距离、所述第一柱透镜与所述背景板的距离以及所述电荷耦合器件X轴的长度计算所述背景板的X轴长度；

根据所述第二柱透镜与所述相机的距离、所述第二柱透镜与所述背景板的距离以及所述电荷耦合器件Y轴的长度计算所述背景板的Y轴长度。

在一种可行的实现方式中，所述通过激光器向所述光学材料中通入激光前，还包括：对所述光学材料的表面进行抛光。

本申请实施例提供的一种热透镜测量装置和方法，在激光入射光学材料形成热透镜前后，分别通过相机采集一次背景板上的图案，比较相机采集的两幅图像，并通过计算所采集图像上图案的平移量，得到热透镜折射率分布，从而基于该热透镜折射率分布，得到热透镜的焦距等参数，相对于现有技术中需要完整的激光器，且需测量激光器谐振腔的出光功率等方式，操作更为简单，测量速度更快。

附图说明

图1是本申请一实施例提供的热透镜测量装置的结构示意图；

图2是图1的光路几何原理图；

图3是本申请一实施例提供的由折射率梯度引起光线折射的原理图；

图4是本申请一实施例提供的热透镜测量装置的立体图；

图5是图4中X-Z方向的平面示意图；

图6是图4中Y-Z方向的平面示意图；

图7是图4中X-Y方向的平面示意图；

图8是图1的部分结构示意图；

图9是本申请一实施例提供的一种热透镜测量方法的流程示意图；

图10是本申请一实施例提供的背景板上图案的示意图其一；

图11是本申请一实施例提供的背景板上图案的示意图其二；

图12是本申请一实施例提供的热透镜的成像图。

附图标记说明：

100-相机；101-电荷耦合器件；102-镜头；120-透镜组；1201-第一柱透镜；1202-第二柱透镜；200-背景板；300-光学材料；400-激光器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

热透镜会对降低传输激光的光束质量，改变传输激光的方向，影响激光的空间模式匹配，严重情况下甚至会形成光学材料的损坏。在激光器中，激光具有空间分布的模式，称为激光的横模。激光的横模会受到激光器谐振腔长度、镜片的面型、镜片的倾斜、激光晶体中折射率不均匀影响，发生改变。当激光晶体中具有热透镜后，会改变谐振激光的光束大小和发散角，使得激光与谐振腔的空间模式匹配受到影响。

目前，光学材料的热透镜测量采用较多的是通过测量激光器谐振腔的出光功率或者输出激光的光斑形状对热透镜进行估计的方法。

也就是将光学材料例如激光晶体放入激光器谐振腔中，并将激光器发出的激光透过光学材料后，再从谐振腔中发出，通过测量激光器谐振腔的出光功率或者输出激光的光斑形状等因素对热透镜的焦距等参数进行评估测量，对于热透镜产生的空间畸变无法给出有效的结果。

且上述方法需要完整的激光器，通过测量输出激光间接的测量热透镜，方法复杂，测量速度慢。

背景纹影(Background Oriented Schlieren，简称BOS)技术是在纹影(Schlieren)技术基础上发展出来的一种透明介质折射率观测方法，常用于气体、液体等非均匀流体的折射率动态观测。例如NASA曾用BOS技术观察超音速飞机产生的声波压缩场，K.Hayasaka等人采用BOS技术研究了液体中的声波传输[1]。作为一种可视化手段，BOS技术将介质折射率的变化转化为光振幅的变化和光的相位差。

本申请实施例提供一种热透镜测量装置，基于上述BOS技术，通过在待测量的透明介质(即光学材料)后面放置背景板，背景板上具有边界清晰、形状复杂的背景图案。采用相机放置在背景板前，当光学材料存在折射率变化时，光路发生偏折，背景图案在相机上的成像会发生平移和形变，通过折射率和图案偏移量的偏微分方程，对背景图案的平移量进行计算，从而通过该平移量可以得出光学材料的折射率分布，根据折射率分布能够计算得出焦距等参数，相对于现有技术中需要完整的激光器，且需测量激光器谐振腔的出光功率等方式，操作更为简单，测量速度更快。

图1是本申请一实施例提供的热透镜测量装置的结构示意图。参照图1所示，本申请实施例提供一种热透镜测量装置，包括相机100和背景板200，背景板200上设置有图案，图案具有对比鲜明、清晰的边界，图案可在相机100中成像；

相机100和背景板200之间设置光学材料300，且光学材料300设置在相机100采集图像的光路(参照图1中l所示)。其中，光学材料300可以是PPMgOLN晶体。

参照图1所示，光路一侧设置激光器400，激光器400用于向光学材料300通入激光，以在光学材料300中产生热透镜。

可以理解的是，向光学材料300通入激光后，激光的部分能量转化成热量，导致光学材料300的折射率不均匀分布，即在激光中心处，光学材料300的折射率较高，在激光边缘，光学材料300的折射率较低，因此，在光路方向观察光学材料300时，会出现类似透镜的效果，即，光学材料300已在激光穿过位置形成热透镜。

参照图1所示，在一些示例中，激光器400的激光出射方向可垂直于光路。示例性地，光学材料300为细长条形，且由其长度方向贯穿光路设置，激光器400设置在光学材料300的一端，激光出射方向顺应光学材料300的长度方向。

对光学材料300两端的激光通光面(即位于光路两侧的面)进行抛光，便于传输激光；对光学材料300的观察面进行抛光，从光学材料300的侧面(即位于光路方向上的面)对热透镜进行成像。如图1所示，将聚焦后的激光光束从长条形的光学材料300中穿出时，光学材料300会将激光的部分能量转化成热量，导致折射率的不均匀分布，并在激光穿过位置形成热透镜。在激光中心处，光学材料300折射率较高，在激光边缘，光学材料300折射率较低，因此从侧面观察时，同样会产生类似透镜的效果。

相机100用于在光学材料300中产生热透镜的前后分别经光学材料300采集背景板200上的图案，以通过光流算法分析相机100采集两幅图像上图案的平移量，进而根据平移量和泊松方程计算热透镜的折射率分布。

需要说明的是，在相机100透过光学材料300采集图像前，调整相机100焦距使图案在相机100内清晰成像；

示例性地，相机100可包括电荷耦合元件101(Charge coupled Device，简称CCD)和镜头102，相机100的焦距调整通过调整镜头102实现。

图2是图1的光路几何原理图。参照图2所示，C点为相机100感光芯片的某一点，光学材料300位于距离C点为U(单位：mm，下同)的位置，背景板200与光学材料300的距离为W，相机100与背景板300的距离L为L＝U+W。由于介质(即热透镜的材料介质)在Y方向上的不均匀性，光束在其中的传输会产生从光疏到光密的偏折。光学材料300未通入激光时，背景板200上处于Y点的图案在C点完成成像，光学材料300通入激光后，在热透镜的偏折下，距Y点ΔY位置的图案在C点完成成像，偏移角度为Δε。

图3是本申请一实施例提供的由折射率梯度引起光线折射的原理图。参照图2-3所示，光线的偏移角度与介质(即热透镜)折射率梯度公式如下：

公式(1)中，n

根据公式(2)，当观察到相机100中的图案具有位移或者说具有偏移角度dε，根据偏移角度dε以及光学材料300与背景板200之间的距离计算出图案的平移量dy，就能够对应计算出光学材料300的折射率变化dn。根据图2中的几何关系，可以得出：

需要说明的是，公式(1)和公式(2)中的Δy与图2中ΔY的概念不同，基于上述可知，ΔY是热透镜产生前后，相机100的同一位置采集到的背景板200上的两个位置的图案在Y方向上的间距，而Δy是热透镜沿Y方向上的任意两点的间距。

当相机100在Y方向的分辨率N

光学材料300中的热透镜的折射率变化一般都非常小，观察时需要有足够高的折射率灵敏度。根据公式(3)可知，为了降低折射率分辨极限(使dn

通过降低折射率分辨极限，以适应光学材料300因热透镜所产生的微小折射率变化，以免折射率分辨极限过高导致无法检测计算出光学材料300内出现热透镜后的折射率变化。

本申请实施例提供的热透镜测量装置，在激光入射光学材料300形成热透镜前后，分别通过相机100采集一次背景板200上的图案，比较相机100采集的两幅图像并计算所采集图像上图案的平移量和热透镜折射率变化，相对于测量激光器的出光功率等方式，操作更为简单，测量速度更快。

实际中，光学材料300中的热透镜往往是细长条形的，而相机100的视场或者说电荷耦合器件101的尺寸往往是矩形的，不能够跟热透镜的比例相匹配。为了提高折射率的测量灵敏度，需要在某一方向采用尽量小的视场。

图4是本申请一实施例提供的热透镜测量装置的立体图，图5是图4中X-Z方向的平面示意图，图6是图4中Y-Z方向的平面示意图。参照图4-6所示，在一些示例中，热透镜测量装置还可包括透镜组120，透镜组120设置在相机100与背景板200之间的光路上，透镜组120与背景板200之间用于设置光学材料300。

透镜组120用于缩放图像和热透镜在相机100中的成像。

上述实施方式中，通过透镜组120压缩图像和热透镜的视场，使观测的热透镜和图案的有效部分成像在电荷耦合器件101上，充满整个电荷耦合器件101面积，从而提高有效的电荷耦合器件101像素使用比例，提高折射率的分辨率，从而能够提高折射率的测量灵敏度。

继续参照图4-6所示，在一些示例中，透镜组120包括第一柱透镜1201和第二柱透镜1202，第一柱透镜1201和第二柱透镜1202正交设置，即第二柱透镜1202与第一柱透镜1201的中轴线异面垂直。

其中，第一柱透镜1201的弧面朝向相机100，第二柱透镜1202的弧面朝向背景板200。当然，在其他实施方式中，透镜组120的弧面也可为其他朝向。

在一些示例中，背景板200在X-Y平面上呈矩形结构，电荷耦合器件101的长度方向平行于背景板200的长度方向，即，电荷耦合器件101的长度方向和背景板200的长度方向均沿X轴方向设置。

上述实施方式能够使电荷耦合器件101正对背景板200，更有利于图案在电荷耦合器件101上成像时的充满效果，更利于人们的观测。

以背景板200的宽度方向为X轴所在方向，以背景板200的长度方向为Y轴所在方向，以光路方向为Z轴所在方向建立坐标系，第一柱透镜1201用于在X-Z平面内聚焦，第二柱透镜1202用于在Y-Z平面内聚焦。

图7是图4中X-Y方向的平面示意图。参照图7所示，需要说明的是，第一柱透镜1201的焦距为F

设电荷耦合器件101是边长为S的正方形，则根据成像放大率公式，在X-Z平面，具有物象关系

由上述内容可知，当两个柱透镜的焦距差别很大时，背景板的X-Y方向的尺寸可以具有很大差异，而电荷耦合器件101上的像X-Y方向尺寸差别不大。这样的设置使得观察对象(例如背景板200)尺寸为长条形时，可以充分利用电荷耦合器件101的两个度(即X方向和Y方向)的分辨率，以及这两个平面上的物象关系公式，来对这几个部件在光路方向即Z方向上的摆放位置，以提高折射率测量的分辨率和灵敏度。

可以理解的是，光学材料300上形成的热透镜在X-Y平面上也呈矩形，则可以将上述c替换为热透镜距离相机100的距离，则D

上述实施方式中，通过第一柱透镜1201和第二柱透镜1202将图案和光学材料300的热透镜在X-Y方向进行不等比例的缩放，使成像充满整个电荷耦合器件101面积，从而提高有效的电荷耦合器件101像素使用比例，提高折射率的分辨率。

图8是图1的部分结构示意图。参照图8所示，由于相机100是对背景板200上的图案进行成像，成像的对焦平面并不在光学材料300上，因此光学材料300并不能在相机100上形成清晰的像，需要通过图8中的几何关系确定观察的光学材料300对应的几何尺寸。根据图8中的几何关系，光学材料300的长度H与背景板200的长度D、电荷耦合器件101的长度S、光学材料300距离相机100的距离L1、光学材料300距离背景板200的距离L2的关系为：

参照图5-8所示，激光从光学材料300端面入射，从激光传输的侧面(X-Y面)观察激光聚焦，晶体热透镜形成一个长条状。这里以非线性晶体周期极化铌酸锂(PPLN)为例，PPLN的长宽厚为50mm×10mm×1mm，10mm×1mm的口径为通光口径，50mm×10mm(H1×H2)的平面为观察平面。功率为20W的1064nm的激光经过透镜聚焦，形成束腰半径ω＝100μm的高斯光束，从左至右穿过PPLN晶体。

电荷耦合器件101采用一块对角线长1/3.6英寸(5mm)，边长分别为S

被观察的光学材料300放在第二柱透镜1202后面5mm处，也就是L

图9是本申请一实施例提供的一种热透镜测量方法的流程示意图。参照图9所示，本申请实施例还提供一种热透镜测量方法，采用上述热透镜测量装置，测量方法包括：

S100：通过相机100透过光学材料300采集背景板200上的图案；

相机100和光学材料300之间设置第一柱透镜1201和第二柱透镜1202，第一柱透镜1201和第二柱透镜1202正交设置；

第一柱透镜1201的弧面朝向相机100，第二柱透镜1202的弧面朝向背景板200，以背景板200的宽度方向为X轴所在方向，以背景板200的长度方向为Y轴所在方向，以光路方向为Z轴所在方向建立坐标系，第一柱透镜1201用于在X-Z平面内聚焦，第二柱透镜1202用于在Y-Z平面内聚焦；

采集图像时，通过相机100透过第一柱透镜1201、第二柱透镜1202和光学材料300采集图像。

通过第一柱透镜1201和第二柱透镜1202压缩图像的视场，使观测的热透镜和图案的有效部分成像在电荷耦合器件101上，充满整个电荷耦合器件101面积，从而提高有效的电荷耦合器件101像素使用比例，提升电荷耦合器件101的像素利用率，从而能够提高折射率的测量灵敏度。

S200：通过激光器400向光学材料300中通入激光；

通过激光器400向光学材料300中通入激光前，还包括：对光学材料300的表面进行抛光。

通过对光学材料300的端面进行抛光，能够便于激光在光学材料300中传输，通过对其侧面进行抛光，有利于对热透镜进行观察以及成像。

S300：激光通过光学材料300并在光学材料300中产生热透镜后，再次通过相机100透过光学材料300采集图像；

再次采集图像时同样透过第一柱透镜1201、第二柱透镜1202和光学材料300。

S400：比较相机100采集的两幅图像，计算相机100采集两幅图像上图案的平移量；

图10是本申请一实施例提供的背景板上图案的示意图其一；图11是本申请一实施例提供的背景板上图案的示意图其二。参照图10和图11所示，图案均具有对比鲜明、清晰的边界，有利于通过光流算法计算两幅图像上图案的平移量。

S500：根据平移量计算热透镜的折射率分布。

根据热透镜的厚度、光学材料300的本底折射率、相机100采集两幅图像上图案的平移量以及相机100采集两幅图像上图案的偏移角度计算热透镜的折射率分布。可参照前述公式(2)，以计算出光学材料300的折射率变化。

根据前述公式(3)可知，为了降低折射率分辨极限(使dn

通过降低折射率分辨极限，以适应光学材料300因热透镜所产生的微小折射率变化，以免折射率分辨极限过高导致无法检测计算出光学材料300内出现热透镜后的折射率变化。

本申请实施例提供的一种热透镜测量方法，在激光入射光学材料300形成热透镜前后，分别通过相机100采集一次背景板200上的图案，比较相机100采集的两幅图像并计算所采集图像上图案的平移量和热透镜折射率变化，相对于测量激光器的出光功率等方式，操作更为简单，测量速度更快。

在一些示例中，根据背景板200的X轴长度、电荷耦合器件101的X轴长度、光学材料300与相机100和背景板200的距离计算光学材料300在相机100中成像的X轴长度；

根据背景板200的Y轴长度、电荷耦合器件101的Y轴长度、光学材料300与相机100和背景板200的距离计算光学材料300在相机100中成像的Y轴长度；

根据光学材料300在相机100中成像的X轴长度和在相机100中成像的Y轴长度以及相机100的像素计算热透镜的X轴长度和Y轴长度。

图12是本申请一实施例提供的热透镜的成像图。参照图12所示，其中，椭圆形图像为热透镜图像，以非线性晶体周期极化铌酸锂(PPLN)为例，根据前述实施方式计算得出光学材料300尺寸为H

上述实施方式能够测量出热透镜的X轴长度和Y轴长度以及焦距等，从而为热透镜的参数获取提供方便可行的方式。

在一些示例中，根据第一柱透镜1201的焦距计算第一柱透镜1201与相机100的距离以及第一柱透镜1201与背景板200的距离；

根据第二柱透镜1202的焦距计算第二柱透镜1202与相机100的距离以及第二柱透镜1202与背景板200的距离；

根据第一柱透镜1201与相机100的距离、第一柱透镜1202与背景板200的距离以及电荷耦合器件101X轴的长度计算背景板200的X轴长度；

根据第二柱透镜1202与相机100的距离、第二柱透镜1202与背景板200的距离以及电荷耦合器件101Y轴的长度计算背景板200的Y轴长度。

根据前述成像公式和物像关系公式测量出背景板200的X轴长度和Y轴长度，也即长度和宽度，然后再根据背景板200的长度等计算光学材料300的尺寸，确认相机100与背景板220的间距以及第一柱透镜1201、第二柱透镜1202、光学材料300的摆放位置，实际操作时，以适应不同尺寸的电荷耦合器件101的热透镜测量。

容易理解的是，本领域技术人员在本申请提供的几个实施例的基础上，可以对本申请的实施例进行结合、拆分、重组等得到其他实施例，这些实施例均没有超出本申请的保护范围。

以上的具体实施方式，对本申请实施例的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本申请实施例的具体实施方式而已，并不用于限定本申请实施例的保护范围，凡在本申请实施例的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请实施例的保护范围之内。