一种高低温锥光干涉测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量与检测领域，具体涉及一种高低温锥光干涉测量装置及方法。

背景技术

锥光干涉技术是指一束发散（或聚敛）的光通过置于偏振镜间的双折射晶体后，由于晶体的各向异性，沿不同方向入射的激光通过晶体后产生的相位延迟量以及本征偏振方向不同，进而导致偏振状态变化不一致，因此发散光通过此偏振系统后将会在光屏上形成干涉条纹，即锥光干涉图样。晶体的锥光干涉涉及晶体的双折射、光波偏振、光波干涉等性质，是了解晶体特性的直观、方便的方法，也是测量晶体各种特性参数的常用方法。利用锥光干涉图可以解释和研究晶体的很多光学性质，如判断晶体是单轴晶还是双轴晶，确定晶体的折射率椭球方位，判定光性符号，测量光轴角，检测晶体的光学均匀性等。对于一些双折射晶体，还同时存在电光效应、压电效应、弹光效应、热释电效应、折射率温度效应等，在外加电场、压力、温度等的影响下，晶体的双折射特性将发生变化，利用锥光干涉技术也可以对这些效应进行研究。另外，在许多光学应用中，利用锥光干涉图进行调试，可以将器件性能调节至最佳工作状态。

许多晶体光学器件在实际应用时往往要经历一个较宽的温度范围，特别是在军用领域，工作温度范围一般为-50℃~65℃。由于晶体存在的多种效应，温度变化将可能导致晶体性能的变化，进而导致器件性能的温度不稳定性。例如，采用铌酸锂晶体制备的电光调Q开关在军用脉冲固体激光器中有着至关重要的作用，但在实际应用中发现，铌酸锂电光调Q开关低温调Q性能较差，低温下会出现漏光、动态输出能量低等现象。根据电光调Q的原理，弄清楚低温下晶体双折射及其分布的变化情况，是探明低温性能下降的原因并进一步改善器件性能的关键。但是，目前关于晶体双折射温度效应的研究仅仅关注的是最大双折射率随温度的变化。对于晶体器件而言，在温度变化时，除了温度对双折射的直接影响外，晶体的各种效应也可能影响双折射，进而导致晶体内部各处双折射变化并不一致，因此，仅仅研究最大双折射率随温度的变化意义不大。如前所述，采用锥光干涉技术可以对晶体的双折射特性以及光学均匀性等参数进行研究，但是目前的锥光干涉测量都是在常温下进行的。现有的单独对晶体制冷的装置虽然通光窗口较多，但通光口径较小，而锥光干涉入射光为发散光，因此难以满足低温锥光测量需求，目前尚没有见到高低温锥光干涉测量的报道。

发明内容

本发明提出了一种高低温锥光干涉测量装置及方法，解决了目前锥光干涉测量只能在常温下进行的问题。

实现本发明的技术方案是：

一种高低温锥光干涉测量装置，包括可见光激光器和高低温试验箱，所述可见光激光器安装在五维精密调节架上，高低温试验箱内设有光学平板，光学平板上设有第一平面反射镜和第二平面反射镜，沿第二平面反射镜的反射光路依次同轴放置有起偏镜、毛玻璃、待测晶体和检偏镜，高低温试验箱外还设有透射光屏。

所述第一平面反射镜和第二平面反射镜均沿45°放置且方向互相垂直。可见光激光器发出的激光通过高低温试验箱的观察窗口后入射到第一平面反射镜上，经反射后入射到第二平面反射镜上，经第二反射镜反射后依次通过所述的同轴放置的起偏镜、毛玻璃、待测晶体、检偏镜，然后出射光束通过高低温试验箱的观察窗口后投射到透射光屏上。

所述起偏镜与检偏镜的透振方向相互垂直，毛玻璃散射程度合适，可使一部分激光直接透射，一部分激光形成散射光。

所述装置进行高低温锥光干涉测量的方法，包括以下步骤：

（a）首先在常温环境下调试好光路，利用五维精密调节架调节可见光激光器的俯仰，使激光沿水平方向传播；沿激光光路将第一平面反射镜、第二平面反射镜、起偏镜、毛玻璃、待测晶体和检偏镜依次安装在光学平板上，并在光路末端放置透射光屏；

（b）调节各元件的俯仰和位置，使激光入射到第一平面反射镜的中心后垂直反射到第二平面反射镜的中心，经反射后依次通过同轴放置的起偏镜、毛玻璃、待测晶体和检偏镜的中心，并在透射光屏上形成锥光干涉图样和透射光点，使透射光点位于锥光干涉图样的对称中心，调节完成后，固定光学平板上的各元件；

（c）将光学平板连同各元件放入高低温试验箱内，光路输入输出端靠近高低温试验箱的观察窗口，将可见光激光器安装在五维精密调节架上，放置在高低温试验箱的外部，激光通过观察窗口后入射到第一平面反射镜上；透射光屏放置在高低温试验箱外部并置于光路的末端；调节五维精密调节架，使透射光屏上形成锥光干涉图样和透射光点，且使透射光点位于锥光干涉图样的对称中心；利用五维精密调节架平移激光光路，测量待测晶体通光截面内不同区域的锥光干涉图样；

（d）开启高低温试验箱，设定温控程序，测量晶体在不同温度下、通光截面内不同区域的锥光干涉图样。

所述步骤（b）中调试光路时，应根据高低温试验箱观察窗口的大小设置第一平面反射镜和第二平面反射镜之间的距离，保证将光学平板连同各元件放入高低温试验箱后，入射激光和形成的锥光干涉图样不被遮挡。

本发明的有益效果是：本发明填补了高低温锥光干涉测量的空白，拓展了双折射晶体高低温性能的研究方法，测量结果能够直观反映晶体双折射特性及其光学均匀性等随温度的变化情况，有助于解释和研究晶体器件的高低温性能。通过采用散射程度合适的毛玻璃，同时形成了透射光点和干涉图样，利用透射光点作指示，使调试过程简单方便，测量结果直观。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种高低温锥光干涉测量装置示意图。

图2为本发明具体实施例中测得的锥光干涉图和透射光点位置，透射光点位于锥光干涉图样的对称中心。

图3为本发明具体实施例中测得的从室温以2℃/min的速率降至0℃并恒温0.5h后，铌酸锂晶体通光截面内不同区域的锥光干涉图样。

图4为本发明具体实施例中测得的从室温以2℃/min的速率升至60℃并恒温0.5h后，铌酸锂晶体通光截面内不同区域的锥光干涉图样。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种高低温锥光干涉测量装置，包括可见光激光器1和高低温试验箱11，所述可见光激光器1安装在五维精密调节架2上，高低温试验箱11内设有光学平板10，光学平板10上设有第一平面反射镜3和第二平面反射镜4，第一平面反射镜3和第二平面反射镜4均沿45°放置且方向互相垂直，沿第二平面反射镜4的反射光路依次同轴放置有起偏镜5、毛玻璃6、待测晶体7和检偏镜8，高低温试验箱11外还设有透射光屏9。

可见光激光器1发出的激光通过高低温试验箱10的观察窗口12后入射到第一平面反射镜3上，经反射后入射到第二平面反射镜4上，经第二平面反射镜4反射后依次通过同轴放置的起偏镜5、毛玻璃6、待测晶体7、检偏镜8，然后出射光束通过高低温试验箱10的观察窗口12后投射到透射光屏9上；起偏镜5与检偏镜8的透振方向垂直；毛玻璃6散射程度合适，可使一部分激光直接透射，一部分激光形成散射光。

本实施例中，采用的可见光激光器为波长532 nm的绿光激光器，待测晶体采用铌酸锂晶体，尺寸为9mm×9mm×9.4mm (X×Y×Z)，沿Z轴方向通光。

所述装置进行高低温锥光干涉测量的方法，包括以下步骤：

（a）首先在常温环境下调试好光路，利用五维精密调节架2调节可见光激光器1的俯仰，使激光沿水平方向传播；沿激光光路将第一平面反射镜3、第二平面反射镜4、起偏镜5、毛玻璃6、待测晶体7和检偏镜8依次安装在光学平板10上，并在光路末端放置透射光屏9；

（b）调节各元件的俯仰和位置，使激光入射到第一平面反射镜3的中心后垂直反射到第二平面反射镜4的中心，经反射后依次通过同轴放置的起偏镜5、毛玻璃6、待测晶体7和检偏镜8的中心，并在透射光屏9上形成锥光干涉图样和透射光点，使透射光点位于锥光干涉图样的对称中心；如图2所示，调试光路时，根据观察窗口12的大小设置第一、第二平面反射镜之间的距离，保证入射激光和形成的锥光干涉图样不会被遮挡；调节完成后，固定光学平板上的各元件；

（c）将光学平板10连同各元件放入高低温试验箱11内，光路输入输出端靠近高低温试验箱11的观察窗口12，将可见光激光器1安装在五维精密调节架2上，放置在高低温试验箱11的外部，激光通过观察窗口12后入射到第一平面反射镜3上；透射光屏9放置在高低温试验箱10外部并置于光路的末端；调节五维精密调节架2，使透射光屏9上形成锥光干涉图样和透射光点；且使透射光点位于锥光干涉图样的对称中心，此时激光垂直于铌酸锂晶体的端面入射；利用五维精密调节架2平移光路，测量铌酸锂晶体通光截面内不同区域的锥光干涉图样；

（d）开启高低温试验箱11，设定温控程序，测量铌酸锂晶体在不同温度下、通光截面内不同区域的锥光干涉图样。如图3为从室温以2℃/min的速率降至0℃并恒温0.5h后，铌酸锂晶体通光截面内不同区域的锥光干涉图样，图4为从室温以2℃/min的速率升至60℃并恒温0.5h后，铌酸锂晶体通光截面内不同区域的锥光干涉图样。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。