大口徑單軸晶體折射率均勻性測量裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬光學領域，涉及一種晶體折射率均勻性測量裝置及方法，尤其涉及一種 基于夏克-哈特曼波前傳感器實現大口徑單軸晶體折射率均勻性測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國神光III主機裝置的建設，大口徑單軸晶體在慣性約束聚變系統中作為頻 率轉換元件，對系統最終輸出能量起著至關重要的影響。尤其是大口徑KDP晶體，它是大功 率激光器中倍頻器件和電光開關的關鍵材料，其材料質量和元件加工質量都很大程度影響 裝置最終指標的實現。晶體在生長過程中的結構缺陷或內應力引起的光彈效應、晶體自身 重力、晶體表面形變、裝配感生應力及溫度變化都有可能導致晶體的折射率空間分布不均 勻。折射率的不均勻性將導致光束的空間分布存在不同程度的相位失配，從而引起三倍頻 系統的轉換效率下降。
[0003] 目前測量單軸晶體折射率均勻性方法主要采用正交偏振干涉測量（OPI)法，其工 作原理為大口徑激光干涉儀的輸出激光束經過偏振片變為線偏振光，調整偏振方向讓激光 束的偏振態分別平行于單軸晶體的O軸和e軸，得到兩幅干涉圖，通過這兩幅干涉圖的差值 得到單軸晶體的折射率分布不均勻性。此方法缺點為：1)依靠國外進口的大口徑干涉儀， 其價格昂貴，測量成本高；2)干涉儀輸出中心波長固定，無法實現實際工作波段下的單軸 晶體折射率均勻性測量；3)干涉儀輸出激光偏振態固定，不能實現正交偏振態的切換；4) 測量需在輸出激光的測試端口處放置偏振片，偏振態的消光比極大的影響了干涉條紋的對 比度；5)此方法無法扣除干涉儀相移器引入的傾斜變化對單軸晶體折射率均勻性測量引 入的誤差；6)此方法易受環境氣流擾動和振動的影響。
【發明內容】
[0004] 為了解決【背景技術】中存在的問題，本發明提出了一種大口徑單軸晶體折射率均勻 性測量裝置及其方法，該裝置及方法通過對待測大口徑單軸晶體二維掃描，實現大口徑單 軸晶體折射率均勻性測量；該方法為動態測量，不受波長限制，以及外界環境氣流和振動的 影響，并很好的保證測量精度。
[0005] 本發明采用的技術解決方案如下：
[0006] 本發明提供了一種大口徑單軸晶體折射率均勻性測量裝置，其特殊之處在于：所 述大口徑單軸晶體折射率均勻性測量裝置包括激光器、準直鏡、起偏器、待測大口徑單軸晶 體、半透半反鏡、會聚鏡、積分球功率計、縮束系統物鏡、縮束系統目鏡、夏克-哈特曼波前 傳感器以及計算機；所述準直鏡、起偏器以及半透半反鏡依次設置在激光器的出射光所在 光路上；所述半透半反鏡將入射至半透半反鏡的光進行反射以及透射并分別形成反射光 以及透射光；所述會聚鏡設置在反射光所在光路上并將反射光會聚至積分球功率計中；所 述縮束系統物鏡、縮束系統目鏡以及夏克-哈特曼波前傳感器依次設置在透射光所在光 路上；待測大口徑單軸晶體置于起偏器和半透半反鏡之間；所述計算機分別與積分球功率 計、夏克-哈特曼波前傳感器以及待測大口徑單軸晶體相連。
[0007] 上述大口徑單軸晶體折射率均勻性測量裝置還包括二維掃描機構，所述待測大口 徑單軸晶體固定在二維掃描機構上；所述計算機與二維掃描機構相連并通過二維掃描機構 帶動待測大口徑單軸晶體實現二維運動。
[0008] 上述大口徑單軸晶體折射率均勻性測量裝置還包括用于驅動起偏器旋轉的驅動 器；所述計算機與驅動器相連并通過驅動器帶動起偏器旋轉。
[0009] -種基于如上所述的大口徑單軸晶體折射率均勻性測量裝置的測量方法，其特征 在于：所述方法包括以下步驟：
[0010] 1)激光器輸出發散的圓偏振光，經準直鏡輸出準直圓偏振光，再通過起偏器起偏 為線偏振光；經過半透半反鏡進行反射以及透射并分別形成反射光以及透射光；反射光經 會聚鏡聚焦到監視積分球功率計的積分球內；透射光經縮束系統物鏡和縮束系統目鏡縮束 得到縮束光斑，縮束光斑由夏克-哈特曼波前傳感器接收，調節夏克-哈特曼波前傳感器的 方位和俯仰，并實時測量波前，當波前測量Zernike像差系數中的X，y方向傾斜像差系數小 于0. 01個波長時，認為夏克-哈特曼波前傳感器姿態已調整好，并將此波前測量結果存為 系統本底波前φ^χ，y);
[0011] 2)將待測大口徑單軸晶體置入起偏器和半透半反鏡之間；
[0012] 3)激光器輸出發散的圓偏振光，經準直鏡輸出準直圓偏振光，再通過起偏器起 偏為線偏振光，經過待測大口徑單軸晶體透射，經過半透半反鏡進行反射以及透射并分別 形成反射光以及透射光；反射光經會聚鏡聚焦到監視積分球功率計的積分球內，旋轉起偏 器，當功率測量值I ffia最大時，即得到線偏振光的偏振方向與待測大口徑單軸晶體內部〇 光方向相同；透射光經縮束系統物鏡和縮束系統目鏡縮束后得到縮束光斑，縮束光斑由夏 克-哈特曼波前傳感器接收；將夏克-哈特曼波前傳感器波前測量結果中的X，y方向傾斜 zernike像差系數置零，得到扣除傾斜像差的〇光波前為Oci(Xj);將其減去系統本底波前 φ。(X，y)，得到O光波前變化值φ。。(X，y);所述O光波前變化值體現晶體加工誤差和O光折 射率非均勻性；所述〇光波前變化值Φ%( χ，y)的表達式是：
[0013]
[0014] 其中：
[0015] 甩為待測大口徑單軸晶體〇光折射率標稱值；
[0016] δ d為待測大口徑單軸晶體厚度變化值；
[0017] 4)確保0光波前測量光路不動，控制起偏器旋轉90度，重復步驟3)，當監視積分 球功率計的功率測量值I ffia最大時，即確保了線偏振光的偏振方向與待測大口徑單軸晶體 內部e光方向相同；透射光經縮束系統物鏡和縮束系統目鏡縮束后得到縮束光斑，縮束光 斑由夏克-哈特曼波前傳感器接收；將夏克-哈特曼波前傳感器波前測量結果中的X，y方 向zernike像差系數置零，得到扣除傾斜像差的e光波前為吣(X，y);將其減去系統本底波 前 Φ<；(Χ，y)得到e光波前變化值y);所述e光波前變化值y)的表達式是：
[0018]
[0019] 其中：
[0020] 疙為待測大口徑單軸晶體e光折射率標稱值；
[0021 ] δ &為待測大口徑單軸晶體e光折射率變化值；
[0022] d為待測大口徑單軸晶體厚度標稱值；
[0023] 5)計算待測大口徑單軸晶體折射率均勻性：
[0024] e光波前相對〇光波前測量結果的變化值Δ Φ (X，y)為：
[0025]
[0026] 所述待測大口徑單軸晶體折射率均勻性為：
[0027]
[0028] 上述方法在步驟5)之后還包括：
[0029] 6)通過計算機控制二維掃描裝置使待測大口徑單軸晶體按固定步長沿兩維方向 平移，使測量光束相對掃描待測大口徑單軸晶體的全部通光口徑，從而得到待測大口徑單 軸晶體全口徑折射率均勻性分布。
[0030] 本發明的優點是：
[0031] 本發明提供了一種大口徑單軸晶體折射率均勻性測量裝置及方法，利用起偏器實 現〇光和e光的選擇，并有效的去除了環境背景雜散光的影響；利用會聚鏡和積分球功率 計，確保起偏器3起偏的線偏振光偏振方向與單軸晶體內部〇光或者e光方向相同；利用夏 克-哈特曼波前傳感器實現系統本底波前、〇光波前和e光波前的動態測量，再根據計算公 式得到單軸晶體折射率均勻性分布，其不受波前傾斜，外界環境氣流擾動和振動對測量結 果的影響；利用二維掃描機構實現對待測大口徑單軸晶體折射率均勻性二維分布測量；本 發明可根據實際單軸晶體工作波長選擇激光器，不受傳統方法波長限制，工作波段寬，該測 量裝置結構簡單、穩定性高、重復性好，測量結果置信度高。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發明所提供的大口徑單軸晶體折射率均勻性測量裝置的光路結構示意 圖；
[0033] 其中：
[0034] 1-激光器；2-準直鏡；3-起偏器；4-待測大□徑單軸晶體；5-半透半反鏡；6-會 聚鏡；7-積分球功率計；8-縮束系統物鏡；9-縮束系統目鏡；10-夏克-哈特曼波前傳感 器；1卜計算機；
【具體實施方式】
[0035] 如圖1所示，本發明提供了一種大口徑單軸晶體折射率均勻性測量裝置，該裝置 由激光器1、準直鏡2、起偏器3、待測大口徑單軸晶體4、半透半反鏡5、會聚鏡6、積分球功 率計7、縮束系統物鏡8、縮束系統目鏡9、夏克-哈特曼波前傳感器10和計算機11組成。 準直鏡、起偏器以及半透半反鏡依次設置在激光器的出射光所在光路上；半透半反鏡將入 射至半透半反鏡的光進行反射以及透射并分別形成反射光以及透射光；會聚鏡設置在反 射光所在光路上并將反射光會聚至積分球功率計中；縮束系統物鏡、縮束系統目鏡以及夏 克-哈特曼波前傳感器依次設置在透射光所在光路上；待測大口徑單軸晶體置于起偏器和 半透半反鏡之間；計算機分別與積分球功率計、夏克-哈特曼波前傳感器以及待測大口徑 單軸晶體相連。
[0036] 圖1中激光器1波長可根據實際單軸晶體使用波長定制；起偏器3可電動旋轉，將 激光器1輸出的圓偏振光起偏為線