1 浙江大学 光电科学与工程学院，浙江杭州3004
2 宁波永新光学股份有限公司，浙江宁波315040
3 中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西太原00051
为了实现对光学材料、光学元件的快速、高精度应力双折射测试评估分析，本文提出了一种基于双弹光级联差频调制的应力双折射二维分布测量方案。将两个工作在不同频率的弹光调制器级联，构成偏振测量装置。光学材料和元件的应力双折射延迟量和快轴方位角参数，被加载到偏振测量装置的调制信号中；采用数字锁相技术，提取调制信号的基频项和差频项，然后完成应力双折射延迟量和快轴方位角两个参数求解；按照原理分析，研制了测试系统，并完成了系统初始偏移值定标；采用波片进行了测量精度和重复性测试，并完成了BK7玻璃样品的应力双折射分布测量实验。实验结果表明，该系统的快轴测量重复性为0.01°，双折射延迟量测量重复性为0.02 nm，单数据点测量时间小于200 ms。本文方案实现了高速、高精度和高重复度的应力双折射测量，同时具备应力双折射二维分布测量能力，可为波片、玻璃或晶体等光学材料双折射测量分析和评估提供有效手段。
弹光调制 差频调制 应力双折射 延迟量 快轴方位角 photoelastic modulation difference frequency modulation stress birefringence retardance fast axis azimuth 光学 精密工程
2023, 31(18): 2647
1 中北大学电气与控制工程学院，山西 太原 030051
2 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西 太原 030051
针对光学材料、光学元件的快速、高精度应力测试评估需求，提出了一种基于双弹光级联差频调制的应力双折射测量方案。应力双折射延迟量和快轴方位角信息被加载到差频弹光调制信号中，运用数字锁相技术同时提取弹光调制的差频信号和基频信号，进一步求解出应力双折射延迟量和快轴方位角。对该新方案的原理进行了分析，并搭建了实验系统，对系统初始偏移值进行了实验定标。采用Soleil-Babinet补偿器完成了测量精度和重复性测试，并完成了施加应力样品的应力双折射测试。实验结果表明，该系统的延迟量测量精度为2.3%，延迟量测量重复性为0.032 nm，双折射测量重复性为0.17 nm/cm。此外，单数据点测量时间不超过200 ms。
测量 应用光学 弹光调制 应力双折射 延迟量
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
应力检测对光学元件的制造和使用意义重大。基于应力双折射原理，提出了一种利用偏振相机测量应力分布的方法。根据Stokes矩阵和Mueller矩阵推导出应力值及应力方向计算公式，并对影响系统测量精度的主要误差进行了理论分析。为验证方法的可行性，搭建了一台测量应力分布的装置。使用该装置测量一块633 nm的四分之一波片，测得其误差为0.86 nm。进一步测量，得出一块车灯透镜的全场应力相位延迟量与应力方向图，利用所测相位延迟量计算出透镜中心区域的应力双折射值为9.21 nm/mm、主应力差为2.45 MPa；利用符号规则调整了透镜的应力方向，结果符合应力连续性原则。该方法测量应力分布时无需旋动光学元件，可实现应力延迟量及应力方向的实时测量。
应力测量 应力双折射 偏振相机 Stokes矩阵 stress measurement stress birefringence polarized camera Stokes matrix 
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Materials for High Power Laser, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing100049, China
This paper investigates the monolithic edge-cladding process for the elliptical disk of N31-type Nd-doped phosphate laser glass, which will be utilized under liquid cooling conditions for high-power laser systems. The thermal stress, interface bubbles and residual reflectivity, which are due to high-temperature casting and bonding during the monolithic edge-cladding process, are simulated and determined. The applied mould is optimized to a rectangular cavity mould, and the casting temperature is optimized to 1000°C. The resulting lower bubble density makes the mean residual reflectivity as low as 6.75 × 10-5, which is enough to suppress the amplified spontaneous emission generated in the Nd-glass disk, and the resulting maximum optical retardation is converged to 10.2–13.3 nm/cm, which is a favourable base for fine annealing to achieve the stress specification of less than or equal to 5 nm/cm. After fine annealing at the optimized 520°C, the maximum optical retardation is as low as 4.8 nm/cm, and the minimum transmitted wavefront peak-to-valley value is 0.222 wavelength (632.8 nm). An N31 elliptical disk with the size of 194 mm × 102 mm × 40 mm can be successfully cladded by the optimized monolithic edge-cladding process, whose edge-cladded disk with the size of 200 mm × 108 mm × 40 mm can achieve laser gain one-third higher than that of an N21-type disk of the same size.
interface bubble monolithic edge-cladding process N31-type Nd-doped phosphate laser glass residual reflectivity stress birefringence High Power Laser Science and Engineering
2022, 10(2): 02000e14
1 上海大学机电工程与自动化学院, 上海 200444
2 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室, 上海 201800
提出一种深紫外波长条件下熔石英光学元件应力双折射的评估方法。该方法利用有限元仿真技术获取熔石英光学元件内若干截面的应力数据,结合三维插值拟合法、琼斯矩阵和路径积分方法计算光学元件引入的总相位延迟量和总方位角。在忽略样品平行度误差的情况下,所提方法对熔石英薄板样品在632.8 nm波长下相位延迟量和方位角的数值计算结果和实验结果基本一致,验证了所提方法的准确性和有效性。在此基础上,推导出相同载荷条件下,熔石英薄板在248 nm和193 nm波长下的应力双折射变化量,所得计算结果可用于分析光学元件内部应力双折射对光学系统偏振性能的影响。
物理光学 光刻机 应力双折射 熔石英 有限元 相位延迟量 方位角 光学学报
2021, 41(12): 1226001
1 秦皇岛本征晶体科技有限公司, 秦皇岛 066000
2 哈尔滨工业大学化工与化学学院, 哈尔滨 150006
氟化钙(CaF2)晶体是一种性能优良的光学晶体材料。本研究用坩埚下降法生长了8英寸(20.32 cm)氟化钙单晶, 晶体外观完整, 无开裂及散射等宏观缺陷。定向切割后得到40 mm×6 mm的透明圆柱形晶体毛坯, 对毛坯样品进行二次退火处理后进行研磨抛光得到最终样品。对该系列样品进行紫外可见透过率、光学均匀性、应力双折射等测试。结果显示在200 nm波长处晶体透过率达到90%, 平均应力双折射小于0.5 nm/cm, 光学均匀性达到2.63×10-6。
氟化钙晶体 坩埚下降法 晶体退火 透过率 光学均匀性 应力双折射 CaF2 crystal Bridgman method crystal annealing transmittance optical homogeneity stress birefringence
1 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
2 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海 200050
氟化钙(CaF2)晶体具有紫外透过率高(＞99%@193 nm)、抗激光损伤阈值高等特点, 在高功率紫外激光器、深紫外光刻机等领域具有广泛的应用。应力双折射是氟化钙晶体在实际应用中的关键性能指标, 会导致通过晶体的光束发生形变, 严重影响成像质量。采用坩埚下降法制备了尺寸为210 mm的氟化钙晶体, 系统研究了CaF2晶体的位错和小角度晶界以及结晶质量对晶体应力双折射的影响, 实验结果表明, 位错密度的增高、小角度晶界的聚集、结晶质量的变差, 会引起局部残余应力的集中, 加剧应力双折射现象。
氟化钙 位错 小角度晶界 结晶质量 应力双折射 CaF2 dislocation small angle grain boundary crystal quality stress birefringence
1 南通大学 机械工程学院, 南通 226019
2 清华大学 精密仪器系 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
为了快速准确地测量半钢化玻璃的应力双折射大小, 实时监测产品质量, 结合半经典理论与三镜腔理论模型, 研究了基于激光回馈效应的半钢化玻璃应力双折射自动测量技术。测量装置由精密光学元件及运动平台组合搭建, 由偏振光低电平的占空比自动判断样品主应力方向, 测量效率较高; 采用降低输入电压变化梯度的方法, 将输出电压控制在较小的范围内波动, 提高了压电陶瓷位移稳定性。结果表明, 样品应力双折射的大小由调谐曲线上一个偏振跳变周期内偏振跳变点的位置决定, 多次测量的最大偏差为6.1nm/cm, 标准差低于2.0nm/cm。该技术具有测量周期短、精度高且重复性好等特点, 适用于实际生产中。
激光技术 正交偏振 半钢化玻璃 应力双折射 laser technique orthogonal polarization heat strengthened glass stress birefringence
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
2 西安北方捷瑞光电科技有限公司, 陕西 西安 710111
采用有限元分析法,分析棱镜式激光陀螺在光胶区存在划痕条件下及在变温过程中,光胶表面残余应力的产生和放大情况。以熔融石英材料介电张量随应力的变化为出发点,分析应力与陀螺测量值之间的关系。分析结果表明:光胶区划痕产生的应力将在数倍划痕宽度的区域内产生影响,应力造成激光陀螺内振荡光频率分裂及偏振态改变,陀螺闭锁阈值升高,进而影响陀螺的测试精度和工作稳定性。通过陀螺变温测试实验,检测地球自转角速度的天向分量,利用合光光斑形貌和精度曲线稳定性验证理论研究的正确性。
激光光学 激光陀螺 残余应力 应力双折射 光胶 中国激光
2019, 46(10): 1001005
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院红外探测与成像技术重点试验室, 上海 200083
理论分析了石英材料内应力对数字太阳敏感器精度的影响机理,对石英样片进行了应力双折射测试,将不同的石英样片装在数字太阳敏感器单机上进行了全视场测试,给出了控制石英材料应力等级的措施。研究结果表明,只有局部内应力集中的石英样片才会产生干扰光斑,这与理论分析结果相吻合。
材料 数字太阳敏感器 局部内应力 应力双折射 精度 激光与光电子学进展
2018, 55(6): 061601
