專(zhuān)利名稱(chēng)：材料損壞的測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種關(guān)于測(cè)量材料損壞的測(cè)量?jī)x，主要適用于透明材料，特別是光學(xué)玻璃材料的微小損壞的測(cè)量。
在激光領(lǐng)域中，透明光學(xué)元件材料(如光學(xué)玻璃等)的微小損壞測(cè)量，一直是人們關(guān)心的問(wèn)題。在先技術(shù)中，於海武等人在文章“光學(xué)玻璃材料破壞測(cè)量”(光學(xué)學(xué)報(bào)，1996，Vol.16，No.111646-1649)中，提供了一種光學(xué)玻璃材料破壞的測(cè)量?jī)x器，其結(jié)構(gòu)對(duì)于待測(cè)材料幾乎是左右對(duì)稱(chēng)的，如圖1所示。氦氖激光器1發(fā)出的相干光經(jīng)過(guò)第一個(gè)偏振片2變成線偏振光后，被第一個(gè)偏振棱鏡3將其一分為二，兩束光經(jīng)過(guò)第一個(gè)凸透鏡4后變成平行光，一束通過(guò)待測(cè)材料5的完好部分，另一束通過(guò)待測(cè)材料5的微小損壞點(diǎn)6，這兩束分別攜帶了待測(cè)材料的破壞程度和完好程度信息的光被第二個(gè)凸透鏡7會(huì)聚于第二個(gè)偏振棱鏡8中，第二個(gè)偏振棱鏡8將它們合二為一進(jìn)行干涉。干涉圖樣經(jīng)第二個(gè)偏振片9濾去非偏振雜散光，再經(jīng)顯微物鏡10放大后，最后用CCD攝象機(jī)11進(jìn)行接收。從干涉條紋的彎曲程度可以觀測(cè)出待測(cè)材料的破壞程度。
上述在先技術(shù)測(cè)量?jī)x器的結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是①整個(gè)儀器光路太長(zhǎng)，放置時(shí)受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地空間大小的限制。②大多數(shù)光學(xué)元件對(duì)于待測(cè)材料是左右對(duì)稱(chēng)的，以待測(cè)材料5為中心分成左右兩側(cè)的的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，造成成對(duì)加工太浪費(fèi)，成本高，尤其是對(duì)于昂貴的偏振棱鏡。兩個(gè)相同的元件在加工制做時(shí)不可能做的完全一樣，加工時(shí)必然會(huì)有誤差影響測(cè)量精度。③因?yàn)槭菍?duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，左右對(duì)稱(chēng)元件的位置角度稍有偏差就偏離了光路。裝調(diào)過(guò)程復(fù)雜，要協(xié)調(diào)的元件多。例如，第一個(gè)偏振棱鏡的功能是將光束一分為二，第二個(gè)偏振棱鏡的功能是將光束合二為一，偏振棱鏡的分束角很小，如果調(diào)整時(shí)稍不精確，第一個(gè)偏振棱鏡所分開(kāi)的兩束光就不能被第二個(gè)偏振棱鏡重新合并成一束光進(jìn)行干涉，以致沒(méi)有干涉信號(hào)輸出。
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)在先技術(shù)中光學(xué)元件重復(fù)、光路長(zhǎng)、難調(diào)整、成本高的缺點(diǎn)，提供一種優(yōu)化的往返式光路設(shè)置，使整個(gè)測(cè)量?jī)x更為緊湊，降低成本，簡(jiǎn)化調(diào)整過(guò)程，提高測(cè)量精度。
本實(shí)用新型材料損壞的測(cè)量?jī)x，如圖2所示，包括外殼16內(nèi)置有的激光器1，在外殼16內(nèi)沿著由激光器1發(fā)射光束G0前進(jìn)的方向上，與激光器1同光軸OO地依次置有擴(kuò)束鏡12，偏振片2、偏振棱鏡3、凸透鏡4以及供置放含有損壞點(diǎn)6的待測(cè)材料5的調(diào)整架15。光路的端點(diǎn)處置有全反向鏡14。發(fā)射光束G0穿過(guò)含有損壞點(diǎn)6的待測(cè)材料5后射到在光路端點(diǎn)處的全反射鏡14上被反射后沿原光路返回。在擴(kuò)束鏡12與偏振片2之間的光路上置有反射面與激光器1的光軸OO成α角的半反半透鏡13，其中α角的角度為0°＜α＜90°。在半反半透鏡13相對(duì)偏振片2的反射面所反射的反射光束Gf的方向上置有顯示觀測(cè)器件17。
所說(shuō)的激光器1是半導(dǎo)體激光器，或者是固體激光器，或者是氣體激光器，或者是染料激光器。
所說(shuō)的顯示觀測(cè)器件17是顯微鏡，可以從顯微鏡中直接觀測(cè)到干涉光信號(hào)，或是攝象機(jī)，可以將干涉光信號(hào)攝錄下來(lái)，或者是探測(cè)元件將干涉光信號(hào)變成電信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理顯示。
本實(shí)用新型的測(cè)量?jī)x用激光器1發(fā)出的相干性較強(qiáng)的激光束G0作為測(cè)量透明材料微小損壞的探測(cè)光，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡12擴(kuò)束后，通過(guò)半反半透鏡13后被偏振片2變成線偏振光，偏振棱鏡3將光束一分為二，兩束光經(jīng)過(guò)凸透鏡4后變?yōu)槠叫泄?。其中一束通過(guò)待測(cè)材料5的完好部分，另一束通過(guò)待測(cè)材料5中的損壞點(diǎn)6，兩束光被全反射鏡14反射并沿原光路返回，再次經(jīng)過(guò)待測(cè)材料5，凸透鏡4將兩光束會(huì)聚到偏振棱鏡3中，這次偏振棱鏡3的功能是將兩光束合二為一進(jìn)行干涉，形成的干涉圖由半反半透鏡13反射到顯示觀測(cè)器件17中進(jìn)行觀測(cè)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是光路簡(jiǎn)單緊湊，易于調(diào)整，使用方便，降低成本的同時(shí)提高了測(cè)量精度。如圖2所示，本實(shí)用新型中用了一個(gè)全反射鏡14使光線能順原路返回，使同一個(gè)器件被重復(fù)利用兩次，而每次實(shí)現(xiàn)的功能相反。例如，偏振片2既可使相干光變成偏振光又可濾掉非偏振雜散光；偏振棱鏡3的功能既將光束一分為二，又將光束合二為一；凸透鏡4使會(huì)聚光發(fā)散成平行光，又使平行光會(huì)聚起來(lái)。上述在先技術(shù)中，相反功能的實(shí)現(xiàn)是用成對(duì)的元件分別實(shí)現(xiàn)的，而本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)使在先技術(shù)中成對(duì)出現(xiàn)的元件只須單個(gè)即可，去掉了重復(fù)的元件，從而提高了元件的利用率，用更少的元件達(dá)到了更好的效果。更有意義的是全反射鏡14的反射作用使探測(cè)光G0來(lái)回兩次通過(guò)待測(cè)材料5(在先技術(shù)中探測(cè)光只通過(guò)待測(cè)材料一次)，累積加倍了兩束干涉光通過(guò)材料完好部分與損壞點(diǎn)6后的光程差。對(duì)同一損壞程度，本實(shí)用新型的光程差為在先技術(shù)的兩倍。這樣就提高了探測(cè)精度，使干涉圖樣更加明顯，易于觀測(cè)。若顯示觀測(cè)元件17選用普通光學(xué)顯微鏡，則本實(shí)用新型即成為一種新型的干涉顯微鏡。干涉顯微鏡顯然要比普通的光學(xué)顯微鏡具有更高的分辨率，能觀察透明材料的極其微小的損壞。


圖1為在先技術(shù)測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2為本實(shí)用新型材料損壞的測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中觀測(cè)到的干涉圖樣示意圖。
實(shí)施例應(yīng)用如圖2所示的結(jié)構(gòu)。為了使整臺(tái)儀器小型化，選用小巧的半導(dǎo)體激光器作為探測(cè)光源的激光器1。半反半透鏡13的反射面與光軸OO成夾角α=45°置放。偏振片2和用烏拉斯頓棱鏡做的偏振棱鏡3均安裝在可做到俯仰和旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的光學(xué)調(diào)整架上，以便使它們的光軸同光軸OO。烏拉斯頓棱鏡是用冰洲石加工的一對(duì)小偏振棱鏡膠合而成，每小塊偏振棱鏡的劈角為11°，兩塊偏振棱鏡膠合后的厚度為8mm。待測(cè)材料5為光學(xué)玻璃材料放在凸透鏡4與全反射鏡14之間，用夾具固定于調(diào)整架15上。凸透鏡4的焦距f=60mm，口徑為25mm。顯示觀測(cè)器件17采用普通光學(xué)顯微鏡。整臺(tái)儀器用外殼16密封起來(lái)，防止灰塵和雜散光的進(jìn)入，影響觀測(cè)效果。因?yàn)榧す鈱?duì)人眼有害，在觀察時(shí)最好戴上激光防護(hù)鏡。
圖3為實(shí)施例所觀測(cè)到的干涉圖樣示意圖。干涉條紋Tw為干涉圖樣中彎曲程度最大的條紋，通過(guò)測(cè)量它彎曲的矢高h(yuǎn)可以計(jì)算出損壞點(diǎn)6的大小Φ。計(jì)算公式為Φ=hλ/mdΔn，式中λ為激光器1所發(fā)射光束G0的波長(zhǎng)，m為干涉光通過(guò)待測(cè)材料5的次數(shù)，d為相鄰干涉條紋的間距，Δn為材料的完好部分與損壞點(diǎn)6的折射率之差。由上式可得h=mΦdΔn/λ，干涉條紋的彎曲程度h正比于m。對(duì)本實(shí)用新型來(lái)說(shuō)，干涉光來(lái)回兩次通過(guò)待測(cè)材料5，m=2；對(duì)在先技術(shù)，干涉光只通過(guò)待測(cè)材料5一次，m=1。因此，對(duì)同樣的損壞點(diǎn)6大小Φ，本實(shí)用新型所觀測(cè)到的干涉圖樣中條紋的彎曲程度h為在先技術(shù)的兩倍。這樣就提高了測(cè)量精度，也易于觀測(cè)和計(jì)算。
權(quán)利要求1．一種材料損壞的測(cè)量?jī)x，包括<1>外殼(16)內(nèi)置有的激光器(1)，在外殼(16)內(nèi)，沿著激光器(1)發(fā)射光束(G0)前進(jìn)的方向上，與激光器(1)同光軸(OO)地依次置有偏振片(2)、偏振棱鏡(3)、凸透鏡(4)以及供置放含有損壞點(diǎn)(6)的待測(cè)材料(5)的調(diào)整架(15)；其特征在于<2>在光路的端點(diǎn)處置有反射鏡(14)；<3>在激光器(1)與偏振片(2)之間的光路上，與激光器(1)同光軸(OO)地置有擴(kuò)束鏡(12)；<4>在擴(kuò)束鏡(12)與偏振片(2)之間的光路上置有反射面與激光器(1)的光軸(OO)成α角的半反半透鏡(13)，其中α角的角度為0°＜α＜90°；<5>在半反半透鏡(13)相對(duì)偏振片(2)的反射面所反射的反射光束(Gf)的方向上置有顯示觀測(cè)器件(17)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料損壞的測(cè)量?jī)x，其特征在于所說(shuō)的激光器(1)是半導(dǎo)體激光器，或者是固體激光器，或者是氣體激光器，或者是染料激光器。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料損壞的測(cè)量?jī)x，其特征在于所說(shuō)的顯示觀測(cè)器件(17)是顯微鏡，或者是攝象機(jī)，或者是探測(cè)元件。
專(zhuān)利摘要一種材料損壞的測(cè)量?jī)x,它包括在外殼內(nèi),沿著激光器發(fā)射光束前進(jìn)的方向上,同光軸地依次置有擴(kuò)束鏡,反射面與光軸成α角置放的半反半透鏡、偏振片、偏振棱鏡、凸透鏡以及供置放含有損壞點(diǎn)的待測(cè)材料的調(diào)整架。發(fā)射光束穿過(guò)含有損壞點(diǎn)的待測(cè)材料后射到在光路端點(diǎn)處的全反射鏡上被反射后沿原光路返回。在半反半透鏡反射光束的方向上置有顯示觀測(cè)器件。具有光路簡(jiǎn)單緊湊、易于調(diào)整、使用方便、成本低、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。主要適用于透明材料。
文檔編號(hào)G01N21/88GK2433619SQ0021867
公開(kāi)日2001年6月6日 申請(qǐng)日期2000年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月3日
發(fā)明者朱鵬飛, 孟紹賢 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所