MEMS扫描式激光外差干涉仪及其测量玻璃应力的方法

摘要

MEMS扫描式激光外差干涉仪及其测量玻璃应力的方法，涉及一种干涉仪及其测量玻璃应力的方法。为了解决玻璃应力的测量对于红外材料具有局限性问题。激光器发出的光经声光移频器后为频率为f的1级光和f'的0级光；1级光为信号光，0级光为本振光，1级光经过λ/2波片，进入偏振分束棱镜；再透过部件后，经MEMS振镜7对样品进行扫描后被反射镜反射按原光路返回；光束再次通过部件后，被偏振分束棱镜反射出水平分量，再与0级光拍频，通过改变部件与其入射光偏振方向分别为0°和45°，信号处理系统对探测器测得两个电流进行处理，得到样品的玻璃应力，所述部件为λ/4波片或45°方向加电极的克尔效应晶体。用于测量玻璃应力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种干涉仪及其测量玻璃应力的方法，特别涉及一种MEMS扫描式激光外 差干涉仪及其测量玻璃应力的方法。

背景技术

光学材料内存在应力时,加工好的光学元件表面会随时间而慢慢变形,严重影响成 像质量，大大减少了光学元件的寿命。应力分布不均匀还会引起光学均匀性质量降低,使 折射率分布不一致。这些都会使经过光学元件的波面发生变形,使像质变坏。所以应力的 大小是光学材料光学性能的重要指标之一，在高精度的光学元件如角锥棱镜、直角棱镜、 五角棱镜等的加工过程中，如果选择应力小的光学材料，可以大大提高光学元件的光学性 能和加工质量。控制应力是光学材料制备工艺中极其重要的一环，应用适当热处理来控制 应力的方法已成为技术人员所熟知。然而，如何准确测定光学材料应力仍是困扰广大光学 材料生产厂家的难题之一，传统的经验估计和简单粗略的测量方法已越来越不适应当今社 会对光学材料要求，因此研究更加合理，更加准确、快速、全面的对玻璃的应力进行测量 就显得尤为重要。本文就是想在研制红外干涉仪来对红外材料的均匀性进行测量的同时， 进一步研究红外干涉仪对应力进行测量的方法。

光学材料应力分布的测量一直是困扰研究者们的一个难题，虽然也有一些方法出现， 但效果都不理想，多是一些定性或半定性的测量。早期，许多国家都采用的是苏联提出的 八点法，或者是用偏光颜色粗略的估计双折射两束光的程差的方法。1966年F.W. Rosberry指出采用偏振光干涉图形确定材料的应力状态。1972年A.S.DeVany则更进一步 指出，采用Williams干涉仪可确定应力分布。后来又陆续有人提出了单1/4波片定量应 力测定法、双1/4波片定量应力测定法和巴比涅补偿器法等。进入21世纪以后，随着电 子信息技术的快速发展，国内外许多科学工作者又对这一难题展开研究。2001年Takenori  Kato提出计算机合成干涉色的方法。2002年Carole C.Montorou等提出基于色度学的光 程差测量法。2009年Jenq Shyong Chen和Yung Kuo Huang用偏振短相干干涉显微镜对 光学材料的应力进行了测量。

2004年提出基于移相法的光学玻璃应力等倾角全场数字化测量方法。2005年提出了 采用l/4波片法测试玻璃样品的应力，应力双折射光程差测量精度达0.2nm/cm，重复性 为0.1nm/cm。2008年提出了用干涉法测量了铝薄膜的轴向应力。2011年提出了基于白光 干涉色的光学材料应力定量测量的方法，应力测量精度达0.5nm/cm。

目前广泛使用的激光外差干涉仪基本都处于可见光波段，精密测量红外光学材料的参 数如光学厚度、内应力等，这一直是影响红外薄膜光学发展的科学难题之一。而且都是基 于CCD相机对投射光干涉图像进行成像的原理来测量的，由于CCD相机的价格和尺寸的限 制无法实现低成本和大口径的测量。总结起来主要存在着以下几方面的问题：

(1)工作波长都是采用可见光的波段激光或者白光，因此对于红外材料的测量就具有 局限性；

(2)对待测物的测量采用全视场的光束照射，对全视场进行成像来获取测量参数信息。

(3)光学材料应力分布的测量过程中，一直依靠人为或者机械旋转偏振片来进行椭圆 光的检测，控制困难，检测精度不高,。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前的玻璃应力的测量对于红外材料的测量具有局限性问 题，本发明提供一种MEMS扫描式激光外差干涉仪及其测量玻璃应力的方法。

本发明的MEMS扫描式激光外差干涉仪，它包括激光器、声光移频器、第一光纤耦合 器、λ/2波片、偏振分束棱镜、λ/4波片、MEMS振镜、F-θ透镜、反射镜、第二光纤耦 合器、光纤合束器、探测器和信号处理系统；

激光器发射的光束入射至声光移频器，经声光移频器后出射的光分别为频率f的1 级光和频率f'的0级光，频率f'的0级光入射至第一光纤耦合器，

经第一光纤耦合器耦合后的光束入射至λ/2波片，经λ/2波片透射的光束入射至偏 振分束棱镜，经偏振分束棱镜透射的光束入射至λ/4波片，经λ/4波片透射的光束入射 至MEMS振镜；

经MEMS振镜反射的光束入射至F-θ透镜，经F-θ透镜的光束入射至平面反射镜，经 平面反射镜的反射的光束沿入射光路返回并入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜反射的 光束入射至第二光纤耦合器，经第二光纤耦合器耦合后的光束和声光移频器后出射的频率 f的1级光均入射至光纤合束器，经光纤合束器整合后的光束入射至探测器，经探测器输 出的交变电流信号发送给信号处理系统。

应用上述干涉仪测量玻璃应力的方法，它包括如下步骤：

步骤一：将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F-θ透镜与平面反射 镜中间；

步骤二：在MEMS振镜扫描的一个周期内，进行如下步骤：

步骤1：调整MEMS扫描式激光外差干涉仪中的λ/4波片与其入射光偏振方向的夹角 为0°，探测器测得交变电流信号I₁；

步骤2：调整所述MEMS扫描式激光外差干涉仪中的λ/4波片与其入射光偏振方向的 夹角为45°，探测器测得交变电流信号I₂；

步骤三：信号处理系统将步骤1和步骤2获得的两个交变电流信号I₁和I₂进行处理， 得到被测玻璃样品的玻璃应力。

本发明还提供一种MEMS扫描式激光外差干涉仪，它包括激光器、声光移频器、第一 光纤耦合器、λ/2波片、偏振分束棱镜、MEMS振镜、F-θ透镜、反射镜、第二光纤耦合 器、光纤合束器、探测器、信号处理系统、克尔效应晶体和电极驱动电路；

经第一光纤耦合器耦合后的光束入射至λ/2波片，经λ/2波片透射的光束入射至偏 振分束棱镜，经偏振分束棱镜透射的光束入射至克尔效应晶体，经克尔效应晶体透射的光 束入射至MEMS振镜；

经MEMS振镜反射的光束入射至F-θ透镜，经F-θ透镜的光束入射至平面反射镜，经 平面反射镜的反射的光束沿入射光路返回并入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜反射的 光束入射至第二光纤耦合器，经第二光纤耦合器耦合后的光束和声光移频器后出射的频率 f的1级光均入射至光纤合束器，经光纤合束器整合后的光束入射至探测器，经探测器输 出的交变电流信号发送给信号处理系统；

电极驱动电路用于给克尔效应晶体施加电压使其沿指定方向产生双折射效应，所述指 定方向与克尔效应晶体入射光偏振方向之间的夹角为45°。

应用上述干涉仪测量玻璃应力的方法，它包括如下步骤：

步骤一：将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F-θ透镜与平面反射 镜中间；

步骤二：在MEMS振镜扫描的一个周期内，进行如下步骤：

步骤1：通过探测器测得交变电流信号I₁；

步骤2：驱动电极驱动电路，使克尔效应晶体产生双折射效应的o光和e光相位延迟 π/4，然后通过探测器测得交变电流信号I₂；

步骤三：信号处理系统将步骤1和步骤2获得的两个交变电流信号I₁和交变电流信号 I₂进行处理，得到被测玻璃样品的玻璃应力。

本发明还提供一种MEMS扫描式激光外差干涉仪，它包括激光器、声光移频器、第一 光纤耦合器、λ/2波片、偏振分束棱镜、MEMS振镜、F-θ透镜、反射镜、第二光纤耦合 器、光纤合束器、探测器、信号处理系统、“克尔”效应晶体和电极驱动电路；

经第一光纤耦合器耦合后的光束入射至λ/2波片，经λ/2波片透射的光束入射至偏 振分束棱镜，经偏振分束棱镜透射的光束入射至克尔效应晶体，经克尔效应晶体透射的光 束入射至MEMS振镜；

经MEMS振镜反射的光束入射至F-θ透镜，经F-θ透镜的光束入射至平面反射镜，经 平面反射镜的反射的光束沿入射光路返回并入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜反射的 光束入射至第二光纤耦合器，经第二光纤耦合器耦合后的光束和声光移频器后出射的频率 f的1级光均入射至光纤合束器，经光纤合束器整合后的光束入射至探测器，经探测器输 出的交变电流信号发送给信号处理系统；

电极驱动电路用于给克尔效应晶体施加电压使其沿指定方向产生双折射效应，所述指 定方向与克尔效应晶体入射光偏振方向之间的夹角为45°。

电极驱动电路的驱动信号周期与MEMS振镜扫描的周期相同，且电极驱动电路的驱动 信号周期内设置半个周期的延迟。

应用上述干涉仪测量玻璃应力的方法，它包括如下步骤：

步骤一：将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F-θ透镜与平面反射 镜中间；

步骤二：驱动电极驱动电路给克尔效应晶体施加电压信号，通过探测器连续两次测得 交变电流信号信号，分别获得I₁和I₂；所述两次测量的时间间隔大于电极驱动电路的驱动 信号的半个周期且小于1个周期；

步骤三：信号处理系统将步骤二获得的两个交变电流信号I₁和I₂进行处理，得到被测 玻璃样品的玻璃应力。

本发明的有益效果为：利用激光外差干涉系统来测量样品的玻璃应力分布时需进行至 少两次完整的系统测量。测量某一点的应力信息时，第一次需要获取λ/4波片与其入射 光偏振方向的夹角为0°时的测量信号，第二次需要获取λ/4波片与其入射光偏振方向的 夹角为45°时的测量信号，最后对这两次获取的信号进行处理就可以获得应力的方向和 大小的分布情况。本发明对红外材料的测量具有很好的效果，同时本发明还设置了驱动电 极驱动电路和克尔效应晶体控制两次测量时的时间间隔和精度，使测量玻璃应力时便于控 制。

附图说明

图1为本发明具体实施方式一所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪的光路原理示意图。

图2为本发明具体实施方式二所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪的光路原理示意图。

图3为本发明具体实施方式五所述的应用MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应力 方法的入射至偏振分束棱镜的椭圆偏振光的夹角θ的示意图，在二维坐标系中直线o表示 椭圆偏振光的o光，即玻璃应力主轴光分量，直线e表示椭圆偏振光的e光，即应力主轴 垂直方向光分量，y轴表示空间坐标的垂直方向，x轴为空间坐标的水平方向。

图4为本发明具体实施方式五所述的应用MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应力 方法的探测器测得的交变电流信号I₁的仿真波形图。

图5为本发明具体实施方式五所述的应用MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应力 方法的探测器测得的交变电流信号I₂的仿真波形图。

图6为本发明具体实施方式五所述的应用MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应力 方法的探测器测得的交变电流信号I₁和探测器测得的交变电流信号I₂的二维关系图。

图7为本发明具体实施方式五所述的应用MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃应力 方法的探测器测得的交变电流信号I₁和探测器测得的交变电流信号I₂的时空分布图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的MEMS扫描式激光外 差干涉仪，它包括激光器1、声光移频器2、第一光纤耦合器3、λ/2波片4、偏振分束 棱镜5、λ/4波片6、MEMS振镜7、F-θ透镜8、反射镜9、第二光纤耦合器10、光纤合 束器11、探测器12和信号处理系统13；

激光器1发射的光束入射至声光移频器2，经声光移频器2后出射的光分别为频率f 的1级光和频率f'的0级光，频率f'的0级光入射至第一光纤耦合器3，

经第一光纤耦合器3耦合后的光束入射至λ/2波片4，经λ/2波片4透射的光束入 射至偏振分束棱镜5，经偏振分束棱镜5透射的光束入射至λ/4波片6，经λ/4波片6 透射的光束入射至MEMS振镜7；

经MEMS振镜7反射的光束入射至F-θ透镜8，经F-θ透镜8的光束入射至平面反射 镜9，经平面反射镜9的反射的光束沿入射光路返回并入射至偏振分束棱镜5，经偏振分 束棱镜5反射的光束入射至第二光纤耦合器10，经第二光纤耦合器10耦合后的光束和声 光移频器2后出射的频率f的1级光均入射至光纤合束器11，经光纤合束器11整合后的 光束入射至探测器12，经探测器12输出的交变电流信号发送给信号处理系统13。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式还提供一种MEMS扫描式激 光外差干涉仪，它包括激光器1、声光移频器2、第一光纤耦合器3、λ/2波片4、偏振 分束棱镜5、MEMS振镜7、F-θ透镜8、反射镜9、第二光纤耦合器10、光纤合束器11、 探测器12、信号处理系统13、克尔效应晶体14和电极驱动电路15；

激光器1发射的光束入射至声光移频器2，经声光移频器2后出射的光分别为频率f 的1级光和频率f'的0级光，频率f'的0级光入射至第一光纤耦合器3，

经第一光纤耦合器3耦合后的光束入射至λ/2波片4，经λ/2波片4透射的光束入 射至偏振分束棱镜5，经偏振分束棱镜5透射的光束入射至克尔效应晶体14，经克尔效应 晶体14透射的光束入射至MEMS振镜7；

经MEMS振镜7反射的光束入射至F-θ透镜8，经F-θ透镜8的光束入射至平面反射 镜9，经平面反射镜9的反射的光束沿入射光路返回并入射至偏振分束棱镜5，经偏振分 束棱镜5反射的光束入射至第二光纤耦合器10，经第二光纤耦合器10耦合后的光束和声 光移频器2后出射的频率f的1级光均入射至光纤合束器11，经光纤合束器11整合后的 光束入射至探测器12，经探测器12输出的交变电流信号发送给信号处理系统13；

电极驱动电路15用于给克尔效应晶体施加电压使其沿指定方向产生双折射效应，所 述指定方向与克尔效应晶体14入射光偏振方向之间的夹角为45°。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的MEMS扫描式激光外差干涉 仪的进一步说明，电极驱动电路15的驱动信号周期与MEMS振镜7扫描的周期相同，且电 极驱动电路15的驱动信号周期内设置半个周期的延迟。

具体实施方式四：本实施方式所述的旋转体无线信号传输装置是对具体实施方式一、 二和三的进一步说明，所述激光器1发射的激光为红外激光。

具体实施方式五：应用具体实施方式一所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃 应力的方法，它包括如下步骤：

步骤一：将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F-θ透镜8与平面反 射镜9中间；

步骤二：在MEMS振镜7扫描的一个周期内，进行如下步骤：

步骤1：调整MEMS扫描式激光外差干涉仪中的λ/4波片6与其入射光偏振方向的夹 角为0°，探测器12测得交变电流信号I₁；

步骤2：调整所述MEMS扫描式激光外差干涉仪中的λ/4波片6与其入射光偏振方向 的夹角为45°，探测器12测得交变电流信号I₂；

步骤三：信号处理系统13将步骤1和步骤2获得的两个交变电流信号I₁和I₂进行处 理，得到被测玻璃样品的玻璃应力。

利用激光外差干涉系统来测量样品的应力分布时需进行至少两次完整的系统测量。测 量某一点的应力信息时，第一次需要获取λ/4波片与其入射光偏振方向成0°时的测量信 号，第二次需要获取λ/4波片与其入射光偏振方向成45°时的测量信号，最后对这两次 获取的信号进行处理就可以获得应力的方向和大小的分布情况。第一次测量时，由于λ/4 与光束偏振方向夹角为0°，光束穿过它不改变偏振状态。但是光束穿过样品时，由于样 品有应力存在会产生双折射效应，光束在样品测量点的应力主轴的平行和垂直方向的两个 分量会产生相位差反射回去的时候这个相位差加倍。于是反射回偏振分束棱镜的会 是一个椭圆偏振光，，设应力主轴与y轴的夹角为θ，如图3所示，应力主轴是o光方向则 偏振分束棱镜的反射光可表示为：

其中A为入射光的振幅；

设1级光的表达式为：

E₀＝Bcos(ft)

其中B为1级光的振幅；

则探测器得到交变电流信号：

其中Δf＝f′-f；

第二次测量时，由于λ/4与入射光束偏振方向夹角为45°，光束两次穿过它偏振方 向旋转了90°。这样我们第二次测得的就是相同的椭圆偏振光的与E₁垂直的另一个方向 的的分量，两次信号取样间隔小于MEMS扫描步长，保证两次是对同一个样品点的信号采 样：

同样探测器可得到交变电流：

对交变电流I₁和交变电流I₂进行处理，得到被测玻璃样品的玻璃应力的方法为本领 域技术人员常用方法，信号I₁的仿真结果如图4所示，信号I₂的仿真结果如图5所示；

它们满足如图6所示的二维和图7所示的时空分布；

对I₁和I₂进行信号处理，就可以得到和θ。

与应力满足下述关系：

则应力大小可以表示为：

其中K为应力光学常数,它是物性常数,仅与玻璃品种有关。P_y、P_x为样品测量点主 轴方向应力大小和垂直方向应力大小，λ为激光波长，L为样品厚度。

具体实施方式六：应用具体实施方式二所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃 应力的方法，它包括如下步骤：

步骤一：将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F-θ透镜8与平面反 射镜9中间；

步骤二：在MEMS振镜7扫描的一个周期内，进行如下步骤：

步骤1：通过探测器12测得交变电流信号I₁；

步骤2：驱动电极驱动电路15，使克尔效应晶体产生双折射效应的o光和e光相位延 迟π/4，然后通过探测器12测得交变电流信号I₂；

步骤三：信号处理系统13将步骤1和步骤2获得的两个交变电流信号I₁和交变电流 信号I₂进行处理，得到被测玻璃样品的玻璃应力。

具体实施方式七：应用具体实施方式三所述的MEMS扫描式激光外差干涉仪测量玻璃 应力的方法，它包括如下步骤：

步骤一：将被测样品放置在所述MEMS扫描式激光外差干涉仪的F-θ透镜8与平面反 射镜9中间；

步骤二：驱动电极驱动电路15给克尔效应晶体施加电压信号，通过探测器12连续两 次测得交变电流信号信号，分别获得I₁和I₂；所述两次测量的时间间隔大于电极驱动电路 15的驱动信号的半个周期且小于1个周期；

步骤三：信号处理系统13将步骤二获得的两个交变电流信号I₁和I₂进行处理，得到 被测玻璃样品的玻璃应力。

玻璃应力的测量过程中，现有装置一直依靠人为或者机械旋转偏振片来进行椭圆光的 检测，控制困难，检测精度不高，本实施方式通过设置驱动电极驱动电路15的驱动信号 周期，MEMS扫描式激光外差干涉仪自动测量MEMS扫描式激光外差干涉仪中的λ/4波片6 调整为与七入射光夹角为90°和MEMS扫描式激光外差干涉仪中的λ/4波片6调整为七入 射光夹角为45°的两组信号，易于控制同时也提高了测量精度。

测量两组数据的关键是λ/4波片的偏转角度的解决，我们设计用一个能产生克尔效 应的晶体来代替它，克尔晶体的45°方向加电极，不通电时没有双折射效应，相当于它 在0°工作，通电后产生双折射效应，并且使双折射两路光的相位差为π/4，即为成45 °的λ/4波片。电极驱动信号与MEMS振镜7的扫描周期保持一致，但又有半周期的延迟， 这样保证每扫到一个点可以取到0°和45°的两组信号。