CN111693545B - 一种用于板条测试的复合结构阵列探头及光纤白光干涉装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于板条测试的复合结构阵列探头及光纤白光干涉装置，复合结构阵列探头由4×4排列的测量探头，和中央部分对准探头阵列构成，其中对准探头阵列包括，发射子探头，和反射光斑的接收探头阵列，且前端配有自聚焦透镜阵列进行光路准直。并匹配该复合结构排列的阵列探头提出一种新型板条检测装置包括光源，1×2耦合器一，光开关，复合阵列探头，待测板条，位移调节架，用于对准检测的探测器阵列，软件驱动，2×2耦合器二，法拉第旋镜，延迟线结构，干涉信号探测模块，装置中光学元件由单模光纤连接，软件驱动部分通过电路连接，进行控制和接收信号。可以实现对板条弱反射区域的高精度超大动态范围检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于板条测试的复合结构阵列探头及光纤白光干涉装置，属于激光板条晶体的质量检测装置研发领域。
背景技术
激光板条晶体是构成固体激光器的三大要素之一，即增益介质的一种，通常指掺杂的YAG板条晶体。随着超高功率固体激光器的需求增加，尤其是在国防军事领域中的重要地位，对于激光板条晶体的质量要求越来越高，对于板条质量的检测必不可少。针对板条晶体微缺陷的现有检测技术主要围绕几项重要的检测参数作为研究对象，包括：表面解理条纹和开裂、板条晶体中的位错和孪晶以及包裹物、板条晶体中的应力、板条的整体通光均匀性。针对前两者的晶体本征参数，通常采用的检测方法是各类图像化的显微观察法。针对板条晶体中应力和通光均匀性等间接参数，刘荣荣等人[中国激光,2017(03):176-181.]通过应力测试仪和透射波前畸变的方法进行了相关质量检测，这也是现在最普遍的检测手段。综合现有的针对板条晶体的检测方法和测量装置，仍然具有很大的不足，尤其缺少一种对板条晶体内部或键合界面处缺陷精确定位测量，且能够定量化反映的技术方法和测量装置。
光纤白光干涉技术(或称为低相干光干涉技术)起源于部分相干光理论，作为一种测量技术，其优势主要在于能够对准静态参数实现绝对测量，不受光学传递函数的周期性影响，可实现大动态范围的测量，因为极强的抗干扰能力而被广泛应用。本发明创新性提出将光纤白光干涉技术应用于激光板条的质量检测领域的同时，改进开发出一种用于板条测试的新型装置。其中一个主要问题就是传统光纤白光干涉装置受限于光纤探头的测试效率问题，但是相比现有的大光束测量激光板条，点光束光斑测试方法又具有独一无二的优势，因此，白光干涉测试装置的改进重点和难点在于探头部分的改进设计。
光纤探头阵列的相关研究，伴随着光纤传感技术和光纤光学测量技术的发展而日趋成熟，目前应用光纤探头阵列的主要测量对象包括：燃烧场[CN201710170612.9[P].2017-08-18]、位移量[Sensors and Actuators A:Physical,2007,136(2):580-587.]、结冰状况[光纤阵列式结冰探测系统的研究[D].华中科技大学,2013.]、有毒气体情况[传感技术学报,2002(01):30-34.]、溶液粒子散射[Applied optics,1996,35(34):6775-6780.]、发动机叶片[仪器仪表学报,2018,039(011):180-187.]、球体表明缺陷[钢球表面缺陷的多光纤检测方法研究[D].济南大学,2014.]、以及生物医学检测[Applied optics,2007,46(34):8291-8297.]。其中探头的排列方式包括线性排列、绕单根光纤的环形排列、方形排列、“十”字交叉排列，具有待测物空间位置的矢量定位、增大探测范围面积或提高接收光强等功能。本发明创新性提出一种环形分布和矩阵排列组合的复合结构阵列探头，兼具定位对准和增大探测范围的两种功能。并将该结构探头阵列应用于板条测量，提出一种改进的阵列探头式光纤白光干涉装置。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种用于板条测试的复合结构阵列探头及光纤白光干涉装置，针对激光板条晶体质量检测需求，提出新型复合结构排列的阵列探头，解决传统阵列探头功能单一的问题，并改进板条测试的光纤白光干涉装置，通过环形对准阵列和方形测量阵列相结合，配合光开关和阵列探测，实现板条测试中自动对准调试，提高板条截面方向扫描测试效率，同时减少机械扫描位移误差。
本发明的目的是这样实现的：一种用于板条测试的复合结构阵列探头，包括位于同一平面内的对准阵列部分和测量阵列部分，且对准阵列部分设置在中心位置，测量阵列部分是由测量探头41组成的方形阵列，对准阵列部分包括位于阵列中心的发射子探头42、以发射子探头为中心向外发散的环形分布的接收光探头阵列43。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述方形阵列为4×4阵列。
2.光纤白光干涉装置，包括光源1、耦合器一2、光开关3、复合结构阵列探头4、待测板条5、位移调节架6、探测器阵列7、软件驱动8、耦合器二9、法拉第旋镜10、延迟线结构11和干涉信号探测模块12；测量探头和发射子探头均与光开关连接，接受光阵列中的探头与探测器阵列对应连接。
3.光源1中的光信号通过耦合器一2进入光开关3，光开关与测量探头和发射子探头相连接，控制光信号首先进入发射子探头，经待测板条反射，回射光斑位置将位于对准阵列部分的环形分布的接收光探头阵列所在的区域，回射光斑进入光纤束，并被探测器阵列7检测，经矢量探测定位，转化为反射光斑的位置信息，并反馈回计算机，进而计算机通过软件驱动控制位移调节架6，调整待测板条5相对探头的空间位置，使光斑能够沿原通道探头返回；在复合结构阵列探头实现待测板条5的对准后，切换光开关3，使得干涉测量光路与方形阵列中测量探头连接，进行面扫描测试；光信号经过待测晶体回射进入原通道探头，然后再经过光开关3和耦合器一2，通过耦合器一2的剩余一端进入干涉光路部分，需经过耦合器二9分束成两臂，其中一臂光经过延迟线结构11返回，另一臂光经过法拉第旋镜10返回，两臂反射光再次通过耦合器二9实现干涉，并经过耦合器二9的剩余一端进入光电探测模块12。
4.光源1采用宽谱白光光源，其中心波长参数取决于待测晶体板条的吸收谱。
5.光纤耦合器一2采用1:1分配1×2耦合器结构或光纤环形器。
6.光开关3采用微电子机械光开关，光纤作为输入和输出端口材料介质，机械微镜作为反射镜，配合微电子静电力控制驱动，实现1×17光开关功能。
7.位移调节架6是高精度电动位移台，通过计算机软件驱动8控制在各维度做定量化移动或偏转；延迟线结构11是计算机驱动控制高精度扫描移动的反射透镜组，实时精准定位延迟扫描位移光程，与光电探测模块12的实时采集干涉强度信息相匹配，共同得到光程差逐渐增大过程干涉强度的采集记录。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.创新性提出一种复合结构排列的阵列探头，整合了光路对准和阵列式测量的两种功能于一体，也即具有光路对准和阵列式测量的两种功能，2.匹配该结构探头，提出一种新型板条质量检测装置，尤其涉及到对准探头的阵列探测器检测，能够对回射光进行有效定位，进而便于板条把持结构的自动调整，具体是通过对准探头的阵列探测器检测，对回射光斑有效定位，反馈给计算机控制板条把持结构的自动调整；3.阵列探头中4×4排布的用于测量的阵列探头提高了板条测试的截面扫描效率，相比单探头，极大减少测量过程的机械移动，有效避免机械误差；4.阵列探头式光纤白光干涉的测量系统，可以实现对板条的高精度超大动态范围检测。
附图说明
图1是复合结构排列的阵列探头示意图；
图2是阵列探头式光纤白光干涉装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明属于激光板条晶体的质量检测装置研发领域，涉及一种配有阵列探头的光纤白光干涉测量装置，尤其创新性提出一种复合结构排列的阵列探头。光纤阵列探头如图1，由4×4排列的测量探头41，和中央部分对准探头阵列构成，其中对准探头阵列包括，发射子探头42，和反射光斑的接收探头阵列43，且前端配有自聚焦透镜阵列进行光路准直。
匹配该复合结构排列的阵列探头提出一种新型板条检测装置，如图2，包括光源1，耦合器一2，光开关3，复合阵列探头4，待测板条5，位移调节架6，用于对准检测的探测器阵列7，软件驱动8，耦合器二9，法拉第旋镜10，延迟线结构11，干涉信号探测模块12，装置中光学元件由单模光纤连接，软件驱动部分通过电路连接，进行控制和接收信号。复合结构阵列探头中，包括对准阵列部分和方形测量阵列部分，对准阵列部分包括中间发射外围环形相邻分布的接收光探头构成，其中发射探头与光开关3相连接，接收探头阵列与探测器阵列7对应连接，对准阵列探头部分位于整个探头阵列的中心，其余则为测量用的方形阵列探头，且发射与接收为相同通道，均通过光开关3与干涉光路相连接。探头阵列的所有探头均位于同一平面内，光纤端面为探头，且自聚焦透镜阵列位于光纤端面前端，准直光束并接收回射光。
光源1中的光信号通过1×2耦合器2进入1×17光开关3，光开关与阵列探头中对准部分的中心子探头连接，还与4×4测量阵列部分的子探头分别相连接，控制光信号首先进入对准部分的中心子探头，经板条反射，回射光斑位置将位于对准部分的环形接收阵列区域，回射光斑进入光纤束，并被探测器阵列7检测，经矢量探测定位，转化为反射光斑的位置信息，并反馈回计算机，进而计算机通过软件驱动控制位移调节架6，调整待测板条5相对探头的空间位置，使光斑能够沿原通道探头返回。
通过阵列探头实现待测板条5的对准后，切换光开关3，使得干涉测量光路与探头阵列中的4×4测量阵列分别相连接，进行面扫描测试。光信号经过待测晶体回射进入原通道探头，然后再经过光开关3和耦合器一2，通过耦合器一2的剩余一端进入干涉光路部分，需经过耦合器二9 50:50分束成两臂，其中一臂光经过延迟线结构11返回，另一臂光经过法拉第旋镜10返回，两臂反射光再次通过耦合器二9实现干涉，并经过耦合器二9的剩余一端进入光电探测模块12。
光源1采用的是宽谱白光光源，其中心波长参数取决于待测晶体板条的吸收谱；光纤耦合器一2采用1:1分配1×2耦合器结构，也可以被光纤环形器替代；光开关3采用微电子机械光开关，光纤作为输入和输出端口材料介质，机械微镜作为反射镜，配合微电子静电力控制驱动，实现1×17光开关功能；位移调节架6是高精度电动位移台，通过计算机软件驱动8控制在各维度做定量化移动或偏转；延迟线结构11主要是计算机驱动控制高精度扫描移动的反射透镜组，可以实时精准定位延迟扫描位移光程，与光电探测模块12的实时采集干涉强度信息相匹配，共同得到光程差逐渐增大过程干涉强度的采集记录。
鉴于光源含有光隔离结构，光路中没有展示出光纤隔离器；且各类光纤器件均包含光纤，因此装置组成中没有展示出链接光路用的普通单模光纤。
鉴于激光板条质量检测需求，板条的测试主要是在静态非泵浦工作条件下进行，检测对象包括单一结构的激光板条和键合结构的晶体板条，且并未进行模块化封装，板条具体的检测参数以板条晶体内部微缺陷和键合界面缺陷为主。
本发明的激光板条的形状主要是长方体结构，尺寸最大可达120mm×90mm×50mm，对于激光板条晶体的检测采用光斑式检测，单个光斑的大小取决于探头阵列中光纤前端的自聚焦透镜参数，通常可达100微米至200微米。
光斑式的检测手段，配合光纤白光干涉仪中扫描延迟线结构的高精度光程扫描，可以实现对激光板条晶体深度方向的各点检测，精确定位截面上某一点的深度方向上任意一个位置的反射光信号。
鉴于小尺寸光斑检测的优势和大尺寸板条检测需求，本专利提出采用方形阵列配合光开关进行扫描测试的阵列探头装置，能够有效提高截面方向各个位置扫描测试的检测效率，如果按照传统的三维位移台机械控制的单探头移动方案，实现激光板条面扫描必然要带来很大的机械误差问题，而探头阵列的应用优势则恰好能解决这个难题。
使用多组完全一致的光纤探头，配合前端自聚焦透镜，组成均匀分布的光纤探头阵列，极大地减少了位移控制结构的机械位移，可以有效减少机械误差。考虑激光板条实际形状尺寸以及对应目标参数的检测需求，本发明采用4×4正方形排列的探头阵列结构，且位于同一横截面内。
对于探头阵列与光纤白光干涉仪的匹配问题，本发明尤其涉及到光开关的有效应用，光开关采用1×17的结构，实现分束并控制开关，实时控制探头阵列中任意一个子探头的测量使用。
阵列探头结构同时包含环形对准阵列，对准阵列的中心反射光纤探头与光开关相连接，用于板条的扫描测试开始之前的位置对准。经过中心探头发射至板条并回射到探头阵列，反射光斑会落在环形接收阵列区域，经过光纤束传送到探测器阵列，被矢量定位探测，然后转化成电信号再反馈回板条把持结构的位移调节架，调整板条平面相对于探头阵列平面的空间位置，当调整至反射光斑按照原通道返回探头时，完成对准调试。
对准调试的主要目的是，为了使得4×4方形阵列探头的光信号，能够经板条反射回原通道出射子探头，便于方形分布的测量探头阵列完成高效的截面扫描测试。
后端光纤白光干涉系统采用迈克尔逊干涉仪结构，经过50：50分光的2×2光纤耦合器，将板条反射的光信号分光、反射、并干涉，最后被光电探测模块接收。通过延迟线结构的扫描，有效采集板条中各个位置的反射情况，通过反射情况即可得到板条中微缺陷信息。
探头阵列即为光纤端面阵列排布，前端带有自聚焦透镜阵列对光路进行准直汇聚，阵列的截面排列包括两种形式阵列组成的复合结构阵列，一种是位于中央区域的对准探头阵列，采用中间一个探头发射，周围环形分布的两层接收反射光斑的探头阵列，这些接收探头阵列分别与探测器阵列对应相连接，用于矢量定位探测。
探测器阵列的检测信息通过电路传递给计算机，计算机处理后再通过软件驱动，控制待测板条的把持位移调节架，这样就通过探头阵列中的对准阵列部分，实现了探头平面与待测板条平面的自动对准调整，提升对准精度的同时降低了人为操作难度。
复合结构的阵列探头中另一部分就是测量用的4×4方形排列探头，每一个子探头都与光开关相连接，经过光开关切换，分别接入光纤白光干涉光路进行测量。16个子探头中的每一个都与其余子探头相互独立互不干扰，且每个光纤探头前端还配有自聚焦透镜，这样构成了4×4排列、均匀分布、位于同一平面的光纤探头阵列。从光纤出射的光信号经过自聚焦透镜的准直，光束的空间分布仍然会有一定波动，但是探头的排列布局要严格保证各个子光束不会相互交叉影响。
4×4分布的方形阵列探头可以有效节省探头在截面方向上扫描的机械位移，最大可节省截面方向上x轴或y轴的4倍机械位移量。在对板条界面方向的扫描测试过程中，这样的探头阵列分布还可以实现对应的校准分析，即通过16个探头分别与待测板条之间光程距离的变化，真实反映测量过程中的其他因素引起的误差。
光纤白光干涉装置，采用光纤光路的干涉仪结构，光源是超荧光二极管宽谱白光光源，其连续稳定性较好，中心波长的选取需要根据待测激光板条而定，最常用的中心波长是1310nm和1550nm两种，对于各类掺杂YAG晶体基本足以有效避开吸收谱峰，对于特殊的激光板条晶体，可以针对性地选取特殊波长的宽谱白光光源。需要注意的是光源的选取要与光电探测模块相一致，才能保证干涉光强的正确采集。
光源出射光直接进入1×2的光纤耦合器，此处也可以使用光纤环形器来代替，使得白光光源信号能够顺利出射至待测结构并回收到光纤干涉仪部分。由于光源内部含有隔离器结构，所以这一部分的光路没有再单独使用光纤隔离器。
其中光开关为1×17结构，具有分离与合并光路和控制光信号走向的作用，使光源光信号能够顺利抵达对应的探头阵列中的某个单探头。其工作时能够保证与相应的17个支路中任意支路连接，光开关类型选用微电子机械式，包含硅基衬底、光纤输入端、静电力驱动的微镜开关等部分。
受光开关控制，光源的光信号经光开关控制进入测量用的16个支路其中一个分支，然后进入对应的子探头，经自聚焦透镜准直进入待测激光板条，在激光板条内部缺陷或键合面缺陷处微弱反射，沿原通道回射进光纤探头，再次经过光开关后回射到1×2光纤耦合器。
经过1×2光纤耦合器回射的光信号，包含了待测激光板条的测量信息，这个连续的光信号进入干涉仪结构中的2×2光纤耦合器，此耦合器是50:50分束比的光纤耦合器，将入射进来的光信号等分成完全一致的两路，形成光纤干涉仪的两臂。
光纤干涉仪的两臂光信号，其中一臂，称为固定臂，经过法拉第旋镜直接反射，返回再次经过2×2光纤耦合器。而另一臂，称为扫描臂，光信号经过扫描延迟线结构中反射棱镜组反射，同样返回，再次经过2×2光纤耦合器。其中反射棱镜组受高精度步进电机控制移动，其位移量可以通过计算机软件控制有效量化。
两臂反射光信号再次经过耦合器后，合并干涉，并从耦合器剩余一端出射，进入光电探测模块，被光电探测器实时采集，得到对应的干涉光强。其中采集卡的实时记录与延迟线结构的扫描光程保持高度一致，确保得到对应扫描位置的干涉光强。
Claims (6)
1.一种用于板条测试的复合结构阵列探头，其特征在于：包括位于同一平面内的对准阵列部分和测量阵列部分，且对准阵列部分设置在中心位置，测量阵列部分是由测量探头(41)组成的方形阵列，对准阵列部分包括位于阵列中心的发射子探头(42)、以发射子探头为中心向外发散的环形分布的接收光探头阵列(43)；包括光源(1)、耦合器一(2)、光开关(3)、复合结构阵列探头(4)、待测板条(5)、位移调节架(6)、探测器阵列(7)、软件驱动(8)、耦合器二(9)、法拉第旋镜(10)、延迟线结构(11)和干涉信号探测模块(12)；测量探头和发射子探头均与光开关连接，接受光阵列中的探头与探测器阵列对应连接；光源(1)中的光信号通过耦合器一(2)进入光开关(3)，光开关与测量探头和发射子探头相连接，控制光信号首先进入发射子探头，经待测板条反射，回射光斑位置将位于对准阵列部分的环形分布的接收光探头阵列所在的区域，回射光斑进入光纤束，并被探测器阵列(7)检测，经矢量探测定位，转化为反射光斑的位置信息，并反馈回计算机，进而计算机通过软件驱动控制位移调节架(6)，调整待测板条(5)相对探头的空间位置，使光斑能够沿发射子探头返回；在复合结构阵列探头实现待测板条(5)的对准后，切换光开关(3)，使得干涉测量光路与方形阵列中测量探头连接，进行面扫描测试；光信号经过待测晶体回射进入测量探头，然后再经过光开关(3)和耦合器一(2)，通过耦合器一(2)的剩余一端进入干涉光路部分，需经过耦合器二(9)分束成两臂，其中一臂光经过延迟线结构(11)返回，另一臂光经过法拉第旋镜(10)返回，两臂反射光再次通过耦合器二(9)实现干涉，并经过耦合器二(9)的剩余一端进入光电探测模块(12)
2.根据权利要求1所述的一种用于板条测试的复合结构阵列探头，其特征在于：所述方形阵列为4×4阵列。
3.根据权利要求1或2所述的一种光纤白光干涉装置，其特征在于：光源(1)采用宽谱白光光源，其中心波长参数取决于待测晶体板条的吸收谱。
4.根据权利要求3所述的一种光纤白光干涉装置，其特征在于：光纤耦合器一(2)采用1:1分配1×2耦合器结构或光纤环形器。
5.根据权利要求4所述的一种光纤白光干涉装置，其特征在于：光开关(3)采用微电子机械光开关，光纤作为输入和输出端口材料介质，机械微镜作为反射镜，配合微电子静电力控制驱动，实现1×17光开关功能。
6.根据权利要求5所述的一种光纤白光干涉装置，其特征在于：位移调节架(6)是高精度电动位移台，通过计算机软件驱动(8)控制在各维度做定量化移动或偏转；延迟线结构(11)是计算机驱动控制高精度扫描移动的反射透镜组，实时精准定位延迟扫描位移光程，与光电探测模块(12)的实时采集干涉强度信息相匹配，共同得到光程差逐渐增大过程干涉强度的采集记录。
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