为光学元素压力测量技术的研究进展

文摘

具有重要意义准确的测量残余应力分布为光学元素和评估其影响在光学成像性能的光学仪器,航空遥感、半导体制造、等领域。光学元素可以密切相关的应力双折射基于光测弹性学。因此,量化双折射的方法获得的压力成为压力测量技术的主要方法光元素。本文首先介绍了基于光弹应力测量的基本原理。压力测量技术的研究进展,综述了基于这一原则,可以分为两种方法:极化法和干涉法。与此同时,各种压力测量技术的优缺点进行了分析和比较。最后,为光学元素压力测量技术的发展趋势进行了总结和展望。

1。介绍

残余应力是一个重要因素影响光学精密测量和成像系统的性能。它可能发生在形成的过程中,退火、抛光、涂料、光学和机械装配元素。残余应力将会带来一些不利影响光学元素,如光学基片表面变形和电影,折射率改变玻璃透镜1),机械裂纹,和强度损伤(2,3),从而影响他们的光学特性和成像质量。因此,精确测量和控制具有重要意义上的应力分布,减少不利影响系统设计的进步,制造、使用光学元素。此外,压力的精确测量和控制也可以贡献偏振控制(4),新的光学元素设计和制造等。5]。

很难确定理论上的应力的大小和方向,因为它的复杂原因和伟大的随机性。在实践中,实验方法常用于测量压力(6等),x射线衍射(XRD)方法(7)和石质的曲率法(8]。最近,随着光电技术的发展,越来越多的光学元件测量和控制的要求。光学玻璃,包括液晶显示器(9)、汽车窗口(10),和超级大望远镜(11),越来越多的大规模测量的需求。对高功率激光系统12),有必要进行高精度压力测量,防止玻璃材料强度破坏。例如,钕玻璃是高功率激光器的增益介质,它要求延迟低于15海里。另一个例子是残余应力双折射在高质量的石英和氟化钙,在数量级0.1到1 nm /厘米。因此,大规模、高效率和高精度已成为当前压力测量技术的主要发展趋势。

残余应力是金属元素的意外失败的一个重要原因,陶瓷冠,光元素,和复杂的几何结构13- - - - - -16),但很难测量和预测。通常有两种类型的破坏性试验和残余应力无损检测方法来评估和操作安全。破坏应力测量方法显然不适合残余应力的检测和估计。相反,光学无损检测(NDT)近年来吸引了越来越多的关注,主要是由于其高精度和高灵敏度无损成像的优点。目前,主要包括光纤光学无损检测技术,电子散斑、红外测温术、内镜和太赫兹技术(17- - - - - -21),提供有效的工具,用于无损检测的表面或内部的光元素。此外,光元素的研究的压力测量由测量光程差或相位差会打开一个新的光学无损检测方向,拥有伟大的光学无损检测领域的应用价值。

根据光弹性应力的存在会导致折射率的变化,然后诱导双折射的光元素。因此,应力双折射密切相关。量化的双折射计算压力已成为光学压力测量的主要方法元素。有两种压力测量方法基于光学双折射:极化法和干涉法。这两个方法都是基于光学路径的分析样品的两个双折射方向之间的区别。每种方法都有各自的优势和劣势,所以选择了根据准确性结合应用场景的需求。根据上面的分类,本文在以下问题。首先,基于光弹应力测量的原理。接下来,压力测量方法的最新研究进展综述了光元素,每个方法的关键技术进行了分析和影响测量精度的主要因素进行了较为详细的试验研究。最后,我们做一个对比这些方法做一个总结和给未来的前景,为进一步的研究提供一些参考光学测量压力的元素。

2。根据光弹性应力测量原理

光测弹性学也称为应力双折射效应。光学各向同性材料的应力会导致结构变形,导致当地的密度差沿轴和折射率的变化。因此,时,将发生双折射光束穿过这些材料。根据飞机stress-optic法律[22),在平面上垂直于光传播方向,压力和折射率之间的关系可以描述如下: 在哪里和非凡的折射率沿折射方向是光和普通光,分别和分别代表了第一和第二主应力K材料的光弹性系数。当线性偏振光垂直地事件样本的厚度d,光矢量可以解决两个平面上垂直于传播方向,沿着振动和垂直于主应力的方向。根据双折射效应,我们得到两个线性偏振的光程差Δ灯通过样例:

压力与光程差之间的关系可以从方程(1)和(2):

压力也可以形容 在哪里的相位差,双折射延迟Δ/d(nm /厘米)指的是光路延迟(nm)经过一个样本有一定厚度(cm)。结果显示从方程(3)和(4)双折射延迟主应力差成正比。因此,压力可以根据计算光的光程差和相位差元素通过实验,结合样品厚度和光弹性系数。因此,压力测量的光元素可以由测量光程差,相位差或双折射延迟当光弹性系数是未知的。残余应力的方向可以表示方位角度。

3所示。压力测量方法基于偏振分析

极化分析方法来确定元素的双折射通过测量光束偏振状态的变化通过媒介。偏振状态的变化表达和琼斯矩阵或穆勒矩阵计算。入射光和出射光的光元素测量偏振调制的光学设备,计算得到的应力场是光的偏振测试。近年来,数字光测弹性学(PD)方法,光弹调制器的方法,激光多普勒振动计方法,其他方法基于偏振的原理分析已经越来越发达。

3.1。数字光测弹性学

光测弹性学方法是一种有效的实验分析方法来研究应力分布。根据光弹性材料的双折射效应,该方法来源于stress-optic法律,它得到细致的等色线代表主应力差和等倾线代表通过偏振光场的主应力方向,提供细致的应力结构的信息。数字光弹性方法是基于光测弹性学自动压力测量技术,增加与计算机视频和图像处理技术的发展。与传统的光弹性方法相比,数字光弹性方法可以精确测量低级压力和双折射发育迟缓。

2017年,长谷川等人进行了细硅酸盐玻璃基于数字光弹性实验方法(23]。他们解释了应力场引起的雕刻轮压痕在高速下的相位差分布偏振相机。剩余相位差的分布以及裂纹扩展的重大变化是观察到负载30 kPa,以此确定样品是否形态学改变。实验表明,表面形态过渡区是在良好的协议与相位差的过渡区。激光加工的光学材料已广泛应用于波导,综合元素,衍射光学元件,和其他制造业领域,但大量的残余应力将被释放时,激光辐射材料降温。同年,Doualle等人之间的光程差测量两个波阵面时用不同的偏振轴通过波前传感器,这是放置在图像平面的偏光显微镜(24]。实验配置,如图1。他们还模拟了双折射分布的石英有限公司后由于残余应力₂激光治疗的热力学模型。残余应力测量的实验和仿真结果熔融石英处理激光如图2。在实验中,计算双折射分布激光辐照后如图2(一个)。光路延迟测量的测量精度和双折射缺陷达到1和2 nm /厘米,分别。测量精度是有限的波前传感器的敏感性实验配置。基于热力学模型,双折射是集成在样品厚度模拟压力诱导双折射分布的石英样品在冷却到环境温度,如图2 (b)。实验结果与模拟一致量化结果,证实该方法可以量化压力诱导双折射与高空间分辨率,并对激光加工过程优化具有一定的意义。

2020年,储备等人发现内部压力的数字光弹性方法(25]。他们获得的钠钙玻璃的内部应力分布(S9224)激光切割过程中通过观察双折射延迟在裂纹尖端高速偏振相机。此外,热应力计算根据平面应力模型(26]。证实了此方法的有效性,由于匹配的测量结果和数值结果。数字光弹性测量原理的示意图如图3。在这个实验中,发光二极管光源波长为520 nm。舞台上的玻璃是固定的,平行于x - y平面。高速偏振相机沿着法线方向放置的玻璃样品。圆偏振光通过一个偏振镜和四分之一波长板集中在玻璃。激光扫描沿轴;与此同时,样品沿着x轴通过电动舞台。四个偏振器与不同的偏振轴设置在相机获取的图像在每个极化轴。事实上,双折射发育迟缓和方位角观测图像,通过偏振相机,和测量和计算的结果在图所示4。残留双折射是接近轴对称,有轻微区别双折射实验结果和数值结果的缺陷,这是由于激光点在实验的变形过程。通过极化方位角测量相机实验基于光弹性理论分析表明应力方向。的方位角度,保持激光点的径向方向,表明两个主应力的方向之一。和实验结果椭圆区域图4(c)旋转90°是依照计算结果图4(d)。

Pallicity等人的残余双折射分布测量平凸透镜的P量SK57™玻璃通过数字光弹性方法(27]。此外,轴向应力的变化的玻璃是由有限元模拟的方法。剩余双折射分布和不同的两种方法如图所示5。残余应力的差异是由于透镜的冷却速度不均匀样本。光路延迟的测量精度和双折射发育迟缓是2和4 nm /厘米,分别计算和压力测量的准确性184 kPa根据光弹性系数P量SK57™2.17×10 TPa的玻璃⁻¹。残余应力的方向是基于理论解决方案模型,和细致的残余P-SK57透镜的双折射分布与六步相移测量技术。

3.2。光弹调制器的方法

一个光弹调制器(PEM)是一种基于光弹调制相位调制装置。事实上,当压电材料是由电压、周期性的机械力将被应用到光学各向同性材料。因此,周期性双折射发生在光学材料、调制光学缺陷(28]。一般来说,光弹调制器的高峰延迟调整π/ 2或π,这是作为一个变量四分之一波长板或半波板。光弹调制器是一种基于光弹调制偏振调制技术。因为它的性能优良的高灵敏度和高速度测量低双折射光学材料,该技术适用于生化分析等领域。

典型的PEM双折射测量系统是由汉德斯乐器。1999年,一个PEM系统(29日]。光路的敏感性差异振幅比0.005 nm,虽然快轴角的敏感性小于1°。然后,测量低级残余双折射特定应用程序的高质量的光学组件,双PEM系统设计(30.]。光程差灵敏度为0.005 nm和相位延迟的敏感性5×10⁻⁵rad(0.003°)获得通过使用氦氖激光波长为632.8 nm在这个系统。熔融石英样品中残余应力的精度可以达到0.223 kPa,根据样品的厚度及其光弹性系数。PEM的应力双折射的测量原理如图6(一)。测量精度提高了结合锁定放大器光弹调制器。首先,从激光源发出的光束首先变成了偏振光通过偏振器。接下来,光由光弹调制器调制和事件样本。然后,光线通过偏振器,光电探测器等。最后,通过连续测量和数据分析的两个信号通道由计算机、缺陷振幅和快轴角。系统的抗干扰能力增强,因为光信号由光弹调制器调制并提取PEM的系统。双PEM系统的应力双折射的测量原理如图6 (b),有两个用不同频率调节器。小缺陷双到聚合物系统具有较高的精度。一些高质量的光元素的残余阻滞水平通常在0.1 - 1 nm /厘米。因此,双PEM系统可以满足高精度测量缺陷的需要高质量的光学组件,比如镜头空白光掩模衬底,将确定的机械质量超级望远镜。

虽然PEM系统测量低级缺陷的优势,它遇到的测量上限由于计算方法在测量大的缺陷。因此,如何扩大测量范围的PEM系统是一个需要关注的问题。为了扩大测量范围,有两种可行的方法:一个是提高函数计算缺陷,缺陷的范围扩展到半波长;另一种是使用一个与多个波长光源。2015年,Achyut等人进行了压力测量实验基于光弹调制的原理31日]。透明的应力双折射光和样品的大小测量150毫米×150毫米×250毫米。光学路径延迟范围是0 - 316 nm。20种微型板块的均匀性是评价通过比较双折射延迟值和标准偏差。系统的属性高灵敏度和高速度测量低双折射样本,和压力测量的误差在0.3%以内。

3.3。激光多普勒振动计方法

激光多普勒振动计(LDV)方法是基于激光多普勒效应。当动态存在双折射,造成的动态应力弹性波会导致局部折射率的变化,这将导致光路的长度变化,造成多普勒频移(32]。因此,通过检测多普勒频移,我们可以检测动态弹性波和动态压力测量。

2014年,马尔金等人提出了一个高度敏感,无触点,量化为弹性波和动态应变测量方法基于激光多普勒振动计(33]。机械激发试验在亚克力杆摄入10 kHz的频率。验证该方法的有效性通过有限元分析,内部压力低至1×10⁻¹¹,压力测量精度是0.036。的动态传播纵波是可视化和量化。激励频率的20 kHz,纵波的时间演化在整个扫描区域如图7。

LDV的方法是只对动态应力敏感;它没有对静态压力的反应。因此,该方法独立于样品的残余应力。此外,LDV高灵敏度的优点和直觉,被用作工具观察超声纵波在透明固体应力场。然而,只有纵波是观察到的,因为未极化的LDV发出的激光束,剪切波并不是直接用这种方法检测到。针对这项技术的限制,左等人在2020年改善了这种情况通过添加一个可旋转的线性偏振镜LDV发出的激光光束转换为不同的线性偏振状态,实现测量横波(34]。他们获得了光弹性系数2.7 TPa的K9玻璃⁻¹过程中测量纵波,因此计算二维动态应力场在K9玻璃。实验结果与有限元分析相一致。测量的原理图如图设置8。

4所示。压力测量方法基于干扰

激光干涉法是在1967年发明的,非接触的优点,范围大,精度高;它被广泛应用于生化试验、生产控制、航空航天、和许多其他领域。激光干涉仪的测量原理描述如下。首先,参考光和探测是激光产生的来源。然后,一个干扰信号生成基于光干涉的原则。接下来,信息从干扰信号测量是由检波器解调。因此,速度、位移、压力、表面形态、和其他信息对象的确定需要根据频率的不同,相位延迟,或者光程差的干扰信号。大约有50年的发展,外差干涉法、移相干涉测量,激光自混合干涉干涉法、激光反馈干涉,腔衰荡法,和其他技术已经出现,已被应用于许多领域由于其优势。

4.1。激光自混合干涉干涉法

激光自混合干涉干涉法(LSI)仍然留下了这样的印象:它是有害的系统发现早期。自1980年代以来,它已经逐渐成为一个非侵入式测量技术。对光反馈自混合干涉是指激光器的双折射的测量过程增加激光腔的频率不同,与此同时,维护单纵模,从而测量样本放在外腔的双折射。和外腔的双折射是直接通过输出的相位差调谐曲线的自混合干涉干涉系统。这种方法有一个简单的系统的特点,成本低、测量范围宽。

2018年,妞妞等人进行了一个实验的钕玻璃18×20×14.5毫米大小³通过使用一个大型激光自混合干涉干涉频率差异(LFDSI)系统和双折射仪35]。实验装置的原理图LFDSI系统图所示9。光程差的测量精度为0.01 nm,以及光程差的测量范围是0 - 72 nm BI。光程差误差是0.22 - -0.53 nm,和双折射的测量精度是LFDSMI 0.152 nm /厘米。不增加系统成本和算法复杂性,双折射的测量的工作范围是很大的提高,达到1.76 - 315.04 nm (1°-179°)。这个系统具有较高的测量灵敏度,钕玻璃的实际应用需求是完全满意。

此外,为了提高对光反馈自混合干涉测量的准确性,研究人员已经开始注意相位解调的重要性,提出了时域相干解调(36),正交解调(37),傅里叶分析38),和其他算法解调位移和振动信息。

4.2。激光反馈干涉法

激光反馈干涉法(LFI)指的现象,当激光输出进入反复激光腔,强度调制。激光强度调制引起的可移动的外部镜产生的类似传统光学干涉仪(39]。当反馈镜子移动距离的激光波长的一半,边缘会产生。与传统的激光干涉仪相比,激光反馈干涉不需要额外的光元素。对光反馈自混合干涉仪都使用激光反馈干涉和激光反射的外表面。他们之间的区别就是发生干涉;是外腔的激光反馈干涉,虽然相对来说激光自混合干涉干涉仪。1995年,第一个激光反馈干涉是由他发明的et al。40),通过单个干扰测量物体的位移测量通道,根据反射的激光二极管测量表面。实验结果是在良好的协议与基本理论,并对激光反馈干涉引起了广泛关注。之后,在激光反馈干涉研究的数量快速增长,和该技术的应用已经覆盖了很多方面,如速度测量、位移传感、振动测量,直到现在很多方面41]。

2017年,妞妞等人开发了一种基于反射激光的应力双折射的测量系统的反馈(RLF)效应42),通过监测得到的应力是偏振状态,双折射光功率调制。石英玻璃在挤压应力由RLF测试系统和双折射希德仪器测量仪。这两种方法的实验结果是一致的,与光程差和双折射的测量精度是1.9 nm和19 nm /厘米,分别。此外,大面积的样本将被测量在任何位置通过调整位置的铝薄膜用作反馈镜子。因此,该系统具有结构简单、低成本的优势,有望应用于大面积透明样品的测量。RLF的双折射的测量系统的原理图如图10。

4.3。腔衰荡法

腔衰荡法是一种双折射干涉,超级反射率的双折射是由测量跳动的频率。同时,应力双折射测量技术基于腔衰荡法具有较高的灵敏度和动态范围。腔衰荡法对于底物是非常有用的退火工艺优化和涂层应力估算由于其高灵敏度和映射能力残余应力测量。

例如,在2016年,弗莱等人进行了应力与腔衰荡法测量实验43]。在这个实验中,镜子的双折射是直接测量双镜法布里-珀罗腔的反射系数为99.99%,通过观察TEM的拍频₀₀模式的过程中,腔衰荡。实验结果的敏感性10⁻⁸和超过10的动态范围³获得,也证实了腔衰荡法具有较高的精度和动态范围大三个数量级以上。

2018年,肖等人测量残余应力双折射的熔融石英衬底使用偏振腔衰荡技术和相位延迟的重复精度获得2.38×10⁻⁶rad [44]。重复精度的光程差为2.4×10⁻⁴对应的波长633 nm,空间分辨率为0.01毫米。压力计算精度34 Pa,根据stress-optic法律和石英玻璃的光弹性系数的文学,这是3.5 TPa⁻¹(45]。压力结果基本上是一致的,衡量商业应力双折射的测量仪器。双折射的原理图与腔衰荡技术测量装置如图11。

肖等人也用PEM的方法来测量光程差(门诊部当)的熔融石英衬底样本,结果显示在图12。发现PEM方法8×10的敏感性⁻³纳米,而腔衰荡法的2.4×10⁻⁴nm。样品的最大应力双折射是0.09海里。测量的敏感性两种方法基本上是一致的;它们之间的细微差别主要是造成的位置偏差和探测光束的大小不同的两个方法。

5。讨论

根据测量原理,压力测量光学元素的主要方法包括两类:一是基于偏振分析,包括数字光弹性、光弹调制器的方法,和激光多普勒振动计方法;另一种是基于干扰,包括激光自混合干涉干涉方法,激光反馈干涉法,和腔衰荡法。本文基于平面应力模型的理论分析,主要对二维平面应力。基于双折射的测量光弹性原理,残余应力差异表达的主要压力。主应力差可以根据双折射延迟计算的前提下获取光弹性系数。在光弹性系数未知的情况下,残余应力双折射所表达的是迟钝Δ/d(nm /厘米)。我们比较双折射的测量精度迟钝或压力测量精度的方法。它们之间的比较是列在表中1。

数字光弹性、光弹调制器和腔衰荡方法很难测量动态应力,所以他们常常被用于测量残余应力。相比之下,激光多普勒振动计方法只对动态压力的反应。激光自混合干涉的共同缺点干涉法和激光反馈干涉法是压力测量精度低。前者是相位解调精度的限制,而后者是有限的激光频率漂移。与激光自混合干涉干涉法相比,腔衰荡法也有一个动态测量范围宽,但工程适用性由于其高成本低,光源的严格要求和高反射率镜。激光自混合干涉干涉法和激光反馈干涉法都是不,不动的样品测量过程。

6。结论

传统的偏振分析和干涉测量方法都是基于光测弹性学符合压力诱导双折射的原理,存在一定的关联。一般来说,测量系统通常有问题的复杂性高,成本高,和较低的测量精度和效率,难以满足日益增长的需求的各种行业,特别是大尺寸,效率高、精度高、低成本、实时等。因此,一些新的应力双折射技术出现,每提高性能指标与传统的方法相比,它克服了这两种测量方法的一些局限性。由于应力方向的复杂性,对残余应力的研究方向是稀缺的,需要进一步研究。如何测量主应力方位角度的准确的帮助下现有的测量技术需要吸引太多的注意,和压力的测量方向有很大的发展前景。在未来,光元素的应力测量技术发展的方向精度高、动态范围大、大尺寸,和实时测量,这将有助于过程控制和质量检测超精密光学元件的制造。同时,预计相关技术来扩展实际应用领域的速度测量、振动测量、位移传感、缩微成像,形态学检测等。

的利益冲突

作者声明,关于这项工作他们没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(61927815,61927815,61905061),河北科技创新战略资助项目(20180601)、河北省自然科学基金,中国(F2020202055)。

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