CN100378443C - 白光双视场波面测量仪 - Google Patents

Abstract

一种白光双视场波面测量仪，特征在于其构成是：一输入平板和第一输出平板平行放置，中间设置有第一楔板和第二楔板，第一楔板和第二楔板之间的楔角为α，光束在楔板上的入射角为θ；该输入平板和第二输出平板平行放置，其中也设置有第三楔板和第四楔板，第三楔板和第四楔板之间的楔角亦为α，光束在楔板上的入射角为θ，入射光束经输入平板分束为A、B、C、D四路，其中A、B光路经输出平板后相干，C、D光路经第二输出平板后相干，在所述的第一输出平板的光束输出方向设置第一观察屏，在第二输出平板的光束输出方向设置第二观察屏。本发明适合于相干长度小的光源，双屏全视场条纹显示，数据处理简单。

Description

白光双视场波面测量仪

技术领域

本发明涉及光束波面测量，是一种白光双视场波面测量仪，特别适合于相干长度较小、波差小于一个波长，发散度达到衍射极限的激光波面的精密测量。

技术背景

卫星之间的激光通讯要求发射的半导体激光束具有高度的准直性，发散度达到衍射极限，此时光束波面的波差只有0.3λ左右；同时，半导体激光的光谱带宽为纳米量级，相干长度小于毫米量级，要求等光程干涉。剪切干涉法是一种简便而精密的波面测量方法，它利用待测波面与其自身的、被剪开的波面之间在重叠区域内的干涉来评价待测波面的波差，剪切干涉条纹所反映的是待测波面的差分信息，经解析运算便可求得原始波面。已有技术大多对相干长度较小的光源、衍射极限光束的波面测量比较困难，在先技术双剪切波面干涉测量仪可以实现上述要求的波面测量，但为半视场的分口径条纹，因此需要一种适用于相干长度小的光源，等光程，全视场，而且可测量较小波差的高精度测量系统。

在先技术[1](参见M.V.R.K.Murty，“The use of a single parallelplates as a lateral shearing interferometer with a visible gas laser source”，Appl.Opt.3，531-534(1964))中所描述的Murty平板干涉仪，光束经平行平板前、后表面反射而产生一横向剪切，以重叠区的条纹无限宽作为判别标准。但是当波差小于一个波长时，条纹宽度将超出重叠区，出现均匀视场，对更小的波差无法判别。对相干长度小的光源的测量，需制作高精度的薄平板，尤其对大口径薄板，制作困难。

在先技术[2](参见Rajpal S.Sirohi，Mahendra P.Kothiyal“Doublewedge plate shearing interferometer for collimation testing”，Appl.Opt.26，4054-4056(1987))中所描述的双楔板剪切干涉仪是利用两块楔边反向平行放置的楔板产生两组干涉条纹，由两组条纹的夹角或宽度之差求出波差大小。该方法有自参考基准，灵敏度是单楔板的2倍。但须两楔板严格反向平行放置，并且剪切波面与原始波面无法分开，非等光程相干，只适用于相干长度较长的光源。

在先技术[3](参见Yon Woo Lee，Hyun Mo Cho，In Won Lee，“Half-aperture shearing interferometer for collimation testing”，Opt.Eng.32(11)，2837-2840(1993))中所描述的由一块楔板和两个平面镜组成的迈克尔逊型的剪切干涉仪，旋转其中的一个平面镜，并用挡板分别遮住两个平面镜的上、下部分，形成由两组半口径干涉条纹合并成的一幅干涉图，相互参考方便，但仍为非等光程相干。

在先技术[4](参见James C.Wyant“Advances in interferometricmetrology”Proceeding of SPIE vol 4927，154-162(2002))中所描述的移相式Twyman-Green干涉仪采用移相方法和相位板一次多幅成像技术测量波面，实时测量，精度高，抗振性能好。但设备成本较高，且干涉条纹数据处理复杂。

在先技术[5](参见中国专利公开号CN 1421680A，公开日2003年6月4日，发明名称：双剪切波面干涉测量仪)中所描述的双剪切波面干涉测量仪，在两块平行平板中间放置两组上下重叠且楔边反向放置的楔板对，通过旋转两组楔板对，产生上、下半口径的剪切干涉图样。该方法为等光程干涉，由上下半口径的条纹宽度的相对变化可以得到相应的波差大小。但是重叠楔板之间的缝隙会产生衍射，并且为半视场条纹，对有非对称像差的波面测量会出现偏差。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的困难，提供一种白光双视场波面测量仪，适合于相干长度小的光源(如半导体激光器)，双屏全视场条纹显示，数据处理简单。

本发明是利用双剪切和差动原理，简便而精密地测量衍射极限波面，具体技术解决方案如下：

一种白光双视场波面测量仪，特征在于其构成是：一输入平板和第一输出平板平行放置，中间设置有第一楔板和第二楔板，第一楔板和第二楔板的楔角为α，光束在楔板上的入射角为θ；该输入平板和第二输出平板平行放置，其中也设置有第三楔板和第四楔板，第三楔板和第四楔板的楔角亦为α，光束在楔板上的入射角为θ，入射光束经输入平板分束为A、B、C、D四路，其中A、B光路经第一输出平板后相干，C、D光路经第二输出平板后相干，在所述的第一输出平板的光束输出方向设置第一观察屏，在第二输出平板的光束输出方向设置第二观察屏。

所述的楔板的入射角θ的可调范围为：30°～55°，最佳值为30°。

该测量仪的光束剪切量S变化范围为：0.5R～R，R为光束半径，并且S符合公式：

$S=2d(\sin \mathrm{\θ}-\frac{\sin 2\mathrm{\θ}}{2\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}})$

式中，d为楔板的平均厚度，θ为光束在楔板上的入射角，n为楔板折射率。

所述的两干涉光路中由两对楔板转动产生的剪切量S是相同的。

所述的四块楔形平板结构完全相同，楔角α满足以下公式：

$\mathrm{\α}=\frac{(N-1)\mathrm{\λ}}{2(\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{\cos \mathrm{\θ}}-1)(2R-S)}$

式中，N为观察屏上的基本条纹数，λ为光束波长。

所述的光束剪切量S取最大值时，则楔板的平均厚度d由下式决定：

$d=\frac{S}{2(\sin \mathrm{\θ}-\frac{\sin 2\mathrm{\θ}}{2\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}})}$

所述的观察屏上的观察口径内的基本条纹数N＝5或N＝6。

用计算机条纹处理系统代替所述的第一观察屏(8)和第二观察屏(9)，该计算机条纹处理系统由CCD相机及具有剪切干涉条纹处理软件的计算机组成。

本发明以雅敏干涉仪为基础，在两路干涉光路中分别插入两对楔角反向放置的楔板，引入的波面倾斜方向与剪切方向平行，在两个观察屏上形成两组干涉条纹。通过精密旋转两对楔板，可以改变剪切量。该发明采用差动原理测量波面，精度高，由两组干涉条纹的相对变化，就可测得波面的波差，两组干涉光路均为等光程相干，因此适用于衍射极限波面的测量，特别适用于相干长度较短的光源。实验证明，全口径观察基本条纹数N为6，测量范围为口径内最大波差0.2～1λ。

附图说明：

图1为本发明白光双视场波面测量仪的结构示意图

图2为本发明中光束通过楔板的光路示意图

图3为本发明中楔板对的不同放置方式

图4、图5为本发明观察屏8、9上的干涉条纹

具体实施方式：

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1和图2，图1为本发明白光双视场波面测量仪的结构示意图，图2为本发明中光束通过楔板的光路示意图，由图可见，本发明白光双视场波面测量仪，其构成包括：一块输入平板、两块输出平板，四块结构相同的楔板和两个观察屏。输入平板1和第一输出平板2平行放置，中间设置有第一楔板4和第二楔板5，楔板的楔角均为α，光束在楔板上入射角为θ；输入平板1和第二输出平板3平行放置，中间设置有第三楔板6和第四楔板7，楔板的楔角均为α，光束在楔板上的入射角为θ。入射光束经输入平板1分束为A、B、C、D四路，其中A、B光路经第一输出平板2后相干，C、D光路经第二输出平板3后相干。在所述的第一输出平板2的光束输出方向设置第一观察屏8，在第二输出平板3的光束输出方向设置第二观察屏9。

待测波面的波高W由下列公式计算：

$W=\frac{{\mathrm{\λR}}^2}{4S}\frac{T_1-T_2}{T_1{T}_2}---\left(1\right)$

式中：λ为入射波长，R为光束半径，T₁为第一观察屏8上干涉条纹宽度，T₂为第二观察屏9上干涉条纹宽度，S为剪切量，当待测波面为发散球面波时，W为正，对应的T₁＞T₂；当待测波面为会聚球面波时，W为负，对应的T₁＜T₂。

目视情况下，当可分辨的条纹宽度为半个条纹时，则最小可测量波高符合公式：

$W_{\min }=0.5\mathrm{\λ}\frac{R^2}{4S(2R-S)}---\left(2\right)$

所述的楔板的入射角θ可调范围为：30°～55°，其最佳值为30°。

所述的光束剪切量S变化范围为：0.5R～R，并且S符合公式：

$S=2d(\sin \mathrm{\θ}-\frac{\sin 2\mathrm{\θ}}{2\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}})---\left(3\right)$

式中，d为楔板的平均厚度，θ为光束在楔板上的入射角，n为楔板折射率。

所述的两路干涉光路中由两对楔板转动产生的剪切量S是相同的。

所述的四块楔形平板结构完全相同，楔角α满足以下公式：

$\mathrm{\α}=\frac{(N-1)\mathrm{\λ}}{2(\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{\cos \mathrm{\θ}}-1)(2R-S)}---\left(4\right)$

式中，N为观察屏上的基本条纹数。

所述的光束剪切量S取最大值时，则楔板的平均厚度d由下式决定：

$d=\frac{S}{2(\sin \mathrm{\θ}-\frac{\sin 2\mathrm{\θ}}{2\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}})}---\left(5\right)$

所述的观察屏8、9可以用计算机条纹处理系统代替，该系统由CCD相机及具有剪切干涉条纹处理软件计算机组成。

参见图2，光束A和光束B入射到第一楔板4和第二楔板5构成的第一楔板对上，分别产生垂直于光轴且方向相反的侧向位移0.5S，并且光束发生偏折，分别产生Δθ的偏折角，偏折方向为远离光轴；然后，两出射光束经第一输出平板2反射和透反产生剪切干涉，剪切量为S。光束C和光束D入射到第三楔板对6和第四楔板7构成的第二楔板对上，分别产生垂直于光轴且方向相反的侧向位移0.5S，光束发生偏折，偏折角为Δθ，偏折方向与第一楔板对的情况相反，为靠近光轴方向；然后，两出射光束经第二输出平板3直接经透射、两次反射、再透射产生剪切干涉，剪切量也为S。光束经四块楔形平板后，产生偏折角的绝对值Δθ与入射角θ，楔角α及折射率n的关系为：

$\mathrm{\Δ\θ}=(\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{\cos \mathrm{\θ}}-1)\mathrm{\α}$

参见图3，两路干涉光路中楔板对的放置可以有4种组合方式，即(a)和(b)、(a)和(d)、(b)和(c)、(c)和(d)。

参见图4、5，干涉图形8、9上的干涉条纹宽度分别为T₁、T₂，入射波长为λ，光束半径为R，剪切量为S，则待测波面的波差W为：

$W=\frac{{\mathrm{\λR}}^2}{4S}\frac{T_1-T_2}{T_1{T}_2}$

并且，由W的符号可以判别待测波面的会聚及发散状况。

下面针对一个实施例给出具体设计参数：

待测光束口径2R＝35mm，波长λ＝800nm。三块平行平板材料为K9玻璃，长190mm，宽40mm，厚70mm，折射率n＝1.50959。四块楔板也为K9玻璃，长70mm，宽40mm，厚20mm，折射率n为1.50959，楔角α为23″。全口径观察基本条纹数N为6，测量范围为口径内最大波差0.2～1λ。

经试用证明，本发明采用差动原理测量波面，精度高，由两组干涉条纹的相对变化，就可测得波面的波差，两组干涉光路均为等光程相干，因此适用于衍射极限波面的测量，特别适用于相干长度较短的光源。实验证明，全口径观察基本条纹数N为6，测量范围为口径内最大波差0.2～1λ。

Claims (8)

1.一种白光双视场波面测量仪，特征在于其构成是：一输入平板(1)和第一输出平板(2)平行放置，中间设置有第一楔板(4)和第二楔板(5)，第一楔板(4)和第二楔板(5)的楔角为α，光束在楔板上的入射角为θ；输入平板(1)和第二输出平板(3)平行放置，其中设置有第三楔板(6)和第四楔板(7)，第三楔板(6)和第四楔板(7)的楔角亦为α，光束在楔板上的入射角为θ，入射光束经输入平板(1)分束为A、B、C、D四路，其中A、B光路经第一输出平板(2)后相干，C、D光路经第二输出平板(3)后相干，在所述的第一输出平板(2)的光束输出方向设置第一观察屏(8)，在第二输出平板(3)的光束输出方向设置第二观察屏(9)。

2.根据权利要求1所述的白光双视场波面测量仪，特征在于所述的光束在楔板上的入射角θ的取值范围为：30°～55°。

3.根据权利要求1所述的白光双视场波面测量仪，特征在于该测量仪的光束剪切量S变化范围为：0.5R～R，R为光束半径，并且S符合公式：

$S=2d\left(\frac{\sin 2\mathrm{\θ}}{2\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}\right)$

式中：d为楔板的平均厚度，θ为光束在楔板上的入射角，n为楔板折射率。

4.根据权利要求1所述的白光双视场波面测量仪，特征在于所述的两干涉光路中由两对楔板转动产生的剪切量S是相同的。

5.根据权利要求1所述的白光双视场波面测量仪，特征在于所述的四块楔形平板结构完全相同，楔角α满足以下公式：

$\mathrm{\α}=\frac{(N--1)\mathrm{\λ}}{2(\frac{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}{\cos \mathrm{\θ}}-1)(2R-S)}$

式中：N为观察屏上的基本条纹数，λ为光束波长，R为光束半径，n为楔板折射率，S为光束剪切量，θ为光束在楔板上的入射角。

6.根据权利要求2所述的白光双视场波面测量仪，特征在于所述的光束剪切量S取最大值时，则楔板的平均厚度d由下式决定：

$d=\frac{S}{2(\sin \mathrm{\θ}-\frac{\sin 2\mathrm{\θ}}{2\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}})}$

式中：n为楔板折射率，θ为光束在楔板上的入射角。

7.根据权利要求1所述的白光双视场波面测量仪，特征在于所述的观察屏上的观察口径内的基本条纹数N＝5或N＝6。

8.根据权利要求1所述的白光双视场波面测量仪，特征在于用计算机条纹处理系统代替所述的第一观察屏(8)和第二观察屏(9)，该系统由CCD相机及具有剪切干涉条纹处理软件的计算机组成。

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