CN100401029C - 白光双视场剪切波面干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种白光双视场剪切波面干涉仪，包括：平行放置的输入光学平行平板和第一、第二输出光学平行平板，在所述输入光学平行平板和第一输出光学平行平板之间设置有第一、第二楔形平板，在输入光学平行平板和第二输出光学平行平板之间设置有第三第四楔形平板，在所述的第一输出光学平行平板的光束的输出方向设置第一观察屏，在第二输出光学平行平板的光束的输出方向设置第二观察屏。本发明适合于相干长度较小、波差小于一个波长和衍射极限的激光波面的精密测量，而且使用方便。测量范围为口径内最大波差0.2～1λ。

Description

白光双视场剪切波面干涉仪

技术领域：

本发明涉及光束波面测量，是一种白光双视场剪切波面干涉仪，特别适合于相干长度较小、波差小于一个波长和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激光光束有高度的准直性。光学衍射极限是光束在孔径受限条件下能够达到的最小发散度，此时的波面只有较小的波差。通常波面的测量方法有两种，一种是待测波面通过光学装置分束，产生一个标准参考波面，待测波面与标准参考波面相干涉，由干涉图条纹直接得到待测波面的波差大小。另一种主要是指剪切干涉术，是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，剪切干涉图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。干涉条纹的目视观察或条纹处理过程中，已有的技术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，因此需要一种适用于相干长度小的光源，等光程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平行平板剪切干涉仪，由于平板厚度，经平板前、后表面反射的光束产生一横向剪切量，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，由楔板决定的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Xu Deyan，K.J.Rosenbruch，“Rotable single wedgeplate shearing interference technique for collimation testing”，Opt.Eng.30，391-396(1991))中使用一个可旋转的单楔板，楔板前、后表面反射的光束产生一剪切量，楔板在0°位置和旋转180°后的位置分别产生两组干涉条纹，由两组条纹与剪切方向的夹角来判别波面的波差。该方法相对于Murty单平板有2倍的灵敏度，并且不受口径限制，但需要精确旋转楔板，且为非等光程相干。

在先技术[4](参见Li Guohua，Zhao Mingshan and Zhang Jingbin，“Improved Wedge-plate sgearing interferometric technique for a collimationtest”，Appl.Opt.31，4363-4364(1992))中所描述的由一块楔板和两个平面镜组成的迈克尔逊结构的剪切干涉仪，由楔板的反射和透射光束形成两组剪切干涉仪，通过旋转其中的一个平面镜，使两组干涉光场分离。该方法克服了两块楔板反向平行放置的问题，但仍为非等光程相干。

在先技术[5](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))中所描述的是用挡板分别遮住在先技术[4]中两个平面镜的上、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[6](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，利用差动原理，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，并且对有非轴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已有技术的困难，提供一种白光双视场剪切波面干涉仪，适合于相干长度较小、波差小于一个波长和衍射极限的激光波面的精密测量，而且使用方便。

本发明的技术解决方案如下：

一种白光双视场剪切波面干涉仪，特征在于其构成包括：平行放置的输入光学平行平板和第一、第二输出光学平行平板，四块结构相同的楔形平板，两个观察屏，在所述输入光学平行平板和第一输出光学平行平板之间设置有第一、第二楔形平板，以顺时针方向为正，第一楔形平板的入射角为-θ，输入面法线到输出面法线的夹角为α；则第二楔形平板的入射角为θ，输入面法线到输出面法线的夹角为-α；在输入光学平行平板和第二输出光学平行平板之间设置有第三、第四楔形平板，以顺时针方向为正，第三楔形平板的入射角为-θ，输入面法线到输出面法线的夹角为-α；第四楔形平板的入射角为θ，输入面法线到输出面法线的夹角为α，在所述的第一输出光学平行平板的光束的输出方向设置第一观察屏，在第二输出光学平行平板的光束的输出方向设置第二观察屏。待测波面的波高W由下列公式计算：

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

式中，λ为入射光波长，R为入射光束半径，T₁为第一观察屏上干涉条纹宽度，T₂为第二观察屏上干涉条纹宽度，S为光束通过楔形平板后垂直于光轴方向的侧向位移，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。

光束剪切量2S符合公式：

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

式中，d为楔形平板的平均厚度，θ为光束在楔形平板上的入射角，n为楔形平板折射率。

在目视情况下，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：

$W_{\min }=0.5\mathrm{\λ}\frac{R^2}{4S(2R-S)}---\left(3\right)$

所述的楔形平板的入射角θ可调范围为：0°＜θ≤30°，其最佳值为30°。

所述的四块楔形平板结构完全相同，楔角α满足以下公式：

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

式中，N为观察屏上的基本条纹数。

所述的观察屏上的观察口径内的基本条纹数N＝5或N＝6。

所述的输入、输出光学平行平板的两面最好均镀半透半反膜。

所述的光束通过楔形平板后垂直于光轴方向的侧向位移S为：0～0.75R，对应的光束剪切量变化范围为2S：0～1.5R，则楔形平板的平均厚度d由下式决定：

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

所述的两路干涉光路中由两对楔形平板转动产生的剪切量是相同的。

所述的光束在输入光学平行平板上的入射角为θ′，直接反射光与透、反后透射出的光束之间分离量的中心距为H，则平行平板的厚度D由下列公式决定：

$D=H/\frac{{\sin 2\mathrm{\θ}}^{\′}}{2\sqrt{n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}^{\′}}}---\left(6\right)$

所述的输入光学平行平板的长度L₁由下列公式决定：

L₁＝(1.5H+2R)/cosθ′                           (7)

所述的输出光学平行平板的长度L₂、L₃则由下列公式决定：

L₂＝L₃＝(H+2R+2S)/cosθ′                          (8)

所述的观察屏8、9可以用计算机图像处理系统代替，该系统由CCD相机及具有干涉图处理软件计算机组成。

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形平板，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5，测量范围为口径内最大波差0.2～1λ。

附图说明：

图1为本发明白光双剪切波面干涉仪的结构示意图

图2为本发明中光束通过楔形平板的光路示意图

图3为本发明中楔形平板的结构示意图

图4、图5分别为本发明观察屏8、9上的干涉条纹

具体实施方式：

首先参阅图1，图1为本发明白光双剪切波面干涉仪最佳实施例的结构示意图，由图可见，本发明一种白光双视场剪切波面干涉仪，其构成包括：平行放置的输入光学平行平板1、第一输出光学平行平板2和第二输出光学平行平板3，在输入光学平行平板1和第一输出光学平行平板2之间设置有第一楔形平板4和第二楔形平板5，以顺时针方向为正，第一楔形平板4的入射角为-θ，输入面法线到输出面法线的夹角为α；则第二楔形平板5的入射角为θ，输入面法线到输出面法线的夹角为-α；在输入光学平行平板1和第二输出光学平行平板3之间设置有第三楔形平板6和第四楔形平板7，以顺时针方向为正，第三楔形平板6的入射角为-θ，输入面法线到输出面法线的夹角为-α；第四楔形平板7的入射角为θ，输入面法线到输出面法线的夹角为α；在第一输出光学平行平板2的光束的输出方向设置第一观察屏8，在第二输出光学平行平板3的光束的输出方向设置第二观察屏9，则待测波面的波高W可由下列公式计算：

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

式中，λ为入射光波长，R为入射光束半径，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为光束通过楔形平板后垂直于光轴方向的侧向位移，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。

所述的四块楔形平板4、5、6、7结构完全相同，楔角均为α，楔角α满足下列公式：

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

式中，N为观察屏上的基本条纹数。

楔形平板的入射角θ可调范围为：0°＜θ≤30°，其最佳值θ＝30°。

所述的输入、输出光学平行平板1、2、3两面均镀半透半反膜。

为便于目视观察，取所观察口径内的条纹数N＝5。参见图2，光束通过楔形平板后产生的的光束剪切量为2S，其变化范围为0～1.5R，综合考虑到灵敏度和观察视场，取2S＝0.5R为宜。此时，目视情况下最小可测量波高为0.2λ。光束在楔形平板上的入射角θ随楔形平板的转动可以调节，最佳取θ＝30°。光束在输入光学平行平板1上的入射角为θ′，当θ′＝45°左右时，干涉光束之间分离量已接近最大值，因而当光束口径变大时，为保证一定的分离量，必须增加平板的厚度，所以实际可测量光束的口径是有限的。

参见图1、图2、图3所示，楔形平板的输入面与输出面之间的夹角为楔角α，光束通过楔形平板后引入的波面倾斜方向与剪切方向平行。

工作过程中放置如下：首先，调整输入平行平板1与输出平行平板2、3分别平行；然后，按图2所示将两对楔角相向的楔板放置在两条干涉光路的中间位置，通过旋转两对楔板，改变入射角θ，调整剪切量2S到最佳状态；接着，由第一、第二观察屏8、9分别获得两个剪切干涉图，通过干涉图处理得到待测波面的波差。

双剪切波面干涉仪的基本原理为：参见图1，待测波面斜入射到平行平板1上，经前表面反射的光束A，透射后经后表面反射，再从前表面透射的光束B，光束A、B相干；入射光束直接透过平行平板1形成光束C，入射光束经平行平板1后表面和前表面两次反射，再从后表面透射，形成光束D，光束C、D相干。

参见图2，光束A和光束B入射到第一、第二楔板4、5上，分别产生垂直于光轴且方向相反的侧向位移S，同时光束发生偏折，分别产生Δθ的偏折角，偏折方向为远离光轴；然后，两出射光束经平行平板2反射和透、反产生剪切干涉，剪切量为2S。光束C和光束D入射到第三、第四楔板6、7上，分别产生垂直于光轴且方向相反的侧向位移S，光束发生偏折，偏折角为Δθ，偏折方向与楔板4、5上的情况相反，为靠近光轴方向；然后，两出射光束经第二平行平板3反射和透、反产生剪切干涉，剪切量也为2S。光束经楔形平板4、5、6、7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4和图5，干涉图8、9上的干涉条纹宽度分别为T₁、T₂，入射波长为λ，入射光束半径为R，剪切量为2S，则待测波面的波差W为：

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

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：

待测波面直径2R为50mm，波长λ为800nm，取光束分离量H＝60mm。三块雅敏平行平板材料为国产K9玻璃，长200mm，宽95mm，厚80mm，折射率n为1.50959。四块楔形平板同样为国产K9玻璃，长90mm，宽70mm，厚30mm，折射率n为1.50959，楔角α为17″。全口径观察基本条纹数N为5，测量范围为口径内最大波差0.2～1λ。

Claims (7)

1.一种白光双视场剪切波面干涉仪，特征在于其构成包括：平行放置的输入光学平行平板(1)、第一输出光学平行平板(2)和第二输出光学平行平板(3)，四块结构相同的楔形平板(4、5、6、7、)，两个观察屏(8、9)，在输入光学平行平板(1)和第一输出光学平行平板(2)之间设置有第一楔形平板(4)和第二楔形平板(5)，以顺时针方向为正，光束在第一楔形平板(4)的入射角为-θ，输入面法线到输出面法线的夹角为α；光束在第二楔形平板(5)的入射角为θ，输入面法线到输出面法线的夹角为-α；在输入光学平行平板(1)和第二输出光学平行平板(3)之间设置有第三楔形平板(6)和第四楔形平板(7)，以顺时针方向为正，光束在第三楔形平板(6)的入射角为-θ，输入面法线到输出面法线的夹角为-α；光束在第四楔形平板(7)的入射角为θ，输入面法线到输出面法线的夹角为α；在第一输出光学平行平板(2)的光束的输出方向设置第一观察屏(8)，在第二输出光学平行平板(3)的光束的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：

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

式中：λ为入射光波长，R为入射光束半径，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为光束通过楔形平板后垂直于光轴方向的侧向位移，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。

2.根据权利要求1所述的白光双视场剪切波面干涉仪，特征在于所述的光束在楔形平板上的入射角θ取值范围为：0°＜θ≤30°。

3.根据权利要求2所述的白光双视场剪切波面干涉仪，特征在于所述的光束在楔形平板上的入射角θ为30°。

4.根据权利要求1所述的白光双视场剪切波面干涉仪，特征在于所述的观察屏(8、9)上的观察口径内的基本条纹数N＝5或N＝6。

5.根据权利要求1所述的白光双视场剪切波面干涉仪，特征在于所述的四块楔形平板(4、5、6、7)结构完全相同，楔角α满足下列公式：

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

式中，N为观察屏上的基本条纹数，n为所述的楔形平板的折射率。

6.根据权利要求1所述的白光双视场剪切波面干涉仪，特征在于所述的输入、输出光学平行平板(1、2、3)两面均镀半透半反膜。

7.根据权利要求1所述的白光双视场剪切波面干涉仪，特征在于所述的观察屏(8、9)为计算机图像处理系统，该系统由CCD相机及具有干涉图处理软件的计算机组成。

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