CN100422791C - 消除拼接光栅错位误差的调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于消除拼接光栅错位误差的调整装置。本发明的调整装置包括激光远场监测部分和光栅位置调整部分，监测光经分光镜后分为透射和反射两束光，其中透射光经过三次平面反射镜反射后垂直入射到拼接光栅上，再原路返回到分光镜，然后经过透镜聚焦，由显微物镜放大，成象在ccd上；经分光镜后的反射光经两次平面反射镜反射，再经过小孔板，然后由透镜进行聚焦，最后由显微物镜放大，并成象在另一ccd上。本发明根据探测光的入射角度关系式改变探测光的角度，在实时监控两光栅面平行的条件下消除了拼接光栅之间的错位误差，调整装置结构简单，成本较低，可消除误差到环境噪声的精度范围。

Description

消除拼接光栅错位误差的调整装置

技术领域

本发明属于短脉冲激光的脉冲压缩装置，具体涉及一种消除拼接光栅错位误差的调整装置。

背景技术

在采用拼接光栅的短脉冲压缩池系统中，拼接光栅面之间微米级的错位误差会导致焦斑分裂。即便是采用配对误差补偿的方法通过调整光栅缝隙宽度对错位误差进行补偿，也会影响压缩脉冲的远场时域特性，因此需要从根本上消除错位误差。2006年清华大学曾礼江教授在《光学快报》(Optics Letter)上发表的文章“Method to mosaic gratings by using atwo-color heterodyne interferometer containing a reference grating”提出采用双波长外差干涉法消除错位误差，但该方法没有监测两光栅面的平行，并且假定参考光栅的刻线密度与拼接光栅完全一致，这在实际操作中很难实现；另外，其实验装置包括了两台干涉仪、两束同轴传输的激光以及另外两片完全相同的光栅，造价昂贵且过程复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除拼接光栅错位误差的调整装置，使两拼接光栅之间达到高精度的共面。

本发明消除拼接光栅错位误差的调整装置包括激光远场监测部分和光栅位置调整部分，根据远场监测部分的ccd观察结果通过光栅位置调整部分调整光栅的位置。

激光远场监测部分含有分光镜、透镜、显微物镜、ccd、平面反射镜、小孔板、光栅。

激光远场监测部分是这样工作的：监测光经分光镜后分为透射和反射两束光，其中透射光依次被三个平面反射镜反射后垂直入射到拼接光栅上，再原路返回到分光镜，然后经过透镜聚焦，由显微物镜放大，成象在ccd上；经分光镜后的反射光经另一平面反射镜反射后，以满足探测光的入射角度关系式：-1/2λ＜Δz·2cosα＜1/2λ要求的角度入射到拼接光栅上，其反射光依次被另两个平面反射镜反射，再经过小孔板，然后由另一透镜进行聚焦，最后由另一显微物镜放大，并成象在另一ccd上。

探测光的入射角度关系式中，λ为探测光波长，Δz为错位误差的估计值，α为探测光的入射角。

光栅位置调整部分包括依次连接的微机、步进电机和光栅架。

本发明通过观察ccd所采集到的垂直入射探测光的零级反射光的远场，调整两光栅面平行。然后选择探测光的入射角度使反射后的探测光之间的相位延迟小于半波长，根据探测光的入射角度关系式

-1/2λ＜Δz·2cosα＜1/2λ

确定入射角α。此时通过微机控制步进电机驱动光栅架及光栅沿垂直于光栅面的方向移动一微小距离，使远场焦斑呈现一个完整的单个圆斑。不断的减小入射角α，在此过程中不断驱动步进电机调整光栅架及光栅位置使远场始终保持一个单圆斑形态。直到入射角α为零，此时拼接光栅的错位误差完全消除。

本发明通过不断减小探测光的入射角α，使两拼接光栅的反射光的相位差始终保持在半波长的范围内，然后微调光栅位置，根据所采集到的远场的形态变化确定两拼接光栅的相对位置，最后通过光栅位移调整部分微调至远场呈现一个单一完好的焦斑。

本发明通过激光远场监测部分和光栅位置调整部分，根据探测光的入射角度关系式改变探测光的角度，在实时监控两光栅面平行的条件下消除了拼接光栅之间的错位误差，调整装置结构简单，成本较低，可消除误差到环境噪声的精度范围。本发明同时兼顾了大的误差捕捉范围与高调节精度的统一，且捕捉范围与光栅尺寸成正比。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明消除拼接光栅错位误差的调整装置的光路图。

图2为采用本发明的调整装置调节过程中得到的焦斑照片

图3为采用本发明的调整装置调节过程中得到的焦斑照片

图中3.分光镜 4为第一透镜、5为第二透镜 6为第一显微物镜、7为第二显微物镜 8为第一ccd、9为第二ccd 10～15分别为第一～第六平面反射镜 16.小孔板 17为第一光栅、18为第二光栅 19.步进电机 20.微机

具体实施方式

本发明的消除拼接光栅错位误差的调整装置包括激光远场监测部分以及光栅位置调整部分，通过监测激光脉冲远场形态的变化利用光栅位置调整部分对拼接光栅面之间的错位误差进行消除。

本发明的实施过程为：首先建立激光远场监测部分，然后利用监测激光远场及光栅位置调整部分对光栅进行精细调节。如图1所示，搭建监测光路。探测光入射到分光镜3后的透射部分分别经第一平面反射镜10、第二平面反射镜11、第三平面反射镜12反射后垂直入射到第一光栅17和第二光栅18上，反射光原路返回，后被分光镜3反射，第一透镜4聚焦，第一显微物镜6将焦斑成像至第一ccd8上，这部分光路用于监控两光栅的面平行；被分光镜3反射后的探测光经第四平面反射镜13入射到第一光栅17和第二光栅18上，其反射光经第五平面反射镜14、第六平面反射镜15后过小孔板16，第二透镜5聚焦，第二显微物镜7将焦斑成像至第二ccd9上。监控第二ccd8采集到的远场焦斑，通过微机控制步进电机微调两拼接光栅间的夹角，直至远场出现单一焦斑，此时实现了拼接光栅面平行。根据公式-1/2λ＜Δz·2cosα＜1/2λ，通过改变第四平面反射镜13的角度选择该路探测光的入射角度，用小孔板16卡出一直径为5mm的光束聚焦，观察第二ccd9中的焦斑形态，此时显示的是如图2所示的大小两瓣焦斑，驱动步进电机19使第一光栅17沿垂直于光栅面的方向运动，直至远场出现如图3所示的完好的单焦斑，然后通过旋转第四平面反射镜13减小该路探测光的入射角度，此时远场焦斑不再是单一焦斑的情况，而是又呈现出类似于如图2所示的大小两瓣焦斑，再利用微机20控制步进电机19使第一光栅17沿垂直于光栅面的方向运动至远场重新出现如图3所示的完好的单焦斑。不断重复上述操作，直到该路探测光的入射角调节到接近垂直入射，并在第二ccd9的远场仍然得到完好的单焦斑时，认为拼接光栅间的错位误差已经消除。此时两光栅面达到亚波长级的共面。第五平面反射镜14和第六平面反射镜15的作用是每次改变入射光角度后，通过调整第五平面反射镜14和第六平面反射镜15使该路探测光始终沿监控系统的光轴传输。

Claims (1)

1. 一种消除拼接光栅错位误差的调整装置，其特征在于：所述的调整装置包括激光远场监测部分(1)和光栅位置调整部分(2)，通过观察探测光的远场分裂情况，调整光栅的位置，减小并消除拼接光栅之间的错位误差；

激光远场监测部分(1)包括分光镜(3)、第一透镜(4)、第二透镜(5)、第一显微物镜(6)、第二显微物镜(7)、第一ccd(8)、第二ccd(9)、第一平面反射镜(10)、第二平面反射镜(11)、第三平面反射镜(12)、第四平面反射镜(13)、第五平面反射镜(14)、第六平面反射镜(15)、小孔板(16)、第一光栅(17)、第二光栅(18)；探测光经分光镜后分为透射和反射两束光，其中透射光依次被第一平面反射镜(10)、第二平面反射镜(11)、第三平面反射镜(12)三个平面反射镜反射后垂直入射到拼接光栅上，再原路返回到分光镜，然后经过第一透镜(4)聚焦，由第一显微物镜(6)放大，成象在第一ccd(8)上；经分光镜后的反射光经第四平面反射镜(13)反射后，以满足探测光的入射角度关系式要求的入射角度入射到拼接光栅上，其反射光依次被第五平面反射镜(14)、第六平面反射镜(15)反射，再经过小孔板，然后由第二透镜(5)进行聚焦，最后由第二显微物镜(7)放大，并成象在第二ccd(9)上；光栅位置调整部分(2)包括依次连接的微机、步进电机和光栅架；

其中所述的探测光的入射角度关系式为-1/2λ＜Δz·2cosα＜1/2λ，所述的拼接光栅由第一光栅(17)和第二光栅(18)组成；

关系式中，λ为探测光波长，Δz为错位误差的估计值，α为探测光的入射角。

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