CN100470248C - 光学延时标准具及测试光路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于任意反射面激光干涉测速仪中的光学延时标准具及测试光路。光学延时标准具的主体为光学圆柱，在光学圆柱前表面上分区分别镀有分光膜和高反射膜，在光学圆柱后表面上分区分别镀有增透膜和高反射膜。使用中，使进入光学延迟标准具的光被分为两束不同入射角度的光，较小入射角的光在光学延时标准具的两个高反射膜之间多次反射后出射，也可在沿高反射膜带状方向上设置多束光进行测量。本发明的光学延时标准具及测试光路在不增加标准具长度的前提下，提高干涉仪条纹灵敏度，或用较短的标准具实现较高的干涉仪条纹灵敏度，同时实现双灵敏度和多点同时进行测量，简化了干涉仪的内部结构，仪器造价低。

Description

光学延时标准具及测试光路

技术领域

本发明属于任意反射面激光干涉测速领域，具体涉及一种用于任意反射面激光干涉测速仪中的光学延时标准具及测试光路。

背景技术

已有技术中的任意反射面激光干涉测速系统中，干涉仪中的条纹常数F与标准具的长度L的关系为

$F=\frac{{\mathrm{c\λ}}_0}{4(n-1/n)}\frac{1}{L}---\left(1\right)$

式中：c—真空内的光速；

n—标准具折射率；

λ₀—照明激光波长。

由(1)式可以看出，条纹常数与标准具的长度成反比，标准具越长，条纹常数越小，表示VISAR的测速灵敏度越高，测量越精确。因而VISAR在设计时无不追求加大标准具的长度以减小条纹常数，提高仪器的速度灵敏度。而加大标准具长度的同时，又要保证标准具在选材和加工中波长量级的精度要求，特别是大尺寸高精度光学胚料的熔炼、加工和镀膜工艺，这是很难做到的。

文献《任意反射面激光干涉测速系统的改进》(Willard F.Hemsing，Velocity sensinginterferometer(VISAR)modification，Rev.Sci.Instrum.，50(1)，1979，P5中)报道了任意反射面激光干涉测速系统，其中采用了标准具作为延时器件。存在的不足之处是(1)使用单次通过的标准具，比较长；(2)水平方向和垂直方向上标准具的空间没有充分加以利用，采用的是单灵敏度和单点设计；(3)整个系统结构较复杂。

发明内容

为了克服已有技术中标准具的设置较长，没有充分利用水平方向和垂直方向上标准具的空间及结构较复杂的不足，本发明提供一种用于激光干涉测速仪中的光学延时标准具及测试光路。

本发明的光学延时标准具，其主体为一个玻璃基材的光学圆柱，在光学圆柱前表面上分区分别镀有分光膜和高反射膜，在光学圆柱后表面上分区分别镀有增透膜和高反射膜。光学圆柱的前表面与后表面相互平行。

本发明的光学延时标准具的前后两个表面各自面形均小于λ/5。前后两个表面之间的平行度小于30″。光学延时标准具前后两个表面上分区镀的高反射膜均为内反射膜，反射率分别大于80％。光学延时标准具的前表面分区分别镀的分光膜为介质膜，透过率为35％～65％，后表面上分区镀的增透膜为介质膜，透过率大于85％。光学延时标准具前后两个表面分别镀的高反射膜均为条形带状高反射膜，两个表面的高反射膜方向一致。

本发明的光学延时标准具，在使用中为达到利用较短的标准具提高仪器的条纹灵敏度，设置为使进入标准具的光(入射角较小)在标准具内的两个高反射膜之间多次反射后出射，其对应的干涉仪条纹常数灵敏度相应提高多倍。

使用中为达到利用一个标准具实现水平面内的双灵敏度设置，采用本发明的光学延时标准具的测试光路为：使进入标准具的光被分为两束，两束光分别以不同的角度进入标准具，入射角较小的光在标准具内的两个高反射膜之间多次反射后出射，其对应的干涉仪条纹常数较小。入射角较大的光在标准具内被后端面的高反射膜一次反射后出射，对应干涉仪的条纹常数较大。这样，在水平面内，实现了对同一目标(光源)同时采用两个灵敏度(条纹常数)进行测试。

作为设计的进一步优化，在竖直面内，空分利用标准具的空间尺寸，在不同高度布置相同的双灵敏度设置，功能上相当于多台设置相同的干涉仪共用一个标准具，可同时实现对多个目标或一个目标上的多个监测点进行测量，大大简化仪器设置和仪器造价。

本发明的光学延时标准具及测试光路可以在不增加标准具长度的前提下，提高干涉仪条纹灵敏度，或者用较短的标准具可以实现较长标准具对应的条纹常数，同时，单一光学延迟标准具可以实现双灵敏度测试的功能，并且可以多点同时进行测量，充分利用水平方向和垂直方向上标准具的空间，大大简化干涉仪的内部结构，降低仪器的造价。

下面结合附图对本发明的光学延时标准具及测试光路作进一步说明。

附图说明

图1为采用已有技术的标准具的干涉仪中的光路结构示意图

图2为采用本发明的光学延时标准具的干涉仪中实施例的光路结构示意图

图3为采用本发明的光学延时标准具的应用例1的光路结构示意图

图4为采用本发明的光学延时标准具应用例2的入射光分布示意图

图5为采用本发明的光学延时标准具应用例2的入射光分布右视图

图中1.反射镜 2.反射镜 3.分束器 4.标准具 5.光电探测器 6.入射光 7.分光膜 8.分光膜 9.增透膜 10.光电探测器 11.高反射膜 12.反射镜 13.高反射膜 14.光电探测器 15.光电探测器。e、f、g、h是四个测试点，符号“●”代表高灵敏度干涉腔中的光点，符号“▲”代表低灵敏度干涉腔中的光点。

具体实施方式

图1为采用已有技术的标准具的干涉仪中的光路结构示意图。入射光6被分束器3分为两路，反射的一路经反射镜1到达到分束器3上，由分束器3分光后，一部分进入光电探测器5，另一部分进入到光电探测器10；透射的一路经过标准具4后，被反射镜2反射，通过标准具4到达分束器3上，由分束器3分光后，一部分进入光电探测器5，另一部分进入到光电探测器10。

实施例

图2为采用本发明的光学延时标准具的干涉仪中实施例的光路结构示意图，本发明的光学延时标准具的主体为一个较短玻璃基材的光学圆柱4，在光学圆柱4的前端面AD分区分别依次镀有分光膜7、高反射膜11和分光膜8，在后端面BC分区分别镀有增透膜9和高反射膜13，光学圆柱4的前端面AD与后端面BC相互平行，前端面AD和后端面BC各自面形均小于λ/5，前端面AD和后端面BC平行度为小于30″，前端面AD上镀的高反射膜11和后端面BC上镀的高反射膜13均为内反射膜，反射率均大于85％，前端面AD分区分别镀的分光膜(7、8)为介质膜，透过率大于85％，前端面AD镀的高反射膜11与后端面BC镀的高反射膜13均为条形带状高反射膜，两高反射膜的方向一致。入射光6由前端面上的分光膜7分光后，一路经反射镜1发射到前端面AD上的分光膜8，由分光膜8分光后，一部分进入光电探测器5，另一部分经过后端面BC上的增透膜9进入到光电探测器10；另一路进入标准具4，并在标准具4前后两端面高反射膜(11、13)之间多次反射后，经过分光膜8，一部分进入光电探测器5，另一部分经过后端面BC上的增透膜9进入到光电探测器10。这样一来实际增加了标准具的有效长度，相应增加了延时臂的延时时间，提高了干涉仪的灵敏度。

本发明中将已有技术中的分束器、反射镜分别集成为标准具的前端面AD上的高反射膜11和后两端面BC上的高反射膜13，简化了光学元件和仪器调节结构。

应用例1

图3为采用本发明的光学延时标准具的应用例1的光路结构示意图。在图3中，可以看出，本发明的光学延时标准具的结构与实施例基本相同，应用中，为了充分利用水平面内光学延时标准具的尺寸，同时满足激光干涉测速仪双灵敏度测试的要求，进行了进一步的改进。

采用本发明的光学延时标准具的测试光路为：

入射光6为一束光，经角度分光镜将一束光分为两束光，其中，角度较大的一束光经过分光膜7分光后，一路经反射镜12反射到前端面AD上的分光膜8，再由分光膜8分光后，一部分光进入光电探测器14，另一部分光经过后端面BC上的增透膜9进入到光电探测器15；经过分光膜7分光后的另一路光进入标准具4，并在标准具4前后两端面高反射膜(11、13)之间反射一次后，经过分光膜8，一部分光进入光电探测器14，另一部分光经过后端面BC上的增透膜9进入到光电探测器15。

角度较小的一束光经过分光膜7分光后，一路经反射镜1发射到前端面AD上的分光膜8，再由分光膜8分光后，一部分光进入光电探测器5，另一部分光经过后端面BC上的增透膜9进入到光电探测器10；经过分光膜7分光后的另一路光进入标准具4，并在标准具4前后两端面高反射膜(11、13)之间多次反射后，经过分光膜8，一部分光进入光电探测器5，另一部分光经过后端面BC上的增透膜9进入到光电探测器10。

这样设计后，高低两个干涉系统的几何尺寸比较接近，而且整台干涉仪的外形也较为紧凑，内部结构简化，并同时实现高灵敏度激光干涉测速仪的要求和双灵敏度测试的需要，功能上相当于两台传统结构任意反射面激光干涉测速仪的融合。

应用例2

图4为采用本发明的光学延时标准具应用例2的入射光分布示意图

图5为采用本发明的光学延时标准具应用例2的入射光分布右视图

在图4、图5中，本应用例中，光学延时标准具的结构与应用例1基本相同。作为系统优化结构的进一步改进，入射光6采用四束光，在竖直方向上，利用标准具的空间尺寸，沿高度方向分别设置四个不同的入射光点(e、f、g、h)，其中四个点的参数又是完全一样的，功能上相当于多台设置相同的干涉仪共用一个标准具，可同时实现对多个目标或一个目标上的多个监测点进行测量，大大简化仪器设被数量和极低的仪器研制费用。(“●”代表高灵敏度干涉腔中的光点，符号“▲”代表低灵敏度干涉腔中的光点)

Claims (1)

1.一种采用光学延时标准具的测试方法，其特征在于：所述的光学延时标准具含有一个玻璃基材的光学圆柱，在光学圆柱的前端面AD上分区分别镀有第一分光膜(7)、第一高反射膜(11)和第二分光膜(8)，在光学圆柱的后端面BC上分区分别镀有增透膜(9)和第二高反射膜(13)，第一高反射膜(11)和第二高反射膜(13)均为条形带状高反射膜，光学圆柱的前端面AD与后端面BC相互平行；入射光(6)为一束光，经角度分光镜将入射光(6)分为两束光；

其中，角度较大的一束光经过第一分光膜(7)分光后，一路光经第一反射镜(12)反射到前端面AD上的第二分光膜(8)，再由第二分光膜(8)分光后，一部分光进入第一光电探测器(14)，另一部分光经过后端面BC上的增透膜(9)进入到第二光电探测器(15)；经过第一分光膜(7)分光后的另一路光进入标准具，并在前端面AD上的第一高反射膜(11)和后端面BC上的第二高反射膜(13)之间反射一次后，经过第二分光膜(8)分光，一部分光进入第一光电探测器(14)，另一部分光经过后端面BC上的增透膜(9)进入到第二光电探测器(15)；

角度较小的一束光经过第一分光膜(7)分光后，一路光经第二反射镜(1)反射到前端面AD上的第二分光膜(8)，再由第二分光膜(8)分光后，一部分光进入第三光电探测器(5)，另一部分光经过后端面BC上的增透膜(9)进入到第四光电探测器(10)；经过第一分光膜(7)分光后的另一路光进入标准具，并在前端面AD上的第一高反射膜(11)和后端面BC上的第二高反射膜(13)之间多次反射后，经过第二分光膜(8)分光，一部分光进入第三光电探测器(5)，另一部分光经过后端面BC上的增透膜(9)进入到第四光电探测器(10)。

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