CN101424786A - 白光剪切干涉仪等光程的快速调整方法 - Google Patents

Abstract

一种白光剪切干涉仪等光程的快速调整方法，主要是利用一台可调啁啾激光器作为光源，通过调节激光脉冲的波长宽度和调节白光剪切干涉仪的可动光路，使干涉仪产生的干涉条纹的运动速度发生改变，观察白光剪切干涉仪观察屏的干涉条纹的运动情况，从而实现对干涉仪等光程的快速调整。该方法具有简便、快速且其精确度渐进可控的特点。

Description

白光剪切干涉仪等光程的快速调整方法

技术领域

本发明涉及白光剪切干涉仪，特别是一种白光剪切干涉仪等光程的快速调整方法。

背景技术

剪切干涉仪通过待测波面与自身复制面的干涉求得波面的信息，已经被广泛应用于光学检验、光学测量、全息术、光学信息处理、激光散斑以及红外技术等各个领域。其中，白光剪切干涉仪由于采用等光程干涉，不受待测光源相干性的限制，适用于白光光源和多种宽光谱激光光源，包括半导体激光光源和某些化学激光器光源。等光程调整的精度决定了白光剪切干涉仪的性能，一般采用直接用白光光源观察彩色条纹的方法，由于两路相干涉光的光程差直接由毫米以上的精度调整到微米量级，操作难度大，耗费时间长。因此需要一种可以目视，精度渐进的简单调整方式。

白光剪切干涉仪包括雅敏剪切干涉仪、马赫曾德剪切干涉仪和Sagnac剪切干涉仪等多种类型。

在先技术[1](参见“普通物理实验”，孟尔熹主编，山东大学出版社1988。迈克尔逊干涉仪的调整和使用，p296)中所描述的利用氦氖激光源作光源，与扩束镜相连，作初步调整。然后更换光谱宽的钠灯观察，进一步调整光程。最后用白光光源观察到中心的彩色条纹，达到干涉等光程。该方法依靠技术人员的经验，需要多次更换设备，且调整费时、不易操作，对于高精密光学装置的调整和标定不适用。

在先技术[2](参见在先技术高鸿奕、陈健文、谢红兰、徐至展：马赫-陈德尔干涉仪的快速调整方法，申请号：03116834.5，申请日期：2003.5.9)中所描述的是用微束准直调整的方法对马赫-曾德干涉仪进行调整。该方法利用几何方法调整光线的位置，进一步根据光线位置调整反射镜的角度等，采用目视观察使两束光重合从而达到调节两路光程的目的。此方法由于采用几何及目视判断法，精度较低，且不能应用于剪切干涉仪的光路调整，不适合用于对所述的马赫-曾德剪切干涉仪进行等光程的调整。

在先技术[3](参见“用全息光学元件调整马赫-陈德干涉仪”，王新菊，应用激光联刊，1989年6期第8卷，第307页-309页)中所描述的是用全息光学元件来调整马赫-曾德干涉仪。该方法先利用两个柱面波前在记录平面上叠加，生成所需的等轴双曲带波片。然后将上述带波片放入马赫-曾德干涉仪中，利用全息元件再现的图样来判断干涉仪是否调准。该方法由于采用的是全息法调整干涉仪，因此对再现波面质量有较高的要求，而且其调整精度由全息光学元件唯一确定，不能改变，所以不适合用于所述的马赫-曾德剪切干涉仪的等光程调整。

在先技术[4](参见在先技术栾竹、刘立人、王利娟、刘德安：双光源准直光管，申请号：200810035779.5，申请日期：2008.4.9)中所描述的利用双光源准直光管产生的高度准直波面作为干涉仪的标定光源来调整干涉仪的光程差。该方法可以调整一般白光干涉仪的等光程，但不适用于对白光剪切干涉仪等光程的调整，而且该方法调整时精度不可控制，不符合所述的马赫-曾德剪切干涉仪的等光程调整的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种白光剪切干涉仪等光程的快速调整方法，该方法可精确并快速地将白光剪切干涉仪两路光束调整到等光程状态，使得所涉及的干涉仪能用于检测大口径衍射极限的激光波面质量，该方法具有简便、快速且其精确度渐进可控的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种白光剪切干涉仪等光程的快速调整方法，其特征在于包括下列步骤：

①在待调整的白光剪切干涉仪，以下简称为干涉仪的激光输入窗口前设置可调啁啾激光器和扩束准直透镜，所述的可调啁啾激光器发出的激光经所述的扩束准直透镜扩束后准直地射入干涉仪的激光输入窗口，调整干涉仪，使干涉仪的观察屏上观察到初步的剪切条纹，此时干涉条纹公式为：

Δ+d＝pλ，

式中：Δ为干涉仪剪切量S所引起的光程差，p为干涉条纹的级数，λ为所述的可调啁啾激光器输出的激光波长，d为干涉仪两臂不等长所引起的光程差，即为本方法所要消除的光程差；

②调节所述的可调啁啾激光器，使输出激光中心波长在650nm，波长宽度为1nm，在观察屏上观察干涉条纹，固定干涉仪的一臂光路，称为固定光路，调节另外一臂光路称为可动光路，使两臂之光程差d逐渐减小，直至观察到观察屏上的干涉条纹稳定为止；

③扩大所述的可调啁啾激光器的输出波长宽度，继续调节可动光路，使光程差d减小，直至观察到观察屏上的干涉条纹重新稳定为止；

④重复步骤③，逐步扩大可调啁啾激光器输出的波长宽度，直至波长宽度达100nm，所述的光程差d的值减小到微米以下量级，达到干涉仪等光程的要求。

所述的马赫-曾德剪切干涉仪的具体调整步骤包括：

①在待调整的马赫-曾德剪切干涉仪的激光输入窗口前设置所述的可调啁啾激光器和扩束准直透镜，所述的可调啁啾激光器发出的激光经所述的扩束准直透镜扩束后准直地经所述的马赫-曾德剪切干涉仪的激光输入窗口并45度角地入射到第一半透半反镜，透过该第一半透半反镜的光束为M光束，经该第一半透半反镜反射的光束为N光束，与M光束垂直，在N光束前进方向上放置第一全反镜组，在M光束前进方向上放置第二全反镜组，所述的N光束和M光束分别经两束光经第一全反镜组、第二全反镜组全反射后在第二半透半反镜位置垂直相交，所述的N光束透过第二半透半反镜，所述的M光束经第二半透半反镜反射后均到达观察屏，调节第一全反镜组的位置，使经过第一半透半反镜的反射的N光束与透射的M光束之间产生横向剪切量S，调节第二全反镜组的位置，使在观察屏上观察到初步的干涉条纹，干涉条纹的位置由下式确定：

$W_a\frac{2S}{R^2}\·x+d=\mathrm{p\λ}$

其中：λ为所述的可调啁啾激光器输出的激光波长，W_a为经过扩束准直透镜后的入射光束波面的波高，S为M光束与N光束在观察屏上垂直于光轴方向上的位移即横向的剪切量，R为入射光束的口径半径，d为M光束与N光束之间由于所述的全反镜组的位置而产生的光程差，x为p级干涉条纹在观察屏上的位置坐标，坐标原点0位于干涉图样的中心位置；

②调节扩束准直透镜的位置，改变其与啁啾激光器之间的距离h，使观察屏上在剪切范围内的干涉条纹的数目保持在3～5条，调节所述的啁啾激光器输出的激光脉冲，使其输出波长中心在650nm，波长宽度在1nm，观察观察屏上的干涉条纹变动情况，逐步调节第二全反镜组位置，使干涉条纹变动的速度减缓直至目视干涉条纹基本不变为止；

③扩大所述的可调啁啾激光器的输出波长宽度，继续调节第二全反镜组位置，使光程差d减小，直至观察到观察屏上的干涉条纹重新稳定为止；

④重复步骤③，逐步扩大可调啁啾激光器输出的波长宽度，直至波长宽度达100nm，使所述的马赫-曾德剪切干涉仪两臂光程差d的值减小到微米以下量级，达到干涉仪等光程的要求。

所述的最佳横向的剪切量S＝0.5R。

所述的观察屏可以替代为由成像物镜、CCD和带有分析软件的计算机组成计算机图像处理系统。

本发明的技术效果：

实验表明，本发明方法可精确并快速地将白光剪切干涉仪两路光束调整到等光程状态，该方法具有简便、快速且其精确度渐进可控的特点。

附图说明

图1是本发明对一般剪切干涉仪的调整方法的示意图。

图2是本发明对马赫-曾德剪切干涉仪快速调整示意图。

图3是可调啁啾激光器光源发出的光束经过扩束准直透镜后的入射情况。

图4是在观察屏上所看到的剪切干涉图样的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例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，图1所示为本发明对一般剪切干涉仪的调整方法的示意图，其中1为可调啁啾激光器，2为扩束准直透镜，12为需要调整的干涉仪，9为观察屏。图中S代表光束经过干涉仪后产生的剪切量(包括横向及径向剪切量)。白光剪切干涉仪等光程的快速调整方法包括下列步骤：

①在待调整的白光剪切干涉仪12的激光输入窗口前设置可调啁啾激光器1和扩束准直透镜2，所述的可调啁啾激光器1发出的激光经所述的扩束准直透镜2扩束后准直地射入干涉仪12的激光输入窗口，调整干涉仪12，使干涉仪的观察屏9上观察到初步的剪切条纹，此时干涉条纹公式为：

Δ+d＝pλ，

式中：Δ为干涉仪剪切量S所引起的光程差，p为干涉条纹的级数，λ为所述的可调啁啾激光器1输出的激光波长，d为干涉仪两臂不等长所引起的光程差，即为本方法所要消除的光程差；

②调节所述的可调啁啾激光器1，使输出激光中心波长在650nm，波长宽度为1nm，在观察屏9上观察干涉条纹，固定干涉仪的一臂光路，称为固定光路，调节另外一臂光路称为可动光路，使两臂之光程差d逐渐减小，直至观察到观察屏9上的干涉条纹稳定为止；

③扩大所述的可调啁啾激光器1的输出波长宽度，继续调节可动光路，使光程差d减小，直至观察到观察屏9上的干涉条纹重新稳定为止；

④重复步骤③，逐步扩大可调啁啾激光器输出的波长宽度，直至波长宽度达100nm，所述的光程差d的值减小到微米以下量级，达到干涉仪等光程的要求。

以下用马赫-曾德剪切干涉仪等光程的快速调整步骤来对本方法进行详细说明：

马赫-曾德剪切干涉仪装置如图2所示，其构成包括：两块以45度角平行放置的第一半透半反镜3和第二半透半反镜6，第一全反射镜组4，5，第二全反射镜组7，8，所述的第一全反射镜组4，5的底部位于第一导轨10上，所述的第二全反镜组7，8的底部位于第二导轨11上，其中第一导轨10和第二导轨11都可沿图中所示的方向移动从而实现两全反镜组的移动。

图3是可调啁啾激光器光源发出的光束经过扩束准直透镜后的入射情况，扩束准直透镜2位于可移动的导轨13上，通过导轨13可以改变扩束准直透镜2与可调啁啾激光器1的距离h，从而改变入射波面的波高W_a。

马赫-曾德剪切干涉仪等光程的快速调整的方法的具体调整步骤如下：

①在待调整的马赫-曾德剪切干涉仪的激光输入窗口前设置所述的可调啁啾激光器1和扩束准直透镜2，所述的可调啁啾激光器1发出的激光经所述的扩束准直透镜2扩束后准直地经所述的马赫-曾德剪切干涉仪的激光输入窗口45度角地入射到第一半透半反镜3，透过该第一半透半反镜3的光束为M光束，经该第一半透半反镜3反射的光束为N光束，与M光束垂直，在N光束前进方向上放置第一全反镜组4，5，在M光束前进方向上放置第二全反镜组7，8，所述的N光束和M光束分别经两束光经第一全反镜组4，5、第二全反镜组7，8全反射后在第二半透半反镜6位置垂直相交，所述的N光束透过第二半透半反镜6，所述的M光束经第二半透半反镜6反射后均到达观察屏9，通过第一导轨10调节第一全反镜组4，5的位置，使经过第一半透半反镜3的反射的N光束与透射的M光束之间产生横向剪切量S，通过第二导轨11调节第二全反镜组7，8的位置，使在观察屏9上观察到初步的干涉条纹，干涉条纹的位置由下式确定：

$W_a\frac{2S}{R^2}\·x+d=\mathrm{p\λ}---\left(1\right)$

其中：λ为所述的可调啁啾激光器1输出的激光波长，W_a为经过扩束准直透镜2后的入射光束波面的波高，S为M光束与N光束在观察屏9上垂直于光轴方向上的位移即横向的剪切量，R为入射光束的口径半径，d为M光束与N光束之间由于所述的全反镜组的位置而产生的光程差，x为p级干涉条纹在观察屏9上的位置坐标，坐标原点0位于干涉图样的中心位置，参见图4；

②调节所述的扩束准直透镜2的位置，改变其与啁啾激光器1之间的距离h，使观察屏上在剪切范围内的干涉条纹的数目保持在3～5条，调节所述的啁啾激光器1输出的激光脉冲，使其输出波长中心在650nm，波长宽度在1nm，观察观察屏9上的干涉条纹变动情况，逐步通过第二导轨11调节第二全反镜组7，8位置，使干涉条纹变动的速度减缓直至目视干涉条纹基本不变为止；

③扩大所述的可调啁啾激光器1的输出波长宽度，继续调节第二全反镜组7，8位置，使光程差d减小，直至观察到观察屏9上的干涉条纹重新稳定为止；

④重复步骤③，逐步扩大可调啁啾激光器输出的波长宽度，直至波长宽度达100nm，使所述的马赫-曾德剪切干涉仪两臂光程差d的值减小到微米以下量级，达到干涉仪等光程的要求。

所述的最佳横向的剪切量S＝0.5R。

根据(1)式，可以得出当光波长λ发生改变是，干涉条纹的位置x也要发生变化，其对应关系是：

$\mathrm{dx}=\frac{R^{2}P\·\mathrm{d\λ}}{2S{W}_a}---\left(2\right)$

由于激光器输出的是激光脉冲，所以干涉图目视观察时是随时间来回移动的，条纹的移动速度由dx决定，即由干涉条纹的级数P决定。因此干涉图条纹级数越高，其稳定性就越差。所以，只有当两路光程差d非常小时，可以使干涉图样趋于稳定。因此当调节第二全反镜组(7，8)使干涉图逐步稳定时，就可以实现逐步消除两路光束之间的光程差d。由于光程差d主要影响干涉条纹的级数P，因此(2)式可变为：

$P=\frac{2S{W}_a}{R^2}\·\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}---\left(3\right)$

当对干涉仪进行调整时，观察干涉图的稳定与否主要以中央条纹的移动作为参考，即假定此时x＝0，则根据(1)(3)两式可以得出：

$d=\frac{2\mathrm{\λS}{W}_a}{R^2}\·\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\λ}}---\left(4\right)$

逐步扩大啁啾激光器输出的激光脉冲波长宽度，每次改变波长宽度后重新调整第二全反镜组7，8的位置，使干涉条纹趋于稳定。由于当dλ增大时，要使干涉图样继续保持稳定，则dx基本不变，根据(4)式可知此时光程差d就要减小，当d减小到一定范围以内时才能使干涉图样重新稳定，因此根据观察干涉图来调整干涉仪的方法可以实现逐步将d控制在所需的精度范围内的目的。

根据上述过程，若剪切干涉范围内条纹数目为5，即波高W_a为3个波长左右，假定干涉图样稳定时dx＝0.1mm，当dλ在1nm时，可以调节d的精度在10～15μm左右，当dλ扩大至10nm时，可以调节d的精度在1μm左右。当dλ达到100nm时，调节干涉图稳定时d在100nm左右，可以认为两路光束为等光程光束。

下面给出一个最佳实施例的具体参数：

可调啁啾激光器1的输出脉冲中心波长在650nm，光束孔径半径R为10mm，双光束横向剪切量S为5mm。调节h使在观察屏上观察到全口径的干涉条纹数目为5条。开始时调节激光器输出啁啾波长宽度为1nm，待调节干涉图样至稳定时，d的值在12μm左右，逐步调大输出脉冲的波长宽度至10，50，100nm，最后调节到干涉图样稳定时d的值为120nm左右。

实验表明：利用本发明方法，一个普通光学专业工作人员，可以在20分钟内将干涉仪两路光程差调到1μm以内，大大缩短了进行检测工作时干涉仪的调整时间。

所述的观察屏9可以替代为由成像物镜、CCD和带有分析软件的计算机组成计算机图像处理系统。

综上所述，利用本方法可以快速准确的调节马赫-曾德剪切干涉仪，从而可以让该干涉仪快速准确的完成检测波面质量等工作，同时本方法也适用于其他的白光剪切干涉仪等光程的调整，例如雅敏剪切干涉仪和Sagnac剪切干涉仪等可能会产生附加光程差的剪切干涉仪均可用本方法消除附加光程差的影响。

Claims (4)

1、一种白光剪切干涉仪等光程的快速调整方法，其特征在于包括下列步骤：

①在待调整的白光剪切干涉仪(12)，以下简称为干涉仪的激光输入窗口前设置可调啁啾激光器(1)和扩束准直透镜(2)，所述的可调啁啾激光器(1)发出的激光经所述的扩束准直透镜(2)扩束后准直地射入干涉仪(12)的激光输入窗口，调整干涉仪(12)，使干涉仪的观察屏(9)上观察到初步的剪切条纹，此时干涉条纹公式为：

Δ+d＝pλ，

式中：Δ为干涉仪剪切量S所引起的光程差，p为干涉条纹的级数，λ为所述的可调啁啾激光器(1)输出的激光波长，d为干涉仪两臂不等长所引起的光程差，即为本方法所要消除的光程差；

②调节所述的可调啁啾激光器(1)，使输出激光中心波长在650nm，波长宽度为1nm，在观察屏(9)上观察干涉条纹，固定干涉仪的一臂光路，称为固定光路，调节另外一臂光路称为可动光路，使两臂之光程差d逐渐减小，直至观察到观察屏(9)上的干涉条纹稳定为止；

③扩大所述的可调啁啾激光器(1)的输出波长宽度，继续调节可动光路，使光程差d减小，直至观察到观察屏(9)上的干涉条纹重新稳定为止；

④重复步骤③，逐步扩大可调啁啾激光器输出的波长宽度，直至波长宽度达100nm，所述的光程差d的值减小到微米以下量级，达到干涉仪等光程的要求。

2、根据权利要求1所述的白光剪切干涉仪等光程的快速调整方法，其特征在于所述的干涉仪(12)为马赫-曾德剪切干涉仪，具体调整步骤包括：

①在待调整的马赫-曾德剪切干涉仪的激光输入窗口前设置所述的可调啁啾激光器(1)和扩束准直透镜(2)，所述的可调啁啾激光器(1)发出的激光经所述的扩束准直透镜(2)扩束后准直地经所述的马赫-曾德剪切干涉仪的激光输入窗口45度角地入射到第一半透半反镜(3)，透过该第一半透半反镜(3)的光束为M光束，经该第一半透半反镜(3)反射的光束为N光束，与M光束垂直，在N光束前进方向上放置第一全反镜组(4，5)，在M光束前进方向上放置第二全反镜组(7，8)，所述的N光束和M光束分别经两束光经第一全反镜组(4，5)、第二全反镜组(7，8)全反射后在第二半透半反镜(6)位置垂直相交，所述的N光束透过第二半透半反镜(6)，所述的M光束经第二半透半反镜(6)反射后均到达观察屏(9)，调节第一全反镜组(4，5)的位置，使经过第一半透半反镜(3)的反射的N光束与透射的M光束之间产生横向剪切量S，调节第二全反镜组(7，8)的位置，使在观察屏(9)上观察到初步的干涉条纹，干涉条纹的位置由下式确定：

$W_a\frac{2S}{R^2}\·x+d=\mathrm{p\λ}$

其中：λ为所述的可调啁啾激光器(1)输出的激光波长，W_a为经过扩束准直透镜(2)后的入射光束波面的波高，S为M光束与N光束在观察屏(9)上垂直于光轴方向上的位移即横向的剪切量，R为入射光束的口径半径，d为M光束与N光束之间由于所述的全反镜组的位置而产生的光程差，x为p级干涉条纹在观察屏(9)上的位置坐标，坐标原点0位于干涉图样的中心位置；

②调节扩束透镜(2)的位置，改变其与啁啾激光器(1)之间的距离h，使观察屏上在剪切范围内的干涉条纹的数目保持在3～5条，调节所述的啁啾激光器(1)输出的激光脉冲，使其输出波长中心在650nm，波长宽度在1nm，观察观察屏(9)上的干涉条纹变动情况，逐步调节第二全反镜组(7，8)位置，使干涉条纹变动的速度减缓直至目视干涉条纹基本不变为止；

③扩大所述的可调啁啾激光器(1)的输出波长宽度，继续调节第二全反镜组(7，8)位置，使光程差d减小，直至观察到观察屏(9)上的干涉条纹重新稳定为止；

④重复步骤③，逐步扩大可调啁啾激光器输出的波长宽度，直至波长宽度达100nm，使所述的马赫-曾德剪切干涉仪两臂光程差d的值减小到微米以下量级，达到干涉仪等光程的要求。

3、根据权利要求2所述的白光剪切干涉仪等光程的快速调整方法，其特征在于所述的最佳横向的剪切量S＝0.5R。

4、根据权利要求1或2或3所述的对白光剪切干涉仪等光程的快速调整方法，其特征在于所述的观察屏(9)可以替代为由成像物镜、CCD和带有分析软件的计算机组成计算机图像处理系统。

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