CN1030865C

CN1030865C - 全方位光束检验仪

Info

Publication number: CN1030865C
Application number: CN 92108417
Authority: CN
Inventors: 徐德衍; 陈淑琴; 郑朝思
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1996-01-31
Anticipated expiration: 2007-05-15
Also published as: CN1078557A

Abstract

本发明属于光学仪器领域的一种全方位光束检验仪。用于光学与激光工程，光学与激光实验中光束准直与质量检测。该检验仪由有入射光阑屏构成固定部分和带有楔角的剪切干涉平板可绕入射光束光轴转动360°以及绕平板中心法线转动360°和含有固定和转动两块分划板的干涉图形观测屏所构成的转动部分两大部分组成。本发明的检验仪具有任意方位光束的剪切干涉，检测灵敏度高，可直接给出定量结果，结构简单，造价低廉，易于推广使用的优点。

Description

本发明属于检测光束质量的光学仪器，主要用于激光研究、激光工程及一般光学系统光束参数与质量的检测。

光束准直及检验的现有方法有：

(1)用平行平板作为剪切干涉仪视零场干涉图形存在与否作为评判光束准直的依据。主要由点光源1、准直物镜2、平行平板剪切干涉仪3和成象透镜4所构成，观察到干涉图形5如图1所示(Appl.Opt.3.1964，531-534；激光，6，4，1979，47—51；剪切干涉仪及其应用，机械工业出版社，北京，1987年8月，P.77—82，P.220—227。

(2)检测光束准直的剪切干涉仪主要由入射光阑屏6、带有楔角的可以旋转360°的剪切干涉平板9(称为楔板)和图形观测屏三部分组成(发明申请号90101910.0)。

(3)正交两维剪切干涉(激光，7，10，1980，38—41；Appl.Opt，15，1975，1605)。

上述几种方法均存在一些缺点：

1.方法(1)存在灵敏度不高，不能给出定量结果，平行平板的平行度要求严格，难以达到要求；

2.方法(2)虽然结构简单，造价低廉，灵敏度提高又能给出定量结果，但与方法(1)一样只是基于被检验波面为旋转对称的情况下适用，对于非旋转对称波面，例如象散波面、柱波面等均不适用，因为上述仅是楔板可转动360°，是一维横向剪切干涉；

3.方法(3)虽然能给出正交两维横向剪切干涉但不能给出定量结果，另一方面，不能给出全方位(或称任意方向)剪切干涉的定量检测。

本发明的目的在于克服上述列举几种方法的不足之处，发明一种既简单实用、造价低廉，又能全方位定量检测光束准直及质量的检验仪。

本发明的检验仪是由入射光阑屏6构成的固定部分7和有两种旋转方向的剪切干涉板及有固定和转动分划板组成的干涉图形观测屏的转动部分8所构成。其中固定部分7的入射光阑处于干涉板之前，为接收入射光束的最前方；转动部分8的剪切干涉板是一块带有楔角B的楔形平板9(以下简称平板)装入可完成两种旋转方向的镜框10内，镜框10上带有游标刻度读数的分划度盘，镜框的支架可以升降，平板两种方向的旋转是：其一，平板绕入射光束的光轴旋转360°，并能示出旋转的方位角度值，从而实现光束相应方位的剪切干涉；其二，平板绕其前表面中心法线为轴而转动，亦可旋转360°，两种旋转方向的位置均有分划度盘显示出，分划度盘上刻有360°，其中一块度盘直读精度是6′，估读精度为2′。转动部分8中的干涉图形观测屏由固定分划板11和可转动分划板12两部分构成，其中转动分划板带有外环角度刻度盘以便显示转动方位角。整体观测屏是绕入射光束的光轴随其平板一起转动。平板两个转动方向的配合使用，可测出所要求的参数。设光学系统的F数(f/D)为1，根据计算，不同方位离焦量测试精度可达1μm。

根据在某一方位角ai上观测的干涉条纹方向，被检测系统在这ai方位角上的离焦量Δf_ai表示为：

Δf_ai＝1/S nBf²tgα (1)

(1)式中：f—被检测系统的焦距

n—平板材料的折射率

B—平板的楔角

S—光束剪切量

α—干涉条纹与参考标线的倾角

本干涉仪中，光束剪切量S表达式为：

S = h / \sqrt{n^{2} - 1}

(2)

(2)式中：h—平板的厚度。

根据在某一方位角ai上观测到的干涉条纹方向，则被测光束在这一方位角上的发散角θ_ai表示为

θ_ai＝1/SDnBtgα(3)

(3)式中：D-被测光束口径。

于是，也可以得出在这一方位角上波面曲率半径R_ai的表达式：

R_ai＝f₂/Δf_ai (4)

或R_ai＝D/θ_ai (5)

当测定几个特征方位角ai(例如ai＝0°，45°，90°，135°，180°等)的R_ai后，即可得到象散的表达式：

ST＝|1/R_ai－1/R_(ai＋90°)(6)

式(6)中：R_ai——任意方位角ai上的波面曲率半径，例如，ai＝0°，则ai＋90°＝90°。

本检验仪的剪切干涉板两面可以镀膜也可以不镀膜使用；平板的楔角根据被检验光束口径及光束剪切量而定，取值范围最好在5″～6″之间。

本发明的主要优点是：

本发明较之发明专利90101910.0功能更全，可以检测光束之任意方向上的数据；可以给出象差的定量结果，例如常见的象散差，象散波面及柱面波面等，应用较广，不仅可用于旋转对称波面，还可以用于非旋转对称的波面，结构简单，造价低廉。在光学、激光及强激光检测领域里有良好的推广应用前景。

附图说明：

图1为方法1测试光束准直的一维剪切干涉仪。

图2为本发明平板所处的四种不同方位角的位置示意图，图中：A₀A₁是入射光束的光轴，B₀B₁是平板前表面的中心法线。

图2(a)当平板0绕B₀B₁旋转，即完成在x方向上的一维剪切干涉的定量检测；

图2(b)表示在图2(a)的位置后平板9绕A₀A₁旋转90°后光束在Y方向的剪切。实际上，这一过程光束已可实现在x-y座标中的第一和第三象限内的任一方向的剪切干涉；

图2(c)表示在图2(a)的位置后平板9绕A₀A₁转动180°的情况，事实上，平板9转到此位置时，完成了x-y座标系中第二、四象限内的剪切，即此时完成了全方位剪切；

图2(d)表示了相对于图1(a)平板9转动了270°时的情况。

图3本发明检验仪的结构示意图。

图4表示一较好的回转对称波面在五个不同方位(0°，45°，90°，135°，180°)上得到的剪切干涉图形。

图5表示将一点燃的酒精灯火焰插入图3中入射光阑屏前，在上述图4中的回转对称波面五个方位角上得到的剪切干涉图形。

图6表示一彗差方向在x方向的光束，同样在上述五个不同方位角上，得到的剪切干涉图形。

实施例：

当被检验系统的F—数(f/D)为1时，若平板楔角B＝20″，其折射率n＝1.51，相对剪切量S/D＝1/5，应用公式(1)得准直系统的离焦量表达式为：

Δf＝0.0004ftgα (7)若α角的测试精度为1°37′，f＝100mm，则离焦量可测得Δf＝0.0011mm。

应用K9玻璃作为平板材料，相对剪切量仍为1/5，光束入射角45°，应用公式(2)得平板的厚度h≈11.38mm。

若相对剪切量S/D仍为1/5，平板楔角B＝20″，其折射率n＝1.51，在方位角ai＝90°位置上α＝1°37′，应用公式(3)得到在这一方位角上光束发散角为：

θ_90°＝0.002mrad

若光学系统焦距f＝100mm，Δf₄₅°＝0.05mm，Δf_135°＝0.04mm，利用公式(4)得出在45°方位角及135°方位角的波面半径分别为：

R_45°＝200m

R_135°＝250m

应用公式(6)可得出在上述两个方位角上的象散

ST＝0.001m^-1

若平板两表面需要镀膜，可按下面公式计算两面的反射率：

R₂＝R₁/(1-R₁)² (8)

式中；R₁，R₂分别为平板前后两表面的反射率。

选取平板前后表面的反射率R₁，R₂，可根据需要择其表1中的一组。

表一

R₁％	5	10	20	25	30	35	38
R₁％	5	10	20	25	30	35	38	R₂％	5.5	12.3	31.2	44.4	61.2	92.9	100

在不同方位角情况下，所观测到几种特征波面的干涉图形分别由图4、5、6显示出。

Claims

1.一种用于检测光束质量的全方位光束检验仪，含有入射光阑屏，剪切干涉板是带有楔角B的平板和干涉图形观测屏，其特征在于由入射光阑屏构成的固定部分(7)和有两种旋转方向的剪切干涉板(9)与有固定和转动分划板组成的干涉图形观测屏的转动部分(8)两大部分构成，

被检测系统在ai方位角上的离焦量Δf_ai符合公式：

Δf_ai＝1/SnBf²tgα (1)

(1)式中：f—被检测系统的焦距

n—平板材料的折射率

B—平板的楔角

α—干涉条纹与参考标线的倾角

S—光束剪切量

角标ai表示被检测系统在ai方位角上的角度值。

(1)式中：

S＝h/n²-1 (2)

(2)式中：h—为平板的厚度；

被测光束在ai方位角上的发散角θ_ai表示为：

θ_ai＝1/SD_nBtgα(3)

(3)式中：D—为被测光来口径；

被测光束在ai方位角上的波面曲率半径R_ai表示为：

R_ai＝f²/Δf^ai(4)

或R_ai＝D/θ_ai(5)

被测光束在ai方位角上的象散为：

ST＝|1/R_ai－1/R_(ai＋90°)| (6)

(6)式中：i＝0，1，2，…

2.根据权利要求1所述的一种全方位光束检验仪，其特征在于平板一种旋转方向是绕平板对着入射光束表面的中心法线旋转360°，另一种旋转方向是绕入射光束的光轴旋转360°。

3.根据权利要求1、2所述的一种全方位光束检验仪，其特征在于干涉图形观测屏是由固定分划板和可转动分划板两部分构成，并整体干涉图形观测屏绕入射光束的光轴随平板一起转动。