CN103630075B - 一种光束的微小位移测量方法及测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光束的微小位移测量方法及测量设备，该方法包括以下步骤：距离柱面镜中心线所在平面垂直距离x₀处的激光投射到柱面镜上，通过柱面镜反射到观测屏上x₁处；激光发射器移动微小位移dx后，距离柱面镜中心线所在平面垂直距离x₀+dx处的激光投射到柱面镜上，通过柱面镜反射到观测屏上x₂处：由公式<maths num="0001"></maths>即可计算出光微小位移dx，式中h为柱面镜中心线到观测屏的距离，r为柱面镜的半径，a、b为常数，a＝r²-x₀ ²，b＝2x₀ ²-r²；该设备包括激光发射器、三维移动平台、柱面镜及观测屏，激光发射器设在三维移动平台上，柱面镜与激光发射器位于同一高度，观测屏位于激光发射器及柱面镜的侧面。与现有技术相比，本发明结构简单，操作方便，设备造价低，检修维护方便，测量精度更高。

Description

一种光束的微小位移测量方法及测量设备

技术领域

本发明涉及物理光学领域，尤其是涉及一种光束的微小位移测量方法及测量设备。

背景技术

微小位移测量是实现精加工的前提和基础，也一直是物理领域人们热衷研究的对象。对于光微小位移的测量，学科还处于技术发展阶段，在国内外尚未形成绝对的学科和技术优势。

目前国际上光微小位移的测量仪器虽然精度较高，但操作复杂，并且测量精度较差，只能测量到几百微米左右。

我们基于古斯-汉欣位移效应的光束平移理论及方法，展开对微小位移的测量的研究。利用光的柱面反射推导出光微小位移计算公式，研究制作出的仪器，可将光微小位移精确测量微米级，大大提高测量的精度，为一些高精度研究要求提供技术支持，在实验应用上有着广泛的发展前景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量精度更高、更简便的光束的微小位移测量方法及测量设备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种光束的微小位移测量方法，包括以下步骤：

(1)距离柱面镜中心线所在平面垂直距离x₀处的激光投射到柱面镜上，通过柱面镜反射到观测屏上x₁处；

(2)激光发射器移动微小位dx后，距离步骤(1)所述的柱面镜中心线所在平面垂直距离x₀+dx处的激光投射到柱面镜上，通过柱面镜反射到观测屏上x₂处；

(3)由公式 $1/\mathrm{dx}=(8h{x_0}^{2}a+b^2\sqrt{a}+2h{b}^2)/\left[b^2\sqrt{a}(x_2-x_1)\right]-8x_0/b$ 即可计算出待测的光微小位移dx，式中h为柱面镜中心线到观测屏的距离，r为柱面镜的半径，a、b为常数，a＝r²-x₀ ²，b＝2x₀ ²-r²。

一种实施光束的微小位移测量方法的测量设备，该设备包括激光发射器、三维移动平台、柱面镜及观测屏，所述的激光发射器设在三维移动平台上，所述的柱面镜与激光发射器位于同一高度，所述的观测屏位于激光发射器及柱面镜的侧面。

所述的柱面镜设在支撑架上。

所述的柱面镜为高反射率镀膜柱面镜。

该测量设备还包括压缩光束装置，所述的压缩光束装置位于柱面镜与观测屏之间。由于光线经过反射后会变粗，影响测量精度，在反射光线经过的途中添加一个压缩光束装置，减少由光线变粗带来的误差。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、运用反射法对待测光微小位移进行放大处理，通过测量得到观测屏上两反射光间的距离，根据推导公式来获取待测光微小位移的值，该方法可以获取光微小位移，并且测量精度高；

2、装置结构简单，操作使用方便，整个过程清晰、直观性强，易于理解；

3、仪器造价低，可用于各高等院校实验室；

4、采用反射原理，所用光源为普通激光，对测量环境要求低；

5、检修维护方便，本发明仪器各部分结构层次分明，方便拆卸和更换；

6、应用范围广，为物理实验测量提供了一种更为简单、高精度的测量“古斯-汉欣”位移的方法。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明的设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种光束的微小位移测量方法，方法原理如图1所示，包括以下步骤：

(1)距离柱面镜中心线所在平面垂直距离x₀处的激光投射到柱面镜上，通过柱面镜反射到观测屏上x₁处；

(2)激光发射器移动微小位移dx后，距离步骤(1)柱面镜中心线所在平面垂直距离x₀+dx处的激光投射到柱面镜上，通过柱面镜反射到观测屏上x₂处；

(3)由公式 $1/\mathrm{dx}=(8h{x_0}^{2}a+b^2\sqrt{a}+2h{b}^2)/\left[b^2\sqrt{a}(x_2-x_1)\right]-8x_0/b$ 即可计算出待测的光微小位移dx，式中h为柱面镜中心线到观测屏的距离，r为柱面镜的半径，a、b为常数，a＝r²-x₀ ²，b＝2x₀ ²-r²，通过大量试验表明，该方法测量精度达到微米级。

一种光束的微小位移测量设备，结构如图2所示，图中A表示入射光线，B表示反射光线，该设备包括激光发射器2、高精度三维移动平台1、柱面镜4、支撑架3、观测屏5及压缩光束装置6，激光发射器2设在高精度三维移动平台1上，柱面镜4设在支撑架3上，柱面镜4与激光发射器2位于同一高度，观测屏5位于激光发射器2及柱面镜4的侧面，压缩光束装置6位于柱面镜4与观测屏5之间。柱面镜4为直径为1cm的高反射率镀膜柱面镜。由于光线经过反射后会变粗，影响测量精度，在反射光线B经过的途中添加一个压缩光束装置6，减少由光线变粗带来的误差。

首先，激光发射器2发出的光投射到柱面镜4上，反射光线打到观测屏5上，记录下位置为x₁；利用高精度三维移动平台1将激光发射器2移动微小位移dx，再次记录反射光线打在观测屏5上的位置，测量出两个位置间的距离(x₂-x₁)。根据高精度三维移动平台1所测得的光束微小位移dx，利用推导公式 $1/\mathrm{dx}=(8h{x_0}^{2}a+b^2\sqrt{a}+2h{b}^2)/\left[b^2\sqrt{a}(x_2-x_1)\right]-8x_0/b$ 计算得出放大位移量(x₂-x₁₂)′。

通过比较(x₂-x₁)和(x₂-x₁)′的相对误差，可以得出当x₀取值越小时，dx的可测范围越广，相对误差越小。本方法可根据测得的两个位置间的距离(x₂-x₁)，通过推导公式计算得出光束微小位移dx。

Claims (4)

1.一种光束的微小位移测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)距离柱面镜中心线所在平面垂直距离x₀处的激光投射到柱面镜上，通过柱面镜反射到观测屏上x₁处；

(2)激光发射器移动微小位移dx后，距离步骤(1)所述的柱面镜中心线所在平面垂直距离x₀+dx处的激光投射到柱面镜上，通过柱面镜反射到观测屏上x₂处；

(3)由公式 $1/\mathrm{dx}=(8h{x_0}^{2}a+b^2\sqrt{a}+2h{b}^2)/\left[b^2\sqrt{a}(x_2-x_1)\right]-8x_0/b$ 即可计算出待测的光微小位移dx，式中h为柱面镜中心线到观测屏的距离，r为柱面镜的半径，a、b为常数，a＝r²-x₀ ²，b＝2x₀ ²-r²。

2.一种实施权利要求1所述的光束的微小位移测量方法的测量设备，其特征在于，该设备包括激光发射器、三维移动平台、柱面镜及观测屏，所述的激光发射器设在三维移动平台上，所述的柱面镜与激光发射器位于同一高度，所述的观测屏位于激光发射器及柱面镜的侧面，所述的柱面镜为高反射率镀膜柱面镜。

3.根据权利要求2所述的一种光束的微小位移测量设备，其特征在于，所述的柱面镜设在支撑架上。

4.根据权利要求2所述的一种光束的微小位移测量设备，其特征在于，该测量设备还包括压缩光束装置，所述的压缩光束装置位于柱面镜与观测屏之间。