CN113281013B - 一种用于真空环境下测量光学元件面形的装置及方法 - Google Patents

一种用于真空环境下测量光学元件面形的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于真空环境下测量光学元件面形的装置及方法，装置包括真空腔体、调节单元、真空测量单元和面形测量单元，真空腔体用于及安装调节单元和光学元件，并提供真空环境；调节单元用于安装光学元件，以及实现测试元件的水平移动和俯仰调节；光学元件包含参考反射镜和待测光学元件，参考反射镜用于提供高质量的面形参考，待测光学元件是需要被测量的光学元件；真空测量单元用于测量真空腔体的真空度；面形测量单元用于测量激光波前。该装置可以对安装在真空环境中的光学元件面形进行测量，并且可以改变真空腔体的压强，在不同压强下测量光学元件面形。

Description

一种用于真空环境下测量光学元件面形的装置及方法
技术领域
本发明属于光学检测领域，更具体地，涉及一种用于真空环境下测量光学元件面形的装置及方法。
背景技术
高面形质量的光学元件在诸多科学研究中被使用，例如在空间引力波探测和惯性约束核聚变领域，都需要高面形质量的光学元件；在原子干涉重力仪中，波前畸变效应与光学元件面形直接相关，光学元件面形质量越好，波前畸变效应通常越小，更重要的是，还需要对光学元件的面形进行准确地测量。
波前畸变效应是目前限制高精度原子干涉重力仪准确度进一步提高的主要因素，而波前畸变效应与光学元件的面形直接相关。在评估原子干涉重力仪中的波前畸变效应时需要精确地测量光学元件的面形，同时，为了避免真空容器底部窗口的影响，需要将光学元件安装至真空容器内部使用。
通常情况下光学元件面形是在大气环境下测量的，然而，在原子干涉仪中，光学元件需要安装到真空容器内部使用，使用环境为真空环境，因此就希望在真空环境测量光学元件的面形。如何测量真空环境中的光学元件面形，目前并没有合适的测量装置。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种测量真空环境中光学元件面形的装置，旨在解决真空环境下光学元件面形无法测量的难题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种测量真空环境中光学元件面形的装置，包括真空腔体，调节单元，真空测量单元和面形测量单元；调节单元设置在真空腔体内部且设置在真空腔体底部，用于放置待测光学元件并实现光学元件的水平移动和俯仰调节；真空测量单元连接在所述真空腔体的侧壁，用于测量所述真空腔体内部的压强；真空腔体顶部开设有玻璃窗口，通过反射镜将激光引入真空腔体的内部，面形测量单元设置于真空腔体的上方，通过所述面形测量单元进行波前测量。
本发明实施例中，真空腔体用于安装调节单元，考虑到调节单元的形状和移动，并且为了节省材料，因此将真空腔体设计为长方体，长宽高分别为420mm、255mm和300mm，当然，该腔体尺寸可以更大；加工材料为铝合金，但不限于铝合金。采用机械泵和分子泵对真空腔体进行抽真空，采用真空测量单元对真空腔体真空度进行监测。
本发明实施例中，调节单元用于安装光学元件，并能够对光学元件进行水平移动和俯仰调节；因为该部分系统安装在真空容器内部，无法手动调节，因此调节单元全部采用电动装置。
本发明实施例中，面形测量单元用于测量从光学元件反射回来的激光波前；在本发明中采用夏克-哈特曼波前传感器对波前进行测量，但不限于该波前传感器，还可以使用激光干涉仪等波前测量装置。
另一方面，在本发明中，可以测量透射光学元件和反射光学元件的面形，具体包括：
当需要测量透射光学元件时，将透射光学元件放置在调节单元上，将参考反射镜放置在真空腔体底部。首先，将透射光学元件移开，测量仅有参考反射镜时的第一波前WF1；再将光学元件移到参考反射镜上方，此时测得波前就包含了参考反射镜和透射光学元件贡献的第二波前WF2；因为测得波前正比于光学元件的面形，两次测得波前相减，即可得透射光学元件的面形。
当需要测量反射光学元件的面形时，将参考反射镜安装在调节单元左边的电动镜架上，将测试反射光学元件安装在调节单元右边的电动镜架上。首先，移动调节单元至右边，测量左边的参考反射镜的第三波前WF3；然后移动调节单元至左边，测量右边的待测反射光学元件的第四波前WF4，当参考反射镜面形远远好于待测反射光学元件时，两次测量相减，即为待测反射光学元件的面形。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，具有以下有益效果：本发明提供了一种测量真空环境中光学元件面形的实验装置，该装置结构简单且易实现，采用简单的结构能够测量真空中光学元件的面形；所有光路均在密封环境中，可以有效地避免环境因素的干扰，有利于提高测量的稳定性和重复性；通过改变真空腔体气压，可以测量不同压强下的光学元件面形，可用于研究气压对光学元件面形的影响；通过电控平移台和电动镜架控制光学元件的移动和俯仰，可以达到在真空环境下自动测量光学元件面形的目的，更进一步，自动调节和测量一方面可以减少光学元件定位的准确性和重复性，另一方面可以减少人为操作导致的随机误差，提高测量的可靠性。
附图说明
图1为本发明提出的测量真空环境下光学元件面形的装置示意图。
图2为本发明实施例提供的装置中调节单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的用于测量透射光学元件面形的装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的用于测量反射光学元件面形的装置的结构示意图。
其中，1为真空腔体，2为调节单元，3光学元件，4为真空测量单元，5为面形测量单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明为了测量真空中光学元件的面形，提供了一种适用于真空下光学元件面形测量装置。本发明提供的适用于真空下光学元件面形测量的装置，主要包括真空腔体、调节单元、光学元件、真空测量单元和面形测量单元。其主要的特点是结构简单且易实现，可以测量真空环境中的光学元件面形，而且可以通过改变真空腔体的真空度，测量不同压强下的光学元件面形；更重要的特点是，采用电动装置自动调节光学元件的位移和俯仰，无需人为操作。
图1示出了本发明提出的用于测量真空环境下光学元件面形的装置结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
本发明提供的真空装置包括：真空腔体1、调节单元2、光学元件3、真空测量单元4和面形测量单元5；光学元件3安装在调节单元2的镜架上，调节单元2可以实现光学元件的水平移动和俯仰调节；调节单元2的位移平台安装在真空腔体1底部，面形测量单元5位于真空腔体上方，真空腔体1顶部开有玻璃窗口，通过反射镜将激光引入真空腔体1内部，从而进行波前测量；真空测量单元4连接在真空腔体1侧壁，用于测量真空腔体1内部的压强。
长方体形的真空腔体1内部固定有调节单元2，调节单元2上安装光学元件3，真空腔体1右侧面连接真空测量单元4，上面是面形测量单元5通过反射镜将光打入真空腔体1内部。真空腔体尺寸为420mm×255mm×300mm，前后面上开直径100mm的圆孔作为观察窗口，在上表面开直径63mm的圆孔，用于入射激光。真空腔体1的材料为铝合金，其他材料亦可，观察窗口和激光入射窗口均为石英玻璃，其他玻璃材料亦可，只要保证足够的激光透过率即可。右侧连接真空测量单元，真空计用于读取腔体内部气压值。上面设置有面形测量单元，面形测量单元出射的光经反射镜并通过真空腔体顶部的窗口打入真空腔体1的内部。
调节单元2的具体结构如图2所示，调节单元2包括电控平移台21、手动平移台22、固定镜架23、第一电动镜架24和第二电动镜架25，最底部是电控平移台21，中间是手动平移台22，手动平移台22上面固定两个相同的第一电动镜架24和第二电动镜架25。该单元总长度335mm，略小于真空腔体1；电控平移台21和手动平移台22组成一个二维平移台，控制光学元件的二维移动，第一电动镜架24和第二电动镜架25控制光学元件的俯仰角度调节。固定镜架23在测量透射光学元件面形时用于安装参考反射镜。通过电控平移台和电动镜架控制光学元件的移动和俯仰，可以达到在真空环境下自动测量光学元件面形的目的。同时，自动调节和测量一方面可以减少光学元件定位的准确性和重复性，另一方面可以减少人为操作导致的随机误差，提高测量的可靠性。
待测光学元件3包括参考反射镜31和待测透射光学元件32；或者待测光学元件3包括反射光学元件33。其中，参考反射镜31是面形质量很好的反射镜，用于测量过程中的面形参考。参考反射镜31的面形通过激光干涉仪测量，通常要求其面形均方根值好于λ/100。真空测量单元4用于测量抽真空以后的腔体真空度。
面形测量单元5由扩束器和夏克-哈特曼波前传感器构成，是常规的面形测量设备，在本发明中主要用于测量激光波前，换成其他的面形测量设备亦可。
本发明还提供了一种基于上述的装置测量真空环境下光学元件面形的方法，下面结合附图3和图4对本发明的具体实施方法做进一步的描述：
测量真空环境下透射光学元件的面形过程如图3所示，具体包括如下步骤：(1.1)将参考反射镜31放置在调节单元2的固定镜架23上，将透射光学元件32固定在电控镜架25上，并抽真空使得真空腔体的真空度达到预设值；其中，预设值可以为0.01Pa；；(1.2)测量此时的第一波前WF1；(1.3)通过外部控制器控制电控平移台21将透射光学元件32移到参考反射镜31正上方，测量此时光路的第二波前WF2。(1.4)WF2-WF1即为真空环境下透射光学元件32的面形。
测量反射光学元件的面形过程如图4所示，具体包括如下步骤：(2.1)将参考反射镜31采用胶水粘接固定在电动镜架24上，将待测反射光学元件33固定在电动镜架25上，然后抽真空使得真空腔体的真空度达到预设值；其中，预设值可以为0.01Pa；(2.2)测量此时的第三波前WF3；(2.3)通过外部控制器控制电控平移台21将待测反射光学元件33移动到右侧光路中心，测量此时的第四波前WF4；(2.4)WF4-WF3即为测试反射镜相对于参考反射镜的面形，因为参考反射镜面形很好，所以WF4-WF3近似为待测反射光学元件的面形。
本发明中，通过将待测光学元件安装到真空腔体内部，实现在不同压强下测量光学元件的面形。通过改变真空腔体气压，可以测量不同压强下的光学元件面形，可用于研究气压对光学元件面形的影响。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于真空环境下测量光学元件面形的装置，其特征在于，包括：真空腔体(1)，调节单元(2)，真空测量单元(4)和面形测量单元(5)，
所述调节单元(2)设置在所述真空腔体(1)内部且设置在所述真空腔体(1)底部，用于放置光学元件(3)并实现所述光学元件(3)的水平移动和俯仰调节；
所述真空测量单元(4)连接在所述真空腔体(1)的侧壁，用于测量所述真空腔体(1)内部的压强；
所述真空腔体(1)顶部开设有玻璃窗口，通过反射镜将激光引入所述真空腔体(1)的内部，所述面形测量单元(5)设置于所述真空腔体(1)的上方，通过所述面形测量单元(5)进行波前测量；
所述调节单元(2)包括：二维平移台、固定镜架(23)、第一电动镜架(24)和第二电动镜架(25)；
所述二维平移台用于控制待测光学元件(3)的二维移动，所述固定镜架(23)在测量透射光学元件面形时用于安装参考反射镜，所述第一电动镜架(24)和所述第二电动镜架(25)用于控制待测光学元件(3)的俯仰角度；
所述二维平移台包括：设置在水平X方向的电控平移台(21)和设置在水平Y方向的手动平移台(22)，所述电控平移台(21)用于控制待测光学元件(3)左右移动；所述手动平移台(22)用于在搭建平台时控制平台前后移动使得电动镜架中心对准所述真空腔体上方窗口中心。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述真空腔体(1)为长方体形结构，且在长方体的上面及前后面均开设有孔，每个孔均通过石英玻璃窗口密封。
3.如权利要求1-2任一项所述的装置，其特征在于，所述面形测量单元(5)包括扩束器和波前传感器，所述扩束器用于扩大激光直径；所述波前传感器用于测量激光波前。
4.如权利要求1-2任一项所述的装置，其特征在于，所述真空测量单元(4)包括：真空测量规管和真空计，用于实时测量真空腔体内部真空度。
5.一种基于权利要求1所述的装置测量真空环境下透射光学元件面形的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1.1)将参考反射镜放置在调节单元的固定镜架上，将透射光学元件固定在第一电控镜架上，并抽取真空使得真空腔体的真空度达到预设值；
(1.2)通过面形测量单元测量此时的第一波前WF1；
(1.3)控制电控平移台将透射光学元件移到参考反射镜正上方，并通过面形测量单元测量此时光路的第二波前WF2；
(1.4)通过将所述第二波前与所述第一波前相减获得真空环境下透射光学元件的面形。
6.一种基于权利要求1所述的装置测量真空环境下反射光学元件面形的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(2.1)将参考反射镜固定在电动镜架上，将待测反射光学元件固定在电动镜架上，然后抽取真空使得真空腔体的真空度达到预设值；
(2.2)通过面形测量单元测量此时的第三波前WF3；
(2.3)控制电控平移台将待测反射光学元件移动到右侧光路中心，并通过面形测量单元测量此时的第四波前WF4；
(2.4)通过将所述第四波前与所述第三波前相减获得待测反射光学元件的面形。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，包括：在步骤(2.1)中采用胶水将参考反射镜粘接固定在电动镜架上。
8.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，通过将待测光学元件安装到真空腔体内部，实现在不同压强下测量光学元件的面形。
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