CN1186590C - 高倍全息位相差放大装置 - Google Patents

Abstract

一种高倍全息位相差放大装置，由波前记录装置和重构装置两部分构成，波前记录装置由激光光源、第一望远镜、分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、待测样品和记录介质组成，重构装置包括氦-氖激光光源、第二望远镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一全反镜、第二全反镜、底片架、透镜、光阑和接收器，先利用波前记录装置拍摄好的含有物体位相信息的全息图，在暗房中处理、吹干以后，放在重构装置的底片架上进行光学重构，经一次或多次重构可将位相差放大到λ/100，也就是说可将波面的测量精度提高到纳米量级。

Description

高倍全息位相差放大装置

技术领域：

本实用新型涉及光学测量装置，特别是一种涉及弱位相畸变波面的全息位相差放大装置，主要用于高精密光学元件的面形检测、弱畸变波面的放大测试等等，测量精度可达到纳米量级。

背景技术：

目前，在国内外光学工业界，测量波面的方法是干涉法，可测精度达到λ/30(λ为测量光的波长)，而实际需要达λ/100或更短，也就是纳米级。在某种程度上，它制约了光学加工所能达到的水平，国内差不多所有高质量的干涉仪都是从国外进口。高精密的波面测试装置在我国的工业、国防、科研等领域有重大的市场需求。

发明内容：

本实用新型要解决的问题在于提供一种高倍全息位相差放大装置，用以高精度地检测大面积的光学平面、球面及由应力所引起的畸变波面，精度优于在先技术几十倍到两个数量级以上。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种高倍全息位相差放大装置，由波前记录装置和重构装置两部分组成：

波前记录装置由激光光源、第一望远镜、分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、待测样品和记录介质组成，其位置关系是：激光光源发出的光束由第一望远镜扩束，经分束器分成两束光，反射出来的光束Wb经样品到达第三反射镜反射到记录介质上，作为物波，透过分束器的光束Cb经第一反射镜和第二反射镜也反射到记录介质上，是参考波，物波和参考波干涉后形成全息图记录记录介质上；

重构装置包括氦-氖激光光源、第二望远镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一全反镜、第二全反镜、底片架、透镜、光阑和接收器，氦-氖激光光源发射的光束，经第一半透半反镜后，分成A、B两束光，光束A经第二全反镜和第二半透半反镜后，照明记录介质上的全息图；光束B经第一全反镜和第二半透半反镜后，也照明记录介质上的全息图，A、B束分别被全息图衍射，各自产生0级，±1，±M，±N......级衍射，分别调整第一全反镜和第二全反镜，让A束在全息图上产生的+M级衍射波和B束在全息图上产生的-N级衍射波，在透镜的焦平面上重叠，再用光阑滤去非重叠部分，再由接收器接收。

所说的激光光源和氦-氖激光光源均是一台单模运转的He-Ne激光器，输出功率为5mW。

所说的第一望远镜和第二望远镜均是一台放大100倍的扩束系统。

所说的分束器是一块反射率为50％的契形板。

所说的记录介质选用全息干板。

本实用新型高倍全息位相差放大装置的工作的原理可以说明如下：

激光光源经分束器分成两束光，一束为物光Wb，另一束为参考光Cb。参考光Cb和物光Wb干涉形成的全息图，记录在全息干板上。

假设物波的归一化复振幅为：

                        A(x，y)＝exp[ikψ₁(x，y)]

参考波的归一化复振幅为：

                        B(x，y)＝exp[ikψ₂(x，y)]

其中，kψ₁(x，y)和kψ₂(x，y)分别为物波和参考波的位相因子。两列波干涉后到达干板上的强度分布为：

                  I(x，y)＝1+cos{k[ψ₁(x，y)-ψ₂(x，y)]}

式中：

                        ψ₁＝ψ(x，y)+xsinθ₀+δ₀

                        ψ₂＝xsinθ_r+δ_r

ψ(x，y)为由物体产生的位相；

θ₀为物光束相对于干板法线方向的入射角；

θ_r为参考光束相对于干板法线方向的入射角；

δ₀为物光到达干板时的光程；

δ_r为参考光到达干板时的光程；

k为波数。

当全息图记录并显影后，干板的透射率相对强度分布为：

             T～exp{ik[ψ(x，y)+x(sinθ₀-sinθ_r)+(δ₀-δ_r)]}

将拍摄好的全息干板，放在的底片架上进行重构。当采用光学方法重构时，+M级衍射像振幅为：

A_M～exp{ik[Mψ(x，y)+xM(sinθ₀-sinθ_r)+M(δ₀-δ_r)+xsinθ_M+δ_M]}-N级衍射像振幅为：

A_-N～exp{ik[-Nψ(x，y)-xN(sinθ₀-sinθ_r)-N(δ₀-δ_r)+xsinθ_-N+δ_-N]}让重构波照明全息图，再让重构的共扼衍射波相互干涉，则有：

       I～1+cos{k(M+N)[ψ(x，y)+(δ₀-δ_r)]+k(δ_M-δ_-N)}调整光路，使光程差k(M+N)(δ₀-δ_r)+k(δ_M-δ_-N)＝0则有：I～1+cos[k(M+N)ψ(x，y)]，于是，位相差放大了(M+N)倍。

本实用新型与在先技术相比，有如下优点：

1.由于测量分成记录和放大两步过程，可以测量某些常规测量方法所难以测

  量的快速变化量或瞬态量。

2.可将位相差进行后期放大，在大大提高测量精度的同时，对拍摄全息图所

  用的光学元件精度要求大为降低。

附图说明：

图1本实用新型高倍全息相差放大装置的波前记录装置示意图。

图2本实用新型高倍全息相差放大装置的重构放大装置示意图。

具体实施方式：

先请参阅图1和图2，本实用新型高倍全息位相差放大装置，由波前记录装置1和重构装置2两部分组成：

波前记录装置1由激光光源11、第一望远镜12、分束器13、反射镜14、15、16、待测样品17和记录介质3组成，其位置关系是：激光光源11发出的光束由望远镜12扩束，经分束器13分成两束光，反射出来的光束Wb经样品17到达反射镜16反射到记录介质3上，作为物波，透过分束器13的光束Cb经反射镜14和15也反射到记录3上，是参考波，物波和参考波干涉后形成全息图记录记录介质3上；

重构装置2包括氦-氖激光光源21、望远镜22、半透半反镜23、25、全反镜24、26、底片架27、透镜28、光阑29和接收器20，氦-氖激光光源21发射的光束，经第一半透半反镜23后，分成A、B两束光，光束A经全反镜26和第二半透半反镜25后，照明记录介质3上的全息图；光束B经第一全反镜24和第二半透半反镜25后，也照明记录介质3上的全息图，A、B束分别被全息图衍射，各自产生0级，±1，±2，......±M，±N......级衍射，分别调整第一全反射镜24和第二反射镜26，让A束在全息图上产生的+M级(或-N级)衍射波和B束在全息图上产生的-N级衍射波，在透镜28的焦平面上重叠，再用光阑29滤去非重叠部分，再由接收器20接收。

所说的激光光源11是一台单模运转的He-Ne激光器，输出功率为5mW。

所说的望远镜12是一台放大100倍的扩束系统。

所说的分束器13是一块反射率为50％的契形板。

如上所述，首先将拍摄好的含有物体位相信息的全息图3，在暗房中处理、吹干以后，放在图2所示的底片架27上进行光学重构。重构在光学马赫-陈特尔干涉仪中进行。由氦--氖激光光源21发射的波长为632.8nm的光束，经第一半透半反镜23后，分成A、B两束光。光束A经全反镜26和第二半透半反镜25后，照明干板3上的全息图；光束B经第一全反镜24和第二半透半反镜25后，也照明干板3上的全息图。

A、B束分别经过全息图衍射，各自产生0级、±1、±2、…±M、±N…级衍射，分别调整全全反镜24、26，使A束经全息图3后产生的+M级(或-N级)衍射波，和B束经全息图3后产生的-N级衍射波，在透镜28的焦平面上重叠。用光阑29滤去非重叠部分，由接收器20接收。由上面技术方案中所述原理可知，A束产生的+M级衍射波和B束产生的-N级干涉后，位相差放大到原来的(M+N)倍，重复上述过程n次，则位相差放大2^M+N倍。如果选择M＝N＝25，只要重复一次就可以将位相差放大到λ/100。

这一技术可在高精密、大尺寸光学检测中获得广泛应用，可改变我国光学加工和测量工业依赖于国外进口的落后状态，从而促进我国纳米领域科技的发展和国民经济的发展。

Claims (4)

1、一种高倍全息位相差放大装置，由波前记录装置(1)和重构装置(2)两部分组成，其特征在于：

波前记录装置(1)由激光光源(11)、第一望远镜(12)、分束器(13)、第一反射镜(14)、第二反射镜(15)、第三反射镜(16)、待测样品(17)和记录介质3组成，其位置关系是：激光光源(11)发出的光束由望远镜(12)扩束，经分束器(13)分成两束光，反射出来的光束Wb经样品(17)到达第三反射镜(16)反射到记录介质(3)上，作为物波，透过分束器(13)的光束Cb经第一反射镜(14)和第二反射镜(15)也反射到记录(3)上，是参考波，物波和参考波干涉后形成全息图记录记录介质(3)上；

重构装置(2)包括氦-氖激光光源(21)、第二望远镜(22)、第一半透半反镜(23)、第二半透半反镜(25)、第一全反镜(24)、第二全反镜(26)、底片架(27)、透镜(28)、光阑(29)和接收器(20)，氦-氖激光光源(21)发射的光束，经第一半透半反镜(23)后，分成A、B两束光，光束A经第二全反镜(26)和第二半透半反镜(25)后，照明记录介质(3)上的全息图；光束B经第一全反镜(24)和第二半透半反镜(25)后，也照明记录介质(3)上的全息图，A、B束分别被全息图衍射，各自产生0级，±1，±M，±N......级衍射，分别调整第一全反镜(24)和第二全反镜(26)，让A束在全息图上产生的+M级衍射波和B束在全息图上产生的-N级衍射波，在透镜(28)的焦平面上重叠，再用光阑(29)滤去非重叠部分，再由接收器(20)接收。

2、根据权利要求1所述的高倍全息位相差放大装置，其特征在于所说的激光光源(11)和氦-氖激光光源(21)均是一台单模运转的He-Ne激光器，输出功率为5mW。

3、根据权利要求1所述的高倍全息位相差放大装置，其特征在于所说的第一望远镜(12)和第二望远镜(22)均是一台放大100倍的扩束系统。

4、根据权利要求1所述的高倍全息位相差放大装置，其特征在于所说的分束器(13)是一块反射率为50％的楔形板。

Images