CN1243227C - 高分辩光纤全息干涉仪 - Google Patents
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Abstract
一种高分辩光纤全息干涉仪，包括激光光源，其特征在于还包括：分束器、两根光纤、一根光纤的输出端为半透半反端面、会聚透镜、样品、探测器和计算机，各元部件的位置关系如下：在激光光源的激光输出光路上设该分束器，该分束器的两输出光束(A、B)分别连两光纤，一光纤的输出端为半透半反端面，该光纤的输出方向设有会聚透镜、探测器和计算机，所述的光束(B)经另一光纤照射待测样品，再经半透半反端面的反射而进入该会聚透镜。主要用来测试大口径和非球面透镜。本发明具有结构简单，不需要任何补偿器，并且分辨率可以做得很高，采用两次曝光法，可以直接观察到待测样品如非球面透镜的误差。
Description
技术领域：
本发明涉及一种全息干涉仪，特别是一种高分辨光纤全息干涉仪，这种干涉仪主要用来测试大口径和非球面透镜。
背景技术：
超短、超强激光与物质的相互作用，是当前国际上现代物理学乃至现代科学技术中一个非常重要的科学前沿领域。超高功率的飞秒激光聚焦以后的激光强度高于1020W/cm2，它相当于将所有照射到地球上的太阳辐射聚焦到针尖大小的小孔上所获得的光强度。聚焦后的电场强度足以剥离原子内层电子，从而产生极端物理条件下的实验条件。
在IT行业中，数字电路的图样是被投影到蚀层的硅片上制成，刻线特征尺寸受制于两个因素：一是用以刻线的光波波长，另一个则是成像透镜的聚焦能力。从上面讨论可以看出，无论是基础研究还是工业应用，除了具有高性能的激光器以外，还需要高性能的成像系统，非球面成像透镜，因此成像透镜性能的检测显得尤为重要。
通常非球面成像透镜的检测采用刀口法、网格法以及干涉方法。刀口法和网格法的检测精度较低，我们不作讨论，而干涉法被普遍采用。
通常在干涉仪中引入一个补偿器，用补偿器把入射的球面波转换为给定形状的波前，图1为检测非球面的典型干涉仪[参见在先技术：普里亚耶夫著光学非球面检验，科学出版社，1982年，114-148]。
该干涉仪由9部分组成：He-Ne激光源11、单透镜12、光阑13、分光立方镜14、补偿器15、被检验的非球面镜16、凹面镜17、目镜18和观察屏19。显然这是一个类似于迈克尔逊干涉仪的系统。He-Ne激光源11出射的光束经单透镜12和光阑13后，在分光立方镜14中被分成A、B束。A束经补偿器15到达被检验非球面镜16以后，返回经补偿器15被分光立方镜14反射经目镜18到观察屏19，与B束被分光立方镜14反射到凹面镜17并被其反射，透过分光立方镜14，经目镜18到达观察屏19，A、B束相遇并干涉，从而测定出非球面各种偏差。这种干涉仪存在许多缺点：需要补偿器，需要高精度凹面镜，还要仔细设计光路中使用的各个光学元件，并要消除它们的像差，测试精度较低。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是针对上述在先技术所存在的缺点，提供一种高分辩光纤全息干涉仪，这种全息干涉仪不需要任何补偿器，既能测试非球面透镜，又能检测非球面反射镜。
本发明的技术解决方案如下：
一种高分辩光纤全息干涉仪，包括激光光源，其特征在于还包括：分束器、第一光纤、第二光纤、该第一光纤的输出端为半透半反端面、会聚透镜、样品、探测器和计算机，各元部件的位置关系如下：在激光光源的激光输出光路上设该分束器，该分束器输出的第一光束和第二光束分别连第一光纤和第二光纤，该第一光纤的输出端为半透半反端面，该第一光纤的输出方向设有会聚透镜、探测器和计算机，所述的第二光束经第二光纤照射待测样品，再经半透半反端面的反射而进入该会聚透镜。
所述的激光光源是一台输出10mW单横膜的He-Ne激光器。
所述的分束器是一透过50％、反射50％的光纤耦合器，将He-Ne激光光束有效地分别耦合到第一光纤和第二光纤中去的分束系统。
所述的光纤是用来将He-Ne激光光束进行整形、传输，并起滤波作用和矫正波前的单膜光纤。
所述的半透半反端面是在第一光纤的出口端面上的一45°斜口，该端口光洁且有50％反射膜。
所述的会聚透镜是用来将从光纤中出射光束会聚到探测器上去。
所述的探测器是一台电荷耦合器CCD装置，用来接收相干光束并转化成数字化信号。
所述的计算机是一台具有能将探测器输出的数字信号进行存储、滤波和重构的计算机。
本发明的技术效果如下：
像所有其它的全息干涉仪一样，本发明高分辩光纤全息干涉仪也利用两个光波的干涉图来测量物体或其他自然现象。产生干涉的光波通常都不是完美无缺的，因为它取决于发射它们的镜面或透镜的质量，出现的缺陷会在测量时引起误差。为了获得高精度测量，必须要产生近乎完美的球面波。本发明的高分辩光纤全息干涉仪利用上了衍射，就好像光是通过一个小孔射出来的，光通过光纤传播，可将纤芯看作光阑。其它一些光学干涉仪也利用衍射，但两者不同，在这台仪器中所产生的两个波前是相互独立的，他们的相对振幅和相位是可调的，因而就具有为达到更高精度所必需的对比调节和相移调节能力。
He-Ne激光器的632.8nm波长的光射入两根单模光纤，光从光纤的出口衍射出来形成球面波。“测量”波前通过被测光学系统，波前产生畸变，并将它聚焦到另一根光纤的端面，在该光纤端面被半透明金属膜反射，与“参考”波前产生干涉图样。该干涉图样由CCD摄像机记录下来，再用相关的软件对误差的大小和空间分布进行处理。
设计是简单的，仅仅包含被测的光学元件、两个透镜和两根能产生两个光波前的光纤。该干涉仪能广泛适用于测量光学元件和系统，特别适合于非球面镜的测量，其中，最关键的元件是端面具有半透明金属膜的光纤。其端面的平度必须与测量所要求的精度相当，不过，只对纤芯附近的很小区域有如此苛刻的要求。将光纤嵌入玻璃衬底，然后整体进行超精细的抛光，要达到上述要求是容易的。为保证稳定性和易于安装，在使用时，可保持光纤在玻璃衬底中的嵌入状态不变。典型的光纤芯径为3μm，关键是要对直径约为1mm区域进行仔细地抛光。
本发明干涉仪至少在两个方面确保了它的精度，光纤起着空间滤波器的作用，当光通过光纤时，波前发生的任何畸变都能被纠正。在两个波前干涉之前，除了一个光纤端面之外，他们不可能遇到任何能导致精度降低的光学元件。
与在先技术相比，本发明的高分辩光纤全息干涉仪结构简单，不需要任何补偿器，并且分辨率可以做得很高，采用两次曝光法，可以直接观察到待测样品如非球面透镜的误差。
附图说明：
图1为在先技术中测试非球面透镜的光学系统。
图2为本发明高分辩光纤全息干涉仪原理图。
具体实施方式
本发明的高分辩光纤全息干涉仪如图2所示，它是由9部分组成，即激光光源1、分束器2、第一光纤3、第二光纤4、第一光纤的输出端为半透半反端面5、会聚透镜6、样品7、探测器8和计算机9。其各元部件的位置关系如下：在激光光源1的激光输出光路上有分束器2，该分束器2输出的第一光束A和第二光束B分别输入第一光纤3和第二光纤4，第一光纤3的输出端为半透半反端面5，该第一光纤3的输出方向设有会聚透镜6、探测器8和计算机9，所述的第二光束B经光纤4照射样品7，再经半透半反端面5的反射而进入该会聚透镜6。
所说的激光光源1是一台输出10mW单横膜的He-Ne激光器。
所说的分束器2是一块透过50％、反射50％的光纤耦合器，将He-Ne激光光束有效地耦合到第一光纤3和第二光纤4中去的分束系统。
所说的第一光纤3第二光纤4是一种单膜光纤，用于将He-Ne激光光源1发出的光束进行整形、传输，起滤波作用并矫正波前。
所说的半透半反端面5是在第一光纤3的出口端面上是的一45°斜口，该端口光洁且有50％反射膜。
所说的会聚透镜6是用来将从第一光纤3和第二光纤4中出射的第一光束A和第二光束B会聚到探测器8上。
所说的样品7，在本实施例中是一块待测的大口径非球面透镜。
所说的探测器8是一台电荷耦合器CCD装置，用来接收相干光束并转化成数字化信号输入到计算机9中去。
所说的计算机9是用来将CCD8输出的数字信号进行存储、滤波和重构，显出样品7即非球面透镜的误差。
本发明高分辩光纤全息干涉仪的工作原理和基本过程是：
当激光光源1He-Ne激光器发出的光束被分束器2分成第一光束A和第二光束B，第一光束A进入第一光纤3中整形、滤波，从半透半反端面5中出射，经会聚透镜6到达探测器8上。第二光束B进入第二光纤4中整形、滤波，进入待测样品7中，然后经半透半反端面5反射，经会聚透镜6，在探测器8上和A光束相遇重叠并干涉，形成全息图。这个全息图形经探测器8数字化以后，送入计算机9中，将待测样品7从光路中去掉再曝光，即采用两次曝光法，计算机可重构出待测样品7即非球面透镜的误差，精度可达λ/100以上，式中λ是探测波长632.8nm。
Claims (6)
1、一种高分辩光纤全息干涉仪，包括激光光源(1)，其特征在于还包括：分束器(2)、第一光纤(3)、第二光纤(4)、第一光纤(3)的输出端为半透半反端面(5)、会聚透镜(6)、样品(7)、探测器(8)和计算机(9)，其各元部件的位置关系如下：在激光光源(1)的激光输出光路上有分束器(2)，该分束器(2)输出的第一光束(A)和第二光束(B)分别连第一光纤(3)和第二光纤(4)，第一光纤(3)的输出端为半透半反端面(5)，该第一光纤(3)的输出方向设有会聚透镜(6)、探测器(8)和计算机(9)，所述的第二光束(B)经第二光纤(4)照射样品(7)，再经半透半反端面(5)的反射而进入该会聚透镜(6)。
2、根据权利要求1所述的高分辩光纤全息干涉仪，其特征在于所述的激光光源(1)是一台输出10mW单横膜的He-Ne激光器。
3、根据权利要求1所述的高分辩光纤全息干涉仪，其特征在于所述的分束器(2)是一透过50％、反射50％的光纤耦合器，将He-Ne激光光束有效地耦合到第一光纤(3)和第二光纤(4)中去的分束系统。
4、根据权利要求1所述的高分辩光纤全息干涉仪，其特征在于所述的第一光纤(3)和第二光纤(4)是用来将He-Ne激光光束进行整形、传输，并起滤波作用和矫正波前的单膜光纤。
5、根据权利要求1所述的高分辩光纤全息干涉仪，其特征在于所述的半透半反端面(5)，是在第一光纤(3)的出口端面上的一45°斜口，该端口光洁且有50％反射膜。
6、根据权利要求1所述的高分辩光纤全息干涉仪，其特征在于所述的计算机(9)是一台具有能将探测器(8)输出的数字信号进行存储、滤波和重构的计算机。
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