CN1737612A - 光栅应变花的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光学技术领域的光栅应变花的制作方法，步骤如下：计算产生干涉时两个光束中心线夹角的一半；从激光器发射的一束激光通过分光镜分为等强度两束，这两束相干光向外传播的路径上等距离各安放一个反射镜，在两束光夹角的角平分线上安装可旋转工作台，并调节反射镜，使两束光交汇于可旋转工作台的中心；把全息干版安装在可旋转工作台上，确定最佳曝光时间；打开快门，对全息干版进行第一次曝光后，转动可旋转工作台，全息干版逆时针旋转所需角度，打开快门，进行第二次曝光；然后再进行第三次曝光，经显影、定影后得到光栅应变花。本发明通过三次曝光来制作三个方向的全息光栅，所得光栅的空间频率严格相等，方法简单、易行。

Description

光栅应变花的制作方法

技术领域

本发明涉及的是一种光学技术领域的方法，具体是一种光栅应变花的制作方法。

背景技术

衍射光栅主要有两大类：刻划光栅和全息光栅，刻划光栅可以做成平面和内凹形状，对特定的光波具有较高的衍射效率。全息光栅一般是用光学方法制作的，它的衍射波具有很好的偏振态和非常好的波前。三方向光栅，即光栅应变花，是在双方向光栅(通常所说的正交光栅)的基础上，再加另外一个45°方向的光栅，使得一个光栅具有三个方向衍射的功能。当把它应用在云纹干涉中时，可以在一次加载时同时测出三个方向上独立的位移场，在测试结构的变形时，可以同时测试出它的三个正应变场，从而确定它的主应变的大小与方向。尤其在测试残余应力时，更有其它光栅不具备的优越性。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号为：200310115844.2，名称为：“一种平面全息光栅制作中精确控制刻线密度的方法”中提出一种很好的平面全息光栅制作中精确控制光栅刻线密度的方法，可以制作全息光栅时保证其准确的空间频率，但主要是刻线密度的精确控制，而未涉及制作几个方向的光栅。

发明内容

本发明针对目前的光栅的不足和缺陷，提供一种光栅应变花的制作方法，使其可以制作平面内任意单方向、两个方向和三个方向的光栅，每个方向上光栅的频率从10~3600线/mm，尤其是100~2000线/mm，0°、45°和90°的三个方向的光栅，即光栅应变花，在云纹干涉技术中有着非常广泛的用途。

本发明是通过以下技术方案实现的，具体步骤如下：

(1)根据所要制作光栅的频率f和所使用激光的波长λ，按照公式 $f=\frac{2\sin \mathrm{\Φ}}{\mathrm{\λ}}$ 计算出相应的角度Φ(产生干涉时两个光束中心线夹角的一半)；从激光器发射的一束激光通过分光镜分为两束；这两束相干光成一定夹角向外传播。在它们传播路径上等距离各安放一个反射镜；在两束光夹角的角平分线上安装可旋转工作台，并调节反射镜，使两束光交汇于可旋转工作台的中心。选用两个扩束镜、两个空间滤波器和两个准直镜，以得到均匀的平面波前。

(2)按照所需要制作光栅的方向，把全息干版安装在可旋转工作台上。根据所选全息干版的特性，初步选定一系列曝光时间对同一块全息干版进行曝光，并对这些不同曝光时间的干版进行显影、定影、漂白处理，然后得到该光栅上不同曝光时间的各个区域上的零级和一级衍射强度，最终确定该实验条件下制作全息光栅的最佳曝光时间t_opt。

(3)在以上的条件下，打开快门，对全息干版进行第一次曝光后，曝光时间控制为t_opt；转动可旋转工作台，将全息干版逆时针旋转所需角度，打开快门，进行第二次曝光，；再转动可旋转工作台，把干版逆时针旋转所需角度，打开快门，进行第三次曝光，然后进行经显影、定影处理后就可得到三个方向的光栅，也就是“光栅应变花”。

对上述得到的光栅进行漂白处理，就得到三个方向、空间频率相同的透射全息光栅。若在光栅上镀一层均匀的反射膜，则可以得到反射全息光栅。

本发明只用两束激光束，通过三次曝光来制作三个方向的全息光栅，三个方向光栅的空间频率严格相等，方法简单、易行。通过改变相干光的夹角，可以制作空间频率范围10~3600线/mm的光栅。而且可以控制各个方向上的曝光时间，以获得各个方向上光栅的衍射强度。该方法同样可以制作单方向和两方向的全息光栅。利用现有光栅制作技术的精确控制光栅刻线密度的方法，可以制作全息光栅时保证其准确的空间频率。

附图说明

图1本发明方法原理图

具体实施方式

如图1所示，本发明采用的具体的器件及作用如下：

激光器：波长633×10^-9m，功率40mW，是相干光源；

快门：控制曝光时间；

分光镜：把激光器发出的激光分为强度相等的两束光；

全反镜：改变光的传播方向；

扩束镜：40×，把点光源的激光扩大，成为球面波传播；

空间滤波器：15μm，过滤掉经过扩束后的激光存在的噪声；

准直镜：直径200mm，相位差小于

把扩束镜出来的球面波进行准直，以得到均匀的平面波前；

全息干板：纪录干涉条纹；

可旋转工作台：固定全息干板，改变全息干板曝光的方向。

基于以上器件，以制作0°、45°和90°的三个方向上频率均为1000线/mm的光栅为例，制作过程如下：

①根据所要制作光栅的频率f＝1000线/mm和所使用激光的波长λ＝633×10^-9m，按照公式 $f=\frac{2\sin \mathrm{\Φ}}{\mathrm{\λ}}$ 计算出相应的角度Φ＝18.45°。从激光器发射的一束激光通过分光镜O分为等强度两束A、B；这两束相干光成120°的夹角向外传播。在它们传播路径上距离分光镜300mm处各安放一个全反镜M₁、M₂；在A、B两束光夹角的角平分线上安装可调旋转工作台，它距离分光镜929mm。调节全反镜，使两束光交汇于可旋转工作台的中心。细调光路中分光镜、全反镜的位置，使得安装在可调旋转工作台全息干版中心位置光栅的频率误差小于0.1％。选用两个40×扩束镜、两个15μm空间滤波器和两个直径200mm、波前相位差小于

的准直镜。首先将A、B两束光进行40倍扩束，并调节扩束镜的空间位置，使得A、B两束光扩束后的光斑的中心仍然重合在可调旋转工作台的中心；在两个扩束镜后分别安装空间滤波器；安放、调节准直镜，使通过的光变为平行光。

②按照所需要制作光栅的方向，把天津--I型全息干版安装在可旋转工作台上。根据全息干版的特性，初步选定曝光时间分别为0.5s、1.0s、1.5s、2.0s、2.5s、3.0s、3.5s、4.0s、4.5s、5.0s、5.5s、6.0s的时间，并对这些不同曝光时间的干版进行显影、定影、漂白处理，然后得到该光栅上不同曝光时间的各个区域上的零级和一级衍射强度，最终确定该实验条件下制作全息光栅的最佳曝光时间t_opt＝2.4s。

③在以上的条件下，打开快门，对全息干版进行第一次曝光后，曝光时间控制为2.4秒；转动可旋转工作台，将全息干版逆时针旋转如90°，打开快门，进行第二次曝光，曝光时间控制为2.4秒；再转动可旋转工作台，把干版逆时针旋转45°，打开快门，进行第三次曝光，曝光时间控制为2.5秒，然后进行经显影、定影处理。

④对上述光栅进行漂白处理，就得到0°、45°和90°的三个方向上频率均为1000线/mm的透射全息光栅。

本实施例制得的光栅具有三个方向的衍射功能，在三个方向光栅的频率是严格相等的，而且可以根据使用要求分别控制三个方向上光栅的衍射强度。

Claims (7)

1、一种光栅应变花的制作方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)根据所要制作光栅的频率f和所使用激光的波长λ，计算出相应的产生干涉时两个光束中心线夹角的一半即角度Ф；从激光器发射的一束激光通过分光镜分为等强度两束，这两束相干光向外传播的路径上等距离各安放一个反射镜，在两束光夹角的角平分线上安装可旋转工作台，并调节反射镜，使两束光交汇于可旋转工作台的中心，选用两个扩束镜、两个和两个准直镜，以得到均匀的平面波前；

(2)按照所需要制作光栅的方向，把全息干版安装在可旋转工作台上，根据所选全息干版的特性，初步选定一系列曝光时间对同一块全息干版进行曝光，并对这些干版进行显影、定影、漂白处理，然后得到该光栅上各曝光时间的各个区域上的零级和一级衍射强度，最终确定该实验条件下制作全息光栅的最佳曝光时间t_opt；

(3)在以上的条件下，打开快门，对全息干版进行第一次曝光后，曝光时间控制为t_opt；转动可旋转工作台，将全息干版逆时针旋转所需角度，打开快门，进行第二次曝光；再转动可旋转工作台，把干版逆时针旋转所需角度，打开快门，进行第三次曝光，然后进行经显影、定影处理后就得到三个方向的光栅，也就是“光栅应变花”。

2、根据权利要求1所述的光栅应变花的制作方法，其特征是，所述的角度Ф，按照公式计算得到。

3、根据权利要求1所述的光栅应变花的制作方法，其特征是，对步骤(3)中得到的光栅进行漂白处理，就得到三个方向、空间频率相同的透射全息光栅。

4、根据权利要求1或者3所述的光栅应变花的制作方法，其特征是，若在光栅上镀一层均匀的反射膜，则得到反射全息光栅。

5、根据权利要求1所述的光栅应变花的制作方法，其特征是，两个扩束镜，把原来的激光束扩大，并从该点以球面波的形式，成圆锥向外发散、传播。

6、根据权利要求1所述的光栅应变花的制作方法，其特征是，两个空间滤波器，具有直径5~25μm的小孔，它过滤掉经过扩束后的激光存在的噪声。

7、根据权利要求1所述的光栅应变花的制作方法，其特征是，两个准直镜，把扩束后的球面波变成平面波，其直径的大小根据所需的光斑大小来选用。

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