CN1828344A - 变频率光栅应变花的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光学技术领域的变频率光栅应变花的制作方法。本发明根据光栅应变花的三个方向上频率和所使用激光的波长，计算出三个相应的角度；从激光器发射的一束激光通过扩束镜、准直镜和六块反射镜分为六束三对相干光，在它们传播路径上等距离各安放一个反射镜，使六束光交汇于工作台的中心，选用扩束镜、空间滤波器和准直镜，以得到均匀的平面波前；确定三个方向上频率制作全息光栅的最佳曝光时间；分别按照三个方向频率对应的角度布置光路，把全息干版安装在工作台上，对全息干版进行曝光后，进行经显影、定影得到三个方向频率不同的光栅应变花。本发明可制作三个方向不同频率的全息光栅，方法简单、易行，且可获得各个方向上光栅的衍射强度。

Description

变频率光栅应变花的制作方法

技术领域

本发明涉及一种光学技术领域的方法，具体是一种在各个方向上频率不同的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。光栅的频率决定了它的测试分辨率。分辨率与测量范围通常是矛盾的，对光栅而言频率越高，分辨率越高，但测量范围越小；频率越低，分辨率越低，但测量范围越大。对于各个方向上频率相同的光栅，当把它应用在云纹干涉中时，可以测试得到对应的分辨率和测量范围相同的位移场。应用各个方向上频率不同的光栅进行测量时，则可以得到分辨率和测量范围不同的位移场。这意味着可以通过改变不同方向上光栅的频率，改变对应方向上的分辨率和测量范围，以解决不同方向上对分辨率和测量范围的不同要求。例如在测试功能梯度材料、复合材料界面以及裂纹端部的位移场时，各个方向上的变化范围差异很大，对测量范围和分辨率有着不同的要求。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为：200510029491.3，名称为：“光栅应变花的方法”，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频率相同的光栅。三个方向上光栅的频率是严格一致，而无法实现各个方向频率不同光栅的制作。也就不适合在不同方向上有测试灵敏度和测量范围要求的情况。

发明内容

本发明针对目前多方向光栅都是相同频率的不足和缺陷，提供一种变频率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不同频率的光栅。

本发明是通过以下技术方案实现的，具体步骤如下：

(1)根据所要制作光栅应变花的三个方向上频率2f₁，2f₂，2f₃，首先制作三块频率分别f₁，f₂，f₃的单方向光栅。按照公式 $f_i=\frac{2\sin {\mathrm{\Φ}}_i}{\mathrm{\λ}}$ 计算出三个相应的角度Φ₁，Φ₂，Φ₃(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第一个方向频率f₁对应的角度Φ₁，布置光路，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_opt1。分别按照第二、第三块光栅的频率所对应的角度布置光路，重复以上过程，分别确定该频率下的最佳曝光时间t_opt2，t_opt3。

(3)在以上的条件下，按照所需要制作光栅第一个方向频率f₁对应的角度Φ₁布置光路，把全息干版安装在可旋转工作台上，打开快门，对全息干版进行曝光后，曝光时间控制为t_opt1；然后进行经显影、定影和漂白处理后就可得到频率为f₁的透射光栅，即光栅应变花。按同样的方法再制作频率分别为f₂，f₃的光栅。

(4)由激光器发出的激光经扩束、滤波后入射到准直镜上，通过六块固定的全反镜获得六束三对相干光，每对光依次成45°布置，并通过另外六块可移动的全反镜把它们汇聚在工作台的中心。

(5)移去扩束镜、滤波器，把频率f₁的单方向光栅安装在工作台上，让激光垂直照射到光栅表面，移动可移动的全反镜，使得+1、-1级衍射光照射在可移动全反镜的中心，并固定全反镜。同样方法分别把频率为f₂，f₃的光栅安装在同一工作台上，保持三块光栅的夹角分别为45°，重复上述步骤。

(6)安装扩束镜、滤波器和快门，并在工作台上安放全息干版，按照预先确定三个方向上的最佳曝光时间分别控制快门对全息干版曝光。

(7)取下全息干版，进行显影、定影处理后就可得到三个方向频率不同的光栅应变花。

对本发明所得的三个方向频率不同的光栅应变花再进行漂白处理，就得到三个方向空间频率分别为2f₁，2f₂，2f₃的透射全息光栅应变花。

本发明可以制作平面内任意单方向、两个方向和三个方向的不同频率的光栅，每个方向上光栅的频率从50~2000线/mm，频率比可以从1∶1到1∶10之间，并且是无级可调，在云纹干涉技术中有着非常广泛的用途。

附图说明

图1为单方向光栅制作原理图

图2为本发明方法原理图

其中，(a)为光路图；(b)为三方向光栅的夹角和可移动全反镜的位置。

具体实施方式

如图1所示，附图1中各个器件描述如下：

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；

反射镜M₁、M₂：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；

工作台：固定全息干板，改变全息干板曝光的方向。

制作单方向光栅可以采取以下步骤：

①按照所需要制作光栅第一个方向频率f对应的角度Φ，布置光路，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。

②在以上的条件下，按照所需要制作光栅第一个方向频率f对应的角度Φ布置光路，把全息干版安装在可旋转工作台上，打开快门，对全息干版进行曝光后，曝光时间控制为t_opt；然后进行经显影、定影和漂白处理后就可得到频率为f的透射光栅。在光栅应变花上镀一层均匀的反射膜，则得到反射全息光栅。

如图2所示，为本发明原理图，附图中各个器件描述如下：

激光器1：波长633×10^-9m，功率40mW，是相干光源；

扩束镜、空间滤波器2：40×，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3：直径Φ＝200mm，相位差小于

扩束后的发散光变成平行等直径的平面波前光；

全反镜4、5，4′、5′，4″、5″：面积均为50×35mm²，它们把原来的一束准直平行光分成六束方向不同的准直平行光；

全反镜6、7，6′、7′，6″、7″：面积均为50×35mm²，分别接收来自4、5，4′、5′，4″、5″的平行光，并根据需要改变它们的传播方向；

快门8、8′、8″：分别控制三个方向上的曝光时间；

工作台9：用于安装光栅和全息干版。

结合图2中的部件，以制作0°、45°和90°的三个方向上频率分别为1000、500和200线/mm的光栅应变花为例，本发明制作过程如下：

①首先制作三块频率分别为500、250和100线/m的单方向光栅，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＝9.11°、4.54°和1.81°。从激光器发射的一束激光通过分光镜0分为两束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200.0mm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1180.1mm。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100mm、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，确定该实验条件下制作全息光栅的最佳曝光时间t_opt1＝2.3s。

③重新安放另一块全息干版，按时间2.3s曝光。取下全息干版，进行显影、定影处理后，再进行漂白处理，就得到空间频率为500线/mm的透射全息光栅应变花。再在光栅应变花上镀一层均匀的反射膜，则得到反射全息光栅。

同样方法，通过调节全反镜、工作台的位置，制作250、100线/mm的两块光栅。

④按照图2a所示，移去扩束镜、滤波器，把频率f₁的单方向光栅安装在工作台上，让激光垂直照射到光栅表面，移动可移动全反镜4、5，使得+1、-1级衍射光照射在可移动全反镜的中心，并分别反射到全反镜6、7的中心，固定全反镜。同样方法分别把频率为f₂，f₃的光栅安装在同一工作台上，保持三块光栅的夹角分别为45°(如图2b所示)，重复上述步骤。

⑤安装扩束镜、滤波器和快门，并在工作台上安放全息干版，按照预先确定三个方向上的最佳曝光时间：2.4s，2.3s和2.1s，分别控制快门对全息干版曝光。

⑥取下全息干版，进行显影、定影处理后就可得到三个方向频率不同的光栅应变花，再进行漂白处理，就得到0°、45°和90°三个方向空间频率分别为1000、500、200线/mm的透射全息光栅应变花。若在光栅应变花上镀一层均匀的反射膜，则得到反射全息光栅。

由上述实施例可以看出：图1所示的全息光栅制作方法，通过旋转工作台可以制作两方向及三方向的光栅，但一般只适合制作相同频率的光栅。因为旋转工作台只能改变每个方向光栅之间的夹角，而光栅的频率需要改变每对相干光束的夹角。

而图2中，本发明用三对相干光束，通过改变每对光束的夹角及光束之间的角度，来制作三个方向不同频率的全息光栅，方法简单、易行。可以制作空间频率范围50~2000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各个方向上同频率及单方向、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，可以在制作全息光栅时保证其准确的空间频率。

Claims (4)

1、一种变频率光栅应变花的制作方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)根据所要制作光栅应变花的三个方向上频率2f₁，2f₂，2f₃，首先制作三块频率分别f₁，f₂，f₃的单方向光栅，计算出三个相应的角度Φ₁，Φ₂，Φ₃；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)根据所选全息干版的特性，确定三个方向频率f₁，f₂，f₃制作全息光栅的最佳曝光时间t_opt1、t_opt2，t_opt3；

(3)在以上条件下，制作频率分别为f₁、f₂，f₃的透射全息光栅应变花，再在光栅应变花上镀一层均匀的反射膜，则得到反射全息光栅；

(4)激光经扩束、滤波后入射到准直镜上，通过六块固定的全反镜获得六束三对相干光，每对光依次成45°布置，并通过另外六块可移动的全反镜把它们汇聚在工作台的中心；

(5)移去扩束镜、滤波器，把频率f₁的单方向光栅安装在工作台上，让激光垂直照射到光栅表面，移动可移动的全反镜，使得+1、-1级衍射光照射在可移动全反镜的中心，并固定全反镜；同样方法分别把频率为f₂，f₃的光栅安装在同一工作台上，保持三块光栅的夹角分别为45°，重复上述步骤；

(6)安装扩束镜、滤波器和快门，并在工作台上安放全息干版，按照预先确定三个方向上的最佳曝光时间分别控制快门对全息干版曝光；

(7)取下全息干版，进行显影、定影，得到三个方向频率不同的光栅应变花。

2、根据权利要求1所述的变频率光栅应变花的制作方法，其特征是，所述的步骤(2)，具体为：按照所需要制作光栅第一个方向频率f₁对应的角度Φ₁，布置光路，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_opt1；分别按照第二、第三块光栅的频率所对应的角度布置光路，重复以上过程，分别确定该频率下的最佳曝光时间t_opt2，t_opt3。

3、根据权利要求1所述的变频率光栅应变花的制作方法，其特征是，所述的步骤(3)，具体为：按照所需要制作光栅第一个方向频率f₁对应的角度Φ₁布置光路，把全息干版安装在可旋转工作台上，打开快门，对全息干版进行曝光后，曝光时间控制为t_opt1，然后进行经显影、定影和漂白处理后就得到频率为f₁的透射光栅，按同样的方法再制作频率分别为f₂，f₃的光栅。

4、根据权利要求1所述的变频率光栅应变花的制作方法，其特征是，对得到的三个方向频率不同的光栅应变花进行漂白处理，得到三个方向空间频率不同的透射全息光栅应变花。

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