專利名稱：全方位光束檢驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于檢測(cè)光束質(zhì)量的光學(xué)儀器，主要用于激光研究、激光工程及一般光學(xué)系統(tǒng)光束參數(shù)與質(zhì)量的檢測(cè)。
光束準(zhǔn)直及檢驗(yàn)的現(xiàn)有方法有(1)用平行平板作為剪切干涉儀視零場(chǎng)干涉圖形存在與否作為評(píng)判光束準(zhǔn)直的依據(jù)。主要由點(diǎn)光源1、準(zhǔn)直物鏡2、平行平板剪切干涉儀3和成象透鏡4所構(gòu)成，觀察到干涉圖形5如圖1所示(Appl.Opt.3.1964，531-534;激光，6，4，1979，47-51;剪切干涉儀及其應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，1987年8月，P.77-82，P.220-227)。
(2)檢測(cè)光束準(zhǔn)直的剪切干涉儀主要由入射光闌屏6、帶有楔角的可以旋轉(zhuǎn)360°的剪切干涉平板9(稱為楔板)和圖形觀測(cè)屏三部分組成(發(fā)明申請(qǐng)?zhí)?0101910.0)。
(3)正交兩維剪切干涉(激光，7，10，1980，38-41;Appl.Opt，15，1975，1605)。
上述幾種方法均存在一些缺點(diǎn)1.方法(1)存在靈敏度不高，不能給出定量結(jié)果，平行平板的平行度要求嚴(yán)格，難以達(dá)到要求;
2.方法(2)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，靈敏度提高又能給出定量結(jié)果，但與方法(1)一樣只是基于被檢驗(yàn)波面為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的情況下適用，對(duì)于非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱波面，例如象散波面、柱波面等均不適用，因?yàn)樯鲜鰞H是楔板可轉(zhuǎn)動(dòng)360°，是一維橫向剪切干涉;
3.方法(3)雖然能給出正交兩維橫向剪切干涉但不能給出定量結(jié)果，另一方面，不能給出全方位(或稱任意方向)剪切干涉的定量檢測(cè)。
本發(fā)明的目的在于克服上述列舉幾種方法的不足之處，發(fā)明一種既簡(jiǎn)單實(shí)用、造價(jià)低廉，又能全方位定量檢測(cè)光束準(zhǔn)直及質(zhì)量的檢驗(yàn)儀。
本發(fā)明的檢驗(yàn)儀是由入射光闌屏6構(gòu)成的固定部分7和有兩種旋轉(zhuǎn)方向的剪切干涉板及有固定和轉(zhuǎn)動(dòng)分劃板組成的干涉圖形觀測(cè)屏的轉(zhuǎn)動(dòng)部分8所構(gòu)成。其中固定部分7的入射光闌處于干涉板之前，為接收入射光束的最前方;轉(zhuǎn)動(dòng)部分8的剪切干涉板是一塊帶有楔角B的楔形平板9(以下簡(jiǎn)稱平板)裝入可完成兩種旋轉(zhuǎn)方向的鏡框10內(nèi)，鏡框10上帶有游標(biāo)刻度讀數(shù)的分劃度盤，鏡框的支架可以升降，平板兩種方向的旋轉(zhuǎn)是其一，平板繞入射光束的光軸旋轉(zhuǎn)，并能示出旋轉(zhuǎn)的方位角度值，從而實(shí)現(xiàn)光束相應(yīng)方位的剪切干涉;其二，平板繞其前表面中心法線為軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，亦可旋轉(zhuǎn)360°，兩種旋轉(zhuǎn)方向的位置均有分劃度盤顯示出，分劃度盤上刻有360°，其中一塊度盤直讀精度是6′，估讀精度為2′。轉(zhuǎn)動(dòng)部分8中的干涉圖形觀測(cè)屏由固定分劃板11和可轉(zhuǎn)動(dòng)分劃板12兩部分構(gòu)成，其中轉(zhuǎn)動(dòng)分劃板帶有外環(huán)角度刻度盤以便顯示轉(zhuǎn)動(dòng)方位角。整體觀測(cè)屏是繞入射光束的光軸隨其平板一起轉(zhuǎn)動(dòng)。平板兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的配合使用，可測(cè)出所要求的參數(shù)。設(shè)光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)(f/D)為1，根據(jù)計(jì)算，不同方位離焦量測(cè)試精度可達(dá)1μm。
根據(jù)在某一方位角ai上觀測(cè)的干涉條紋方向，被檢測(cè)系統(tǒng)在這ai方位角上的離焦量△fai表示為△fai＝ 1/(S) nBf2tgα(1)(1)式中f-被測(cè)系統(tǒng)的焦距;
n-平板材料的折射率;
B-平板的楔角;
S-光束剪切量;
α-干涉條紋與參考標(biāo)線的傾角。
本干涉儀中，光束剪切量S表達(dá)式為
(2)式中h-平板的厚度。
根據(jù)在某一方位角ai上觀測(cè)到的干涉條紋方向，則被測(cè)光束在這一方位角上的發(fā)散角θai表示為θai＝ 1/(S) DnBtgα(3)(3)式中D-被測(cè)光束口徑。
于是，也可以得出在這一方位角上波面曲率半徑Rai的表達(dá)式Rai＝f2/△fai(4)或Rai＝D/θai(5)當(dāng)測(cè)定幾個(gè)特征方位角ai(例如ai＝0°，45°，90°，135°，180°等)的Rai后，即可得到象散的表達(dá)式ST＝｜1/Rai-1/R(ai+90°)｜(6)
式(6)中Rai-任意方位角ai上的波面曲率半徑，例如，ai＝0°，則ai+90°＝90°。
本檢驗(yàn)儀的剪切干涉板兩面可以鍍膜也可以不鍍膜使用;平板的楔角根據(jù)被檢驗(yàn)光束口徑及光束剪切量而定，取值范圍最好在5″～60″之間。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明較之發(fā)明專利90101910.0功能更全，可以檢測(cè)光束之任意方向上的數(shù)據(jù);可以給出象差的定量結(jié)果，例如常見的象散差，象散波面及柱面波面等，應(yīng)用較廣，不僅可用于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱波面，還可以用于非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的波面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。在光學(xué)、激光及強(qiáng)激光檢測(cè)領(lǐng)域里有良好的推廣應(yīng)用前景。


圖1為方法1測(cè)試光束準(zhǔn)直的一維剪切干涉儀。
圖2為本發(fā)明平板所處的四種不同方位角的位置示意圖，圖中A0A1是入射光束的光軸，B0B1是平板前表面的中心法線。
圖2(a)當(dāng)平板9繞B0B1旋轉(zhuǎn)，即完成在X方向上的一維剪切干涉的定量檢測(cè);
圖2(b)表示在圖2(a)的位置后平板9繞A0A1旋轉(zhuǎn)90°后光束在y方向的剪切。實(shí)際上，這一過程光束已可實(shí)現(xiàn)在x-y座標(biāo)中的第一和第三象限內(nèi)的任一方位的剪切干涉;
圖2(c)表示在圖2(a)的位置后平板9繞A0A1轉(zhuǎn)動(dòng)180°的情況，事實(shí)上，平板9轉(zhuǎn)到此位置時(shí)，完成了x-y座標(biāo)系中第二、四象限內(nèi)的剪切，即此時(shí)完成了全方位剪切;
圖2(d)表示了相對(duì)于圖1(a)平板9轉(zhuǎn)動(dòng)了270°時(shí)的情況。
圖3本發(fā)明檢驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4表示一較好的回轉(zhuǎn)對(duì)稱波面在五個(gè)不同方位(0°，45°，90°，135°，180°)上得到的剪切干涉圖形。
圖5表示將一點(diǎn)燃的酒精燈火焰插入圖3中入射光闌屏前，在上述圖4中的回轉(zhuǎn)對(duì)稱波面五個(gè)方位角上得到的剪切干涉圖形。
圖6表示一彗差方向在x方向的光束，同樣在上述五個(gè)不同方位角上，得到的剪切干涉圖形。
實(shí)施例當(dāng)被檢驗(yàn)系統(tǒng)的F-數(shù)(f/D)為1時(shí)，若平板楔角B＝20″，其折射率n＝1.51，相對(duì)剪切量S/D＝1/5，應(yīng)用公式(1)得準(zhǔn)直系統(tǒng)的離焦量表達(dá)式為△f＝0.0004ftgα(7)若α角的測(cè)試精度為1°37′，f＝100mm，則離焦量可測(cè)得△f＝0.0011mm。
應(yīng)用K9玻璃作為平板材料，相對(duì)剪切量仍為1/5，光束入射角45°，應(yīng)用公式(2)得平板的厚度h≈11.38mm。
若相對(duì)剪切量S/D仍為1/5，平板楔角B＝20″，其折射率n＝1.51，在方位角ai＝90°位置上α＝1°37′，應(yīng)用公式(3)得到在這一方位角上光束發(fā)散角為θ90°＝0.002mrad
若光學(xué)系統(tǒng)焦距f＝100mm，△f45°＝0.05mm，△f135°＝0.04mm，利用公式(4)得出在45°方位角及135°方位角的波面半徑分別為R45°＝200mR135°＝250m應(yīng)用公式(6)可得出在上述兩個(gè)方位角上的象散ST＝0.001m-1若平板兩表面需要鍍膜，可按下面公式計(jì)算兩面的反射率R2＝R1/(1-R1)2(8)式中R1，R2分別為平板前后兩表面的反射率。
選取平板前后表面的反射率R1R2，可根據(jù)需要擇其表1中的一組。
表1

在不同方位角情況下，所觀測(cè)到幾種特征波面的干涉圖形分別由圖4、5、6顯示出。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)光束質(zhì)量的全方位光束檢驗(yàn)儀，含有入射光闌屏，剪切干涉板是帶有楔角B的平板和干涉圖形觀測(cè)屏，其特征在于由有入射光闌屏構(gòu)成固定部分7和由有兩種旋轉(zhuǎn)方向的平板9與可轉(zhuǎn)動(dòng)的干涉圖形觀測(cè)屏構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)部分8兩大部分所組成。被檢測(cè)系統(tǒng)的離焦量Δf符合公式Δfai= 1/(S) nBf2tgα (1)(1)式中f-被檢測(cè)系統(tǒng)的焦距n-平板材料的折射率B-平板的楔角α-干涉條紋與參考標(biāo)線的傾角S-光束剪切量角標(biāo)ai表示被檢測(cè)系統(tǒng)在ai方位角上的角度值。(1)式中S=h/n2-1(2)]]>(2)式中h-為平板的厚度；被測(cè)光束在ai方位角上的發(fā)散角θai表示為θai= 1/(S) DnBtgα (3)(3)式中D-為被測(cè)光束口徑；被測(cè)光束在ai方位角上的波面曲率半徑Rai表示為Rai=f2/Δfai(4)或Rai=D/θai(5)被測(cè)光束在ai方位角上的象散為ST=｜1/Rai-1/R(ai+90℃)｜ (6)(6)式中i=0，1，2，…
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全方位光束檢驗(yàn)儀，其特征在于平板一種旋轉(zhuǎn)方向是繞平板對(duì)著入射光束表面的中心法線旋轉(zhuǎn)360°，另一種旋轉(zhuǎn)方向是繞入射光束的光軸旋轉(zhuǎn)360°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種全方位光束檢驗(yàn)儀，其特征在于干涉圖形觀測(cè)屏是由固定分劃板和可轉(zhuǎn)動(dòng)分劃板兩部分構(gòu)成，并整體干涉圖形觀測(cè)屏繞入射光束的光軸隨平板一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)儀器領(lǐng)域的一種全方位光束檢測(cè)儀。用于光學(xué)與激光工程，光學(xué)與激光實(shí)驗(yàn)中光束準(zhǔn)直與質(zhì)量檢測(cè)。該檢驗(yàn)儀由有入射光闌屏構(gòu)成固定部分和帶有楔角的剪切干涉平板可繞入射光束光軸轉(zhuǎn)動(dòng)360°以及繞平板中心法線轉(zhuǎn)動(dòng)360°和含有固定和轉(zhuǎn)動(dòng)兩塊分劃板的干涉圖形觀測(cè)屏所構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)部分兩大部分組成。本發(fā)明的檢驗(yàn)儀具有任意方位光束的剪切干涉，檢測(cè)靈敏度高，可直接給出定量結(jié)果，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，易于推廣使用的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B27/30GK1078557SQ9210841
公開日1993年11月17日 申請(qǐng)日期1992年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1992年5月15日
發(fā)明者徐德衍, 陳淑琴, 鄭朝思 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所