專利名稱：非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光束的波面測(cè)量，特別是一種非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x。
背景技術(shù)：
自60年代發(fā)明激光以來(lái)，激光應(yīng)用已遍布各行各業(yè)，其中半導(dǎo)體激光器由于其體積小、壽命長(zhǎng)、激光性能良好、價(jià)格不高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、工業(yè)和生物醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域獨(dú)放異彩，使用廣泛。半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面為窄長(zhǎng)條，長(zhǎng)約幾十微米，寬約零點(diǎn)幾微米，發(fā)出的光在空間也是窄長(zhǎng)條，在平行p-n結(jié)方向，發(fā)散角約5°-6°，在垂直p-n結(jié)方向，發(fā)散角約40°-60°，其遠(yuǎn)場(chǎng)分布是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的橢圓，這大大增加了它的耦合難度和使用難度，在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要先對(duì)它進(jìn)行光束整形，了解它的波面性質(zhì)對(duì)于整形具有非常重要的意義。另外，在許多光學(xué)應(yīng)用中，光束并非都具有圓對(duì)稱性質(zhì)，因此發(fā)展非圓對(duì)稱光束波面的測(cè)量方法有很大的應(yīng)用價(jià)值。
在現(xiàn)有的測(cè)量球面曲率半徑的方法中，機(jī)械法、自準(zhǔn)球徑儀法、自準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡測(cè)量法、準(zhǔn)直光束補(bǔ)償法等都只能用于具體光學(xué)元件的球面曲率半徑測(cè)量，不適合光束波面測(cè)量，平行板剪切干涉法可用于光束波面測(cè)量，但平行板剪切干涉法適合口徑小、曲率半徑長(zhǎng)、光束質(zhì)量好、光束波高在一個(gè)或者幾個(gè)波長(zhǎng)之間的波面測(cè)量，也不適合大口徑光束和半導(dǎo)體激光光束波面的測(cè)量。此外，干涉儀還具有靈敏度高，要求測(cè)量環(huán)境穩(wěn)定，干涉條紋不易調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，對(duì)于大量半導(dǎo)體激光的檢測(cè)不是一種簡(jiǎn)便而行之有效的方法。在先技術(shù)[1]透鏡波面測(cè)量?jī)x(申請(qǐng)?zhí)?00310108491.3)根據(jù)光束通過圓孔的傅立葉變換性質(zhì)，利用軸向光強(qiáng)分布特點(diǎn)，通過測(cè)量?jī)商卣鲌D樣之間的距離來(lái)確定波面，但該方法受圓形孔徑的限制，只能用來(lái)測(cè)量具有圓對(duì)稱光束的波面，不適合半導(dǎo)體激光的波面測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種非圓對(duì)稱光束的波面測(cè)量?jī)x，該儀器應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷，可用于半導(dǎo)體激光器所發(fā)光束的波面測(cè)量，亦可對(duì)任意非圓對(duì)稱光束進(jìn)行二維波面測(cè)量。
本發(fā)明利用光的衍射效應(yīng)來(lái)確定入射波面。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x，其特征在于它的組成是同軸地且依次設(shè)有小孔、透鏡、CCD探測(cè)器，該小孔置于透鏡的前焦面，該CCD探測(cè)器安裝在一刻度滑軌上并可在該刻度滑軌上移動(dòng)，該CCD探測(cè)器的探測(cè)面位于透鏡的后焦面時(shí)，該CCD探測(cè)器的探測(cè)面處于刻度導(dǎo)軌上的零刻度位置，該CCD探測(cè)器通過信號(hào)線與計(jì)算機(jī)相連。
利用上述非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x進(jìn)行非圓對(duì)稱光束波面的測(cè)量方法，該方法的具體步驟如下(1)根據(jù)待測(cè)半導(dǎo)體激光器的發(fā)光特點(diǎn)選定透鏡的焦距、刻度滑軌的長(zhǎng)度和波面曲率半徑的測(cè)量范圍；(2)定標(biāo)平面波照明時(shí)，小孔在透鏡的后焦面的光強(qiáng)分布為|Aλf|b|sinc(bxλf)|2,]]>其中b為孔徑寬度，光強(qiáng)的零點(diǎn)位置出現(xiàn)在 處，n＝1，2，3，......。以第一光強(qiáng)零點(diǎn)位置作為標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)，由以上參數(shù)計(jì)算得x方向第一零點(diǎn)位置在離中心0.4mm處，零級(jí)光斑寬度為0.8mm，y方向?yàn)樗娜种?，?dāng)使用半導(dǎo)體激光照明時(shí)，以此標(biāo)記作為判別標(biāo)準(zhǔn)；(3)測(cè)量步驟待測(cè)光源(01)距離小孔(02)0.5m，調(diào)整光源(01)、小孔(02)、透鏡(03)、CCD探測(cè)器(04)同光軸；移動(dòng)CCD探測(cè)器(04)，直到觀察面上的第一光強(qiáng)零點(diǎn)和的x方向標(biāo)記重合，記下移動(dòng)距離Δzx；重新移動(dòng)CCD探測(cè)器(04)直到觀察面上的第一光強(qiáng)零點(diǎn)和第(2)步的y方向的標(biāo)記重合，記下Δzy；數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)(6)根據(jù)下列方程式1R=Δzf2,]]>計(jì)算出波面曲率半徑Rx，Ry。
本發(fā)明的工作原理如下根據(jù)菲涅爾衍射理論，如果一物體位于透鏡前d0處，用垂直入射的振幅為A的平面波照明，在透鏡后的觀察平面z＝f±Δz上的光場(chǎng)復(fù)振幅分布u2(x)為u2(x)=AB1B2{t(x)⊗q(x;1λd0)·p(x)q*(x;1λf)}⊗q(x;1λz)---(1)]]>式中，B1=exp(ikd0)iλd0,]]>B2=exp(ikz)iλz,]]>q(x；α)＝exp(jπαx2)，k=2πλ]]>為波數(shù)，f為透鏡焦距，Δz為觀察平面與焦面的距離，p(x)為透鏡孔徑函數(shù)，如不考慮透鏡孔徑的有限大小，p(x)＝1，(1)式可化簡(jiǎn)為 式中B=A·exp(ikd0)exp(ikz)iλz·ib,]]> 為傅立葉變換，經(jīng)變量代換當(dāng)d0＝f時(shí)，(2)式可化為 若物體放在透鏡的前焦面，由曲率半徑為R的球面波照明，(3)式變?yōu)?因?yàn)榉菆A對(duì)稱光束，x，y方向的曲率半徑是不一樣的，假設(shè)被照明的物體為長(zhǎng)方形小孔，由(4)式可提供兩種利用衍射效應(yīng)確定波面的方法。
方法(一)當(dāng)一束光入射到一個(gè)小孔上時(shí)，由于光束不是平面波，其波面和狹縫平面將存在一個(gè)波高，光束平行度越好，波高越小，光束平行度越差，波高越大，而有限孔徑內(nèi)的波高與光束曲率半徑之間存在如下關(guān)系R=w02+(a2)22w0---(5)]]>式中，R光束曲率半徑，w0為小孔內(nèi)的波高，α為矩形孔徑長(zhǎng)度。在(4)式中，如果Δz＝0，即觀察平面為焦面，不同波高的光束通過小孔會(huì)在傅立葉變換面即焦面形成不同特征的衍射圖樣，改變小孔大小即改變小孔內(nèi)的波高，如果通過小孔的光波波高為0-2個(gè)波長(zhǎng)，當(dāng)小孔由小逐漸變大時(shí)，焦面衍射圖樣的變化規(guī)律為中心光斑逐漸變小，中心光強(qiáng)先增強(qiáng)后逐漸減弱。當(dāng)波高約0.6波長(zhǎng)時(shí)，衍射圖樣的中心出現(xiàn)凹陷；波高為0.85波長(zhǎng)時(shí)凹陷最明顯，圖樣表現(xiàn)為中間是暗線，兩旁是不同寬度的亮線，當(dāng)x，y方向的波高都為0.85波長(zhǎng)時(shí)，衍射圖樣的中心呈現(xiàn)一黑十字星，如圖2和圖3所示，以此圖樣為標(biāo)準(zhǔn)，在測(cè)量時(shí)只要改變小孔x，y方向的寬度調(diào)試出此圖樣，即可由公式(5)確定入射波面。該方法適合于大口徑光束的長(zhǎng)曲率半徑測(cè)量，可應(yīng)用于曲率半徑為幾十至幾百米的波面測(cè)量。
方法(二)在(4)式中，如有1R=Δzf2---(6)]]>在z＝f±Δz的觀測(cè)面上，它的衍射圖樣和小孔由平面波照明時(shí)在后焦面所成的衍射圖樣一模一樣，只是強(qiáng)弱不同，根據(jù)此特點(diǎn)，可通過波面補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)確定入射波面，只要移動(dòng)原先位于焦面的探測(cè)器直到觀察面上的衍射圖樣與小孔由平面波照明時(shí)在后焦面上的衍射圖樣重合，通過移動(dòng)的距離Δz也可確定入射波面。實(shí)際測(cè)量中可根據(jù)需要選擇或結(jié)合兩種方法進(jìn)行。特別提出的是使用方法(二)時(shí)，小孔必須放置在透鏡的前焦面。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷，可用于半導(dǎo)體激光器所發(fā)光束的波面測(cè)量，亦可對(duì)任意非圓對(duì)稱光束進(jìn)行二維波面測(cè)量。


圖1為本發(fā)明非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x原理2和圖3分別是方法(一)所用的標(biāo)準(zhǔn)衍射圖樣及其一維光強(qiáng)分布圖4是方法(二)所用的衍射圖樣圖5和圖6分別是圖4衍射圖樣的x及y向的一維光強(qiáng)分布具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x原理圖，由圖可見，本發(fā)明非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x的組成是同軸地且依次設(shè)有小孔02、透鏡03、CCD探測(cè)器04，該小孔02置于透鏡03的前焦面，該CCD探測(cè)器04安裝在一刻度滑軌05上并可在該刻度滑軌05上移動(dòng)，該CCD探測(cè)器04的探測(cè)面位于透鏡03的后焦面時(shí)，該CCD探測(cè)器04的探測(cè)面處于刻度導(dǎo)軌05上的零刻度位置，該CCD探測(cè)器04通過信號(hào)線與計(jì)算機(jī)06相連。
利用本發(fā)明非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x對(duì)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的非圓對(duì)稱光束波面的測(cè)量方法，其具體步驟如下(1)根據(jù)半導(dǎo)體激光器的發(fā)光特點(diǎn)確定透鏡03的焦距、滑軌05的長(zhǎng)度和波面曲率半徑的測(cè)量范圍；(2)定標(biāo)平面波照明時(shí)，小孔02在透鏡03后焦面的光強(qiáng)分布為|Aλf|b|sinc(bxλf)|2,]]>其中b為孔徑寬度，光強(qiáng)的零點(diǎn)位置出現(xiàn)在 處，n＝1，2，3，......。以第一光強(qiáng)零點(diǎn)位置作為標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)，由以上參數(shù)計(jì)算得x方向第一零點(diǎn)位置在離中心0.4mm處，零級(jí)光斑寬度為0.8mm，y方向?yàn)樗娜种?，?dāng)使用半導(dǎo)體激光照明時(shí)，以此標(biāo)記作為判別標(biāo)準(zhǔn)；其定標(biāo)如圖4、圖5、圖6所示分別為方法(二)所用的衍射圖樣、x向和y向一維光強(qiáng)分布及其定標(biāo)情況；(3)測(cè)量方法x，y方向分別測(cè)量，待測(cè)光源01距離小孔02約0.5m，調(diào)整光源01、小孔02、透鏡03、CCD探測(cè)器04同光軸；移動(dòng)CCD探測(cè)器(04)，直到觀察面上的第一光強(qiáng)零點(diǎn)和的x方向標(biāo)記重合，記下移動(dòng)距離Δzx；重新移動(dòng)CCD探測(cè)器04直到觀察面上的第一光強(qiáng)零點(diǎn)和第2步的y方向的標(biāo)記重合，記下Δzy；數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)(6)并根據(jù)下式1R=Δzf2,]]>計(jì)算出波面曲率半徑Rx，Ry。
如果認(rèn)為y方向的標(biāo)記間距不夠大不便于觀測(cè)，也可在x方向測(cè)量時(shí)，將小孔02豎直使用，如圖1所示，y方向測(cè)量時(shí)，小孔02水平使用，只使用x方向標(biāo)記。
(4)誤差分析。對(duì)(6)式進(jìn)行微分，有dR=2fΔf·df-f2Δf·dΔf---(7)]]>本發(fā)明非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x的測(cè)量誤差主要由透鏡03的焦距的位置誤差和CCD探測(cè)器04的移動(dòng)精度所決定。若導(dǎo)軌的定位精度為1mm，即透鏡焦距位置精度和探測(cè)器移動(dòng)精度都為1mm，測(cè)量誤差 約為0.3％-0.6％。
權(quán)利要求
1.一種非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x，其特征在于它的組成是同軸地且依次設(shè)有小孔(02)、透鏡(03)、CCD探測(cè)器(04)，該小孔(02)置于透鏡(03)的前焦面，該CCD探測(cè)器(04)安裝在一刻度滑軌(05)上并可在該刻度滑軌(05)上移動(dòng)，該CCD探測(cè)器(04)的探測(cè)面位于透鏡(03)的后焦面時(shí)，該CCD探測(cè)器(04)的探測(cè)面處于刻度導(dǎo)軌(05)上的零刻度位置，該CCD探測(cè)器(04)通過信號(hào)線與計(jì)算機(jī)(06)相連。
2.利用權(quán)利要求1所述的非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x進(jìn)行非圓對(duì)稱光束波面的測(cè)量方法，其特征在于該方法的具體步驟如下(1)根據(jù)半導(dǎo)體激光器的發(fā)光特點(diǎn)確定透鏡(03)的焦距、滑軌(05)的長(zhǎng)度和波面曲率半徑的測(cè)量范圍；(2)定標(biāo)平面波照明時(shí)，小孔(02)在透鏡(03)后焦面的光強(qiáng)分布為|Aλf|b|sinc(bxλf)|2,]]>其中b為孔徑寬度，光強(qiáng)的零點(diǎn)位置出現(xiàn)在 處，n＝1，2，3，......。以第一光強(qiáng)零點(diǎn)位置作為標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)，由以上參數(shù)計(jì)算得x方向第一零點(diǎn)位置在離中心0.4mm處，零級(jí)光斑寬度為0.8mm，y方向?yàn)樗娜种唬?dāng)使用半導(dǎo)體激光照明時(shí)，以此標(biāo)記作為判別標(biāo)準(zhǔn)；(3)測(cè)量步驟將待測(cè)光源(01)距離小孔(02)0.5m放置，調(diào)整光源(01)、小孔(02)、透鏡(03)、CCD探測(cè)器(04)同光軸；移動(dòng)CCD探測(cè)器(04)，直到CCD探測(cè)器(04)觀察面上的第一光強(qiáng)零點(diǎn)和第(2)步的x方向標(biāo)記重合，記下移動(dòng)距離Δzx；重新移動(dòng)CCD探測(cè)器(04)直到CCD探測(cè)器(04)觀察面上的第一光強(qiáng)零點(diǎn)和的y方向的標(biāo)記重合，記下Δzy；數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)(6)并根據(jù)下式1R=·Δzf2,]]>計(jì)算出波面曲率半徑Rx，Ry。
全文摘要
一種非圓對(duì)稱光束波面測(cè)量?jī)x，其特征在于它的組成是同軸地且依次設(shè)有小孔、透鏡、CCD探測(cè)器，該小孔置于透鏡的前焦面，該CCD探測(cè)器安裝在一刻度滑軌上并可在該刻度滑軌上移動(dòng)，該CCD探測(cè)器的探測(cè)面位于透鏡的后焦面時(shí)，該CCD探測(cè)器的探測(cè)面處于刻度導(dǎo)軌上的零刻度位置，該CCD探測(cè)器通過信號(hào)線與計(jì)算機(jī)相連。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷，可用于半導(dǎo)體激光器所發(fā)光束的波面測(cè)量，亦可對(duì)任意非圓對(duì)稱光束進(jìn)行二維波面測(cè)量。
文檔編號(hào)G01M11/02GK1570561SQ20041001815
公開日2005年1月26日 申請(qǐng)日期2004年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月9日
發(fā)明者萬(wàn)玲玉, 劉立人, 張明麗, 欒竹 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所