CN1055600A - 检测光束准直的剪切干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学仪器***领域的一种检测光束 准直的剪切干涉仪。用于光学与激光工程，光学与激 光实验中光束准直的检测。由入射光阑屏、带有楔角 的可以旋转360°的剪切干涉平板和图形观测屏三 部分组成。这三部分既可以设计成一体式的，也可以 是分离式的。本发明的干涉仪具有检测灵敏度高，可 检测较大光束口径，并能够直接给出定量的结果等优 点。

Description

本发明属于光学仪器***领域，主要用于光学与激光工程、光学与激光实验中光束准直的检测。

光束准直检测中现有的方法有：

（1）用平行平板作为剪切干涉仪观测零场干涉图形的存在与否作为评判光束准直的依据（Appl.Opt.3.1964，531-534）;日本公开专利JP52-57839（1977年5月12日）中也提到这种剪切方法。

（2）用多个角锥棱镜列阵的干涉法（Appl.Opt.9.1970，2590-2593）。

（3）用拼接双楔板剪切干涉仪或拼接双光栅干涉仪（Optics  and  Laser  Technology，20.1.1988，139-144）。

（4）美国专利4504147用立方棱镜贴置角锥棱镜和直角棱镜组成剪切干涉仪。

（5）美国专利4575248是用两块后向反射镜及分束镜构成剪切干涉仪。

上述几种方法均存在一些缺点：

1.方法（1）存在灵敏度不高，平行平板的平行度要求严格，难以达到要求;

2.方法（2）虽然精度有所提高，但造价昂贵，调校繁琐，实用性差，难于推广;

3.方法（3）虽然灵敏度较方法（1）提高了一倍，但在技术上难以保证拼接的两块板或两块光栅正确的相反角度的位置，而且随着楔板厚度增加所限制的被检验光束口径也在增加;

4.方法（4）和（5）其干涉仪结构复杂适用于激光辐射角发散或光束波面形状的测量，而不适用于检验光束的准直。

本发明的目的在于克服上述列举几种方法的不足之处，发明一种简单实用、造价低廉、易于推广的检测光束准直的干涉仪。

本发明的干涉仪是由入射光阑屏、剪切干涉板和干涉图形观测屏组成。其特征在于剪切干涉板是用一块有楔角B的楔形平板（以下简称为楔板）装入一可旋转360°的框架上，依被检测光束入射到该楔板并被楔板前、后两表面反射剪切干涉后，由干涉条纹方向、倾角及宽度变化来确定光束的准直程度。也就是说，自被检测***发出光束的波面W入射到可旋转的剪切干涉楔板上，该波面W经楔板WP的前、后表面反射后，相应得到沿X轴方向上剪切、其剪切量为S的两剪切波面为Wf和Wb，并且由于楔板WP有楔角B，而使两剪切波面Wf和Wb之间的夹角为2nB（其中n是楔板材料的折射率）。若楔板WP再旋转180°时，呈现的两辐剪切干涉图形的干涉条纹方向和宽窄一致，则是准直光束;否则将是非准直光束。当入射光束以45°入射角入射至楔板WP上时，则剪切干涉图形的观测位置是在与楔板法线成45°角的出射方向上，即入射光束与出射光束成90°角;若入射光束以大于或小于45°角的方向入射至楔板WP上时，则干涉图形的观测位置也在相应与楔板法线成大于或小于45°角的方向上观测。因此，本发明的干涉仪可以将入射光阑屏，楔板WP与观测屏设计成为一体式的，即入射光阑屏的光轴与干涉图形观测屏的光轴成90°角且与楔板的法线在同一平面内;对于楔板而言，为了适用于不同入射角与出射角的光束，本发明的干涉仪也可以使入射光阑屏、楔板WP及观测屏分别放置称为分离式的。

根据被观测的条纹方向，被检测***的离焦量△f表示为：

△f＝ 1/(s) nBf²（a₊-a_-）-（1）

（1）式中：f-被测***的焦距;

n-楔板玻璃材料的折射率;

B-楔板的楔角;

s-剪切量;

a₊，a_--楔板在0°位置及180°位置时相应的干涉条纹与X轴的倾角。

本干涉仪中，光束剪切量S表达式为：

（2）式中：i-入射光束在楔板WP上的入射角;

n-楔板玻璃材料的折射率;

h-楔板的厚度。

关于楔角B的选取，从（1）式看出，当△f一定时，B越小，则a或a将会越大，这对a角的测试有利;但根据条纹宽度d的公式：

d＝λ/（2nB）-（3）

（3）式中：λ-检测时所使用光束的波长。

从（3）式中看出，B越小，干涉条纹宽度d则越宽，这对条纹的对准是不利的。根据经验计算，B取值的范围为5″～60″较为合适。

本干涉仪的楔板两表面可以镀膜，也可以不镀膜使用。

本发明的优点在于：

1.较之平行平板准直检验法灵敏度提高了一倍以上;

2.较之平行平板的成本至少低1/2，较之角锥棱镜列阵等方法其成本降低得更为显著;

3.与双楔板拼接法比较，本发明不受检测光束口径的限制，并能够直接给出定量的结果;

4.本发明由于技术简单，选价低廉，易于推广应用。

附图说明：

图1为日本公开专利JP52-57839的单平板剪切干涉仪，其中1-为点光源，2-为准直物镜，3-为平板剪切干涉板，4-为成象透镜，5-为剪切干涉图形。

图2为美国专利4504147用于测量辐射角发散度的组合型剪切干涉仪。其中6、7-为探测元件，8-为由两块相同的直角棱镜组合的立方棱镜，10-为直角棱镜。

图3为本发明干涉仪的示意图。被检验波面W入射到楔板WP后，被前、后两表面反射得到剪切量为S、倾角为2nB的两剪切波面Wf和Wb，图中虚线为楔板WP旋转180°时楔板的位置及波面的位置。

图4为楔板WP在0°位置时，被检验波面是平面波时得到的两幅剪切干涉图形。

图5为被检验波面是球面波时，分别得到的三幅剪切干涉图形。

图6为楔板WP在0°位置和180°位置时，由于光束离焦量△f不同，条纹宽度d和方向a均不相同的情况。

图7为楔板WP的楔棱平行于Y轴时三种不同光束离焦位置时，条纹宽度改变而方向不变的剪切干涉图形。

图8为楔板WP的楔棱平行于Y轴时，由于光束离焦量△f不同，楔板WP在0°和180°位置时，相应地条纹宽度d改变而方向不变的情况。

实施例：

1.将入射光阑屏、楔板和干涉图形观测屏三部分固定成为一体式的。

2.上述三个部分可以随其检测时任意角度的要求，选择放置的位置，即为分离式的。

三个部分放置的示意图如图3所示。

应用公式（1），当被检验***的相对孔径为1/5时，楔板的楔角B＝50″，楔板玻璃材料选用最常用的K9玻璃，折射率n＝1.5，波面的相对剪切量为0.25，实验证明，a与a角度分别取0.5°时，则计算得到的最大准直误差值为0.0001f。

同样以K9玻璃作为楔板材料，相对剪切量仍取0.25，当光束口径取50mm时，采用一体式结构，则i＝45°，将上（1）式值代入（2）式得到楔板厚度h≈16mm。

两表面镀膜，根据公式，

R₂＝R₁/（1-R₁）²-（4）

（4）式中：R₁，R₂分别为楔板前，后表面的反射率。

计算楔板前、后两表面的反射率R₁及R₂，可选取的数据列于表1。

表1

R1%	5	10	20	25	30	35	38
								R2%	5.5	12.3	31.2	44.4	61.2	82.8	100

所观测到各种条件下的干涉图形分别显示在图4、5、6、7、8中。

Claims (4)

1、一种属于光学仪器***领域的检测光束准直的剪切干射仪，由入射光阑屏、剪切干涉板和干涉图形观测屏所组成，其特征在于剪切干涉板是带有楔角B的楔形平板(以下简称楔板)，它装入可以旋转360°的框架上，被检测***的离焦量△f符合公式：

△f= 1/(S) nBf²(a₊-a_-)-------(1)

(1)式中，f--被检测***的焦距，

         n--楔板玻璃材料的折射率，

         B--楔板的楔角，

a₊，a_-分别为楔板在0°位置及在180°位置时相应的干涉条纹与X轴的倾角，

S--为光束剪切量，符合公式：

$S=[h\·\sin \left(2i\right)]/\sqrt{n^2-{\sin }^{2}i}---\left(2\right)$

(2)式中，i--为入射光束在楔板上的入射角，

         h--为楔板的厚度。

2、根据权利要求1所述的一种检测光束准直的剪切干涉仪，其特征在于楔角B的取值范围是5″至60″。

3、根据权利要求1所述的一种检测光束准直的剪切干涉仪，其特征在于入射光阑屏，楔板和干涉图形观测屏三部分组成是一体式的，或者是分离式的。

4、根据权利要求1所述的一种检测光束准直的剪切干涉仪，其特征在于楔板两表面是镀膜的，或者是不镀膜的。

Images