專利名稱：高倍全息位相差放大裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)測量裝置，特別是一種涉及弱位相畸變波面的全息位相差放大裝置，主要用于高精密光學(xué)元件的面形檢測、弱畸變波面的放大測試等等，測量精度可達(dá)到納米量級。
背景技術(shù)：
目前，在國內(nèi)外光學(xué)工業(yè)界，測量波面的方法是干涉法，可測精度達(dá)到λ/30(λ為測量光的波長)，而實(shí)際需要達(dá)λ/100或更短，也就是納米級。在某種程度上，它制約了光學(xué)加工所能達(dá)到的水平，國內(nèi)差不多所有高質(zhì)量的干涉儀都是從國外進(jìn)口。高精密的波面測試裝置在我國的工業(yè)、國防、科研等領(lǐng)域有重大的市場需求。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的問題在于提供一種高倍全息位相差放大裝置，用以高精度地檢測大面積的光學(xué)平面、球面及由應(yīng)力所引起的畸變波面，精度優(yōu)于在先技術(shù)幾十倍到兩個數(shù)量級以上。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種高倍全息位相差放大裝置，由波前記錄裝置和重構(gòu)裝置兩部分組成波前記錄裝置由激光光源、望遠(yuǎn)鏡、分束器、第一第二第三反射鏡、待測樣品和記錄介質(zhì)組成，其位置關(guān)系是激光光源發(fā)出的光束由望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束，經(jīng)分束器分成兩束光，反射出來的光束Wb經(jīng)樣品到達(dá)第三反射鏡反射到記錄介質(zhì)上，作為物波，透過分束器的光束Cb經(jīng)第一第二反射鏡也反射到記錄介質(zhì)上，是參考波，物波和參考波干涉后形成全息圖記錄在記錄介質(zhì)上；重構(gòu)裝置包括氦-氖激光光源、望遠(yuǎn)鏡、第一第二半透半反鏡、第一第二全反鏡、底片架、透鏡、光闌和接收器，氦-氖激光光源發(fā)出的光束，經(jīng)第一半透半反鏡后，分成A、B兩束光，光束A經(jīng)第二全反鏡和第二半透半反鏡后，照明記錄介質(zhì)上的全息圖；光束B經(jīng)第一全反鏡和第二半透半反鏡，也照明記錄介質(zhì)上的全息圖，A、B光束分別被全息圖衍射，各自產(chǎn)生0級、±1、±M、±N…級衍射，分別調(diào)整第一全反射鏡和第二全反鏡，讓A光束經(jīng)全息圖產(chǎn)生的+M級衍射波和B光束經(jīng)全息圖后產(chǎn)生的-N級衍射波在透鏡的焦平面上重疊，用光闌濾去非重疊部分，由接收器接收。
所說的激光光源是一臺單模運(yùn)轉(zhuǎn)的He-Ne激光器，輸出功率為5mW。
所說的望遠(yuǎn)鏡是一臺放大100倍的擴(kuò)束系統(tǒng)。
所說的分束器是一塊反射率為50％的楔形板。
本實(shí)用新型高倍全息位相差放大裝置的工作原理可以說明如下激光光源發(fā)出的激光經(jīng)分束器分成兩束光，一束為物光Wb，另一束為參考光Cb。參考光Cb和物光Wb干涉形成的全息圖，記錄在全息干板上。
假設(shè)物波的歸一化復(fù)振幅為A(x，y)＝exp[ikψ1(x，y)]參考波的歸一化復(fù)振幅為B(x，y)＝exp[ikψ2(x，y)]其中，kψ1(x，y)和kψ2(x，y)分別為物波和參考波的位相因子。兩列波干涉后到達(dá)干板上的強(qiáng)度分布為I(x，y)＝1+cos{k[ψ1(x，y)-ψ2(x，y)]}式中ψ1＝ψ(x，y)+xsinθ0+δ0ψ2＝xsinθr+δrψ(x，y)為由物體產(chǎn)生的位相；θ0為物光束相對于干板法線方向的入射角；θr為參考光束相對于干板法線方向的入射角；δ0為物光到達(dá)干板時的光程；δr為參考光到達(dá)干板時的光程；k為波數(shù)。
當(dāng)全息圖記錄并顯影后，干板的透射率相對強(qiáng)度分布為T～exp{ik[ψ(x，y)+x(sinθ0-sinθr)+(δ0-δr)]}將拍攝好的全息干板8，放在圖1(b)所示的底片架10上進(jìn)行重構(gòu)。當(dāng)采用光學(xué)方法重構(gòu)時，+M級衍射像振幅為AM～exp{ik[Mψ(x，y)+xM(sinθ0-sinθr)+M(δ0-δr)+xsinθM+δM]}-N級衍射像振幅為A-N～exp{ik[-Nψ(x，y)-xN(sinθ0-sinθr)-N(δ0-δr)+xsinθ-N+δ-N]}讓重構(gòu)波照明全息圖，再讓重構(gòu)的共扼衍射波相互干涉，則有I～1+cos{k(M+N)[ψ(x，y)+(δ0-δr)]+k(δM-δ-N)}調(diào)整光路，使光程差k(M+N)(δ0-δr)+k(δM-δ-N)＝0
則有I～1+cos[k(M+N)ψ(x，y)]，于是，位相差放大了(M+N)倍。
本實(shí)用新型與在先技術(shù)相比，有如下優(yōu)點(diǎn)1.由于測量分成記錄和放大兩步過程，可以測量某些常規(guī)測量方法所難以測量的快速變化量或瞬態(tài)量。
2.可將位相差進(jìn)行后期放大，在大大提高測量精度的同時，對拍攝全息圖所用的光學(xué)元件精度要求大為降低。


圖1為本實(shí)用新型高倍全息位相差放大裝置的波前記錄裝置示意圖。
圖2為本實(shí)用新型高倍全息位相差放大裝置的重構(gòu)裝置示意圖。
具體實(shí)施方式
先請參閱圖1和圖2，本實(shí)用新型高倍全息位相差放大裝置，由波前記錄裝置1和重構(gòu)裝置2兩部分組成波前記錄裝置1由激光光源11、望遠(yuǎn)鏡12、分束器13、反射鏡14、15、16、待測樣品17和記錄介質(zhì)3組成，其位置關(guān)系是激光光源11發(fā)出的光束由望遠(yuǎn)鏡12擴(kuò)束，經(jīng)分束器13分成兩束光，反射出來的光束Wb經(jīng)樣品17到達(dá)反射鏡16反射到記錄介質(zhì)3上，作為物波，透過分束器13的光束Cb經(jīng)反射鏡14和15也反射到記錄介質(zhì)3上，是參考波，物波和參考波干涉后形成全息圖記錄在記錄介質(zhì)3上；重構(gòu)裝置2包括氦-氖激光光源21、望遠(yuǎn)鏡22、半透半反鏡23、25、全反鏡24、26、底片架27、透鏡28、光闌29和接收器20，氦-氖激光光源21發(fā)出的光束，經(jīng)第一半透半反鏡23后，分成A、B兩束光，光束A經(jīng)全反鏡26和第二半透半反鏡25后，照明記錄介質(zhì)3上的全息圖；光束B經(jīng)第一全反鏡24和第二半透半反鏡25后，也照明記錄介質(zhì)3上的全息圖，A、B光束分別被全息圖衍射，各自產(chǎn)生0級、±1、±M、±N…級衍射，分別調(diào)整第一全反射鏡24和第二全反鏡26，讓A光束經(jīng)全息圖產(chǎn)生的+M級衍射波和B光束經(jīng)全息圖后產(chǎn)生的-N級衍射波在透鏡28的焦平面上重疊，用光闌29濾去非重疊部分，由接收器20接收。
所說的激光光源11、21是一臺單模運(yùn)轉(zhuǎn)的He-Ne激光器，輸出功率為5mW。
所說的望遠(yuǎn)鏡12、22是一臺放大100倍的擴(kuò)束系統(tǒng)。
所說的分束器13是一塊反射率為50％的楔形板。
如上所述，首先將拍攝好的含有物體位相信息的全息圖3，在暗房中處理、吹干以后，放在圖2所示的底片架27上進(jìn)行光學(xué)重構(gòu)。重構(gòu)在光學(xué)馬赫-陳特爾干涉儀中進(jìn)行。由氦--氖激光光源21發(fā)射的波長為632.8nm的光束，經(jīng)第一半透半反鏡23后，分成A、B兩束光。光束A經(jīng)全反鏡26和第二半透半反鏡25后，照明干板3上的全息圖；光束B經(jīng)第一全反鏡24和第二半透半反鏡25后，也照明干板3上的全息圖。
A、B束分別經(jīng)過全息圖衍射，各自產(chǎn)生0級、±1、±M、±N…級衍射，分別調(diào)整全反射鏡24、26，使A束經(jīng)全息圖3后產(chǎn)生的+M級(或-N級)衍射波，和B束經(jīng)全息圖3后產(chǎn)生的-N級衍射波，在透鏡28的焦平面上重疊。用光闌29濾去非重疊部分，由接收器20接收。由上面技術(shù)方案中所述原理可知，A束產(chǎn)生的+M級衍射波和B束產(chǎn)生的-N級干涉后，位相差放大到原來的(M+N)倍，重復(fù)上述過程n次，則位相差放大2M+N倍。如果選擇M＝N＝25，只要重復(fù)一次就可以將位相差放大到λ/100。
這一技術(shù)可在高精密、大尺寸光學(xué)檢測中獲得廣泛應(yīng)用，可改變我國光學(xué)加工和測量工業(yè)依賴于國外進(jìn)口的落后狀態(tài)，從而促進(jìn)我國納米領(lǐng)域科技的發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
權(quán)利要求1.一種高倍全息位相差放大裝置，由波前記錄裝置(1)和重構(gòu)裝置(2)兩部分組成，其特征在于波前記錄裝置(1)由激光光源(11)、望遠(yuǎn)鏡(12)、分束器(13)、第一第二第三反射鏡(14)、(15)、(16)、待測樣品(17)和記錄介質(zhì)(3)組成，其位置關(guān)系是激光光源(11)發(fā)出的光束由望遠(yuǎn)鏡(12)擴(kuò)束，經(jīng)分束器(13)分成兩束光，反射出來的光束Wb經(jīng)樣品(17)到達(dá)第三反射鏡(16)反射到記錄介質(zhì)(3)上，作為物波，透過分束器(13)的光束Cb經(jīng)第一第二反射鏡(14)和(15)也反射到記錄介質(zhì)(3)上，是參考波，物波和參考波干涉后形成全息圖記錄在記錄介質(zhì)(3)上；重構(gòu)裝置(2)包括氦-氖激光光源(21)、望遠(yuǎn)鏡(22)、第一第二半透半反鏡(23)、(25)、第一第二全反鏡(24)、(26)、底片架(27)、透鏡(28)、光闌(29)和接收器(20)，氦-氖激光光源(21)發(fā)出的光束，經(jīng)第一半透半反鏡(23)后，分成A、B兩束光，光束A經(jīng)第二全反鏡(26)和第二半透半反鏡(25)后，照明記錄介質(zhì)(3)上的全息圖；光束B經(jīng)第一全反鏡(24)和第二半透半反鏡(25)后，也照明記錄介質(zhì)(3)上的全息圖，A、B光束分別被全息圖衍射，各自產(chǎn)生0級、±1、±M、±N…級衍射，分別調(diào)整第一全反射鏡(24)和第二全反鏡(26)，讓A光束經(jīng)全息圖產(chǎn)生的+M級衍射波和B光束經(jīng)全息圖后產(chǎn)生的-N級衍射波在透鏡(28)的焦平面上重疊，用光闌(29)濾去非重疊部分，由接收器(20)接收。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高倍全息位相差放大裝置，其特征在于所說的激光光源(11、21)是一臺單模運(yùn)轉(zhuǎn)的He-Ne激光器，輸出功率為5mW。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高倍全息位相差放大裝置，其特征在于所說的望遠(yuǎn)鏡(12、22)是一臺放大100倍的擴(kuò)束系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高倍全息位相差放大裝置，其特征在于所說的分束器(13)是一塊反射率為50％的楔形板。
專利摘要一種高倍全息位相差放大裝置，由波前記錄裝置和重構(gòu)裝置兩部分構(gòu)成，波前記錄裝置由激光光源、望遠(yuǎn)鏡、分束器、反射鏡、待測樣品和記錄介質(zhì)組成，重構(gòu)裝置包括氦－氖激光光源、望遠(yuǎn)鏡、半透半反鏡、全反鏡、底片架、透鏡、光闌和接收器，先利用波前記錄裝置拍攝好的含有物體位相信息的全息圖，在暗房中處理、吹干以后，放在重構(gòu)裝置的底片架上進(jìn)行光學(xué)重構(gòu)，經(jīng)一次或多次重構(gòu)可將位相差放大到λ/100，也就是說可將波面的測量精度提高到納米量級。
文檔編號G03H1/04GK2611869SQ0322859
公開日2004年4月14日 申請日期2003年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月27日
發(fā)明者高鴻奕, 陳建文, 謝紅蘭, 徐至展 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所