用Talbot效应检验激光准直性

　　1 引 言

　　在激光测距、激光测量以及激光雷达等领域，光束的准直性检验具有重要的意义。在光学实验和光学仪器的调试中，人们往往希望能够快速、方便、准确地判断激光光束的准直性。目前判断激光光束准直的方法有：平板的横向剪切干涉法^[1,2] 、棱镜法^[3] 、Moire 条纹法^[4,5] 。

　　当在准直的激光束中放一平行平板作横向剪切干涉时，在剪切波前的交迭处便可获得一无干扰的条纹域，但是具有一定微小宽度的单个条纹虽比剪切波前的孔径大，却不能从一个无穷大的条纹中被分辨出，即它的精度受光束直径的限制较大，是一种无穷条纹法。楔形平板剪切干涉虽然无此限制，它是利用有限个条纹的取向判定光束准直性，可获得较高的精度，但是测量前必须建立参考方向，当条纹与参考方向平行时，激光束可认为是准直的。

　　在准直透镜后垂直于光轴放置一块光栅，把另一相同光栅放入其后适当位置，并将其中一光栅相对于另一光栅中心旋转一微小夹角，将得到Moire 条纹，若 Moire 条纹图案垂直于栅线方向排列，此时表明光束已达到准直^[4,5] 。但这种方法需要两个相同的光栅。

　　本文提出一种只用一块光栅和 DⅡ 180°直角棱镜相结合的方法来检验激光光束的准直性

　　2 Talbot 效应

　　按照 Talbot 效应[6]，用单色平面波垂直照射一个衍射光栅，如图 1 所示，则在其后面相同间隔上将重现一系列原光栅的准确像，该一系列光栅像称为 Talbot 像。其与光栅的距离为：

　　式(1)中，d 为光栅常数，λ 为单色平面波波长。

　　对于单色球面波，若光栅距球面波球心距离为p ，则球面光波通过光栅产生的一系列 Talbot 像距光波的距离为:

　　3 激光准直性检验

　　用 Talbot 效应检验激光光束的准直性，就是让扩束准直后的激光束通过一块光栅，然后设法使光栅所成像-Talbot 像与光栅本身产生 Moire 条纹，如果 Moire 条纹图样最清晰，且垂直于栅线方向排列，此时表明光束已达到准直。

　　图 2 所示为检验激光准直性光路。一束激光经过扩束准直后，通过一块光栅常数为 d 的光栅，由 Moire 条纹形成的条件知，要形成横向 Moire条纹必须具备：两块交迭的光栅且有一小的夹角。故而将光栅在垂直光轴面内旋转一小角度θ。调整精密平移台使通过光栅所形成的 Talbot 像经DⅡ 180°直角棱镜反射后与原光栅交迭。由DⅡ 180°直角棱镜的特点可知，反射像与原光栅夹角为 2θ，如图 3 所示。当然，要形成 Tablot效应，光栅与 DⅡ 180°直角棱镜顶点的光程应为λ2d的整数倍。为了便于观测 Moire 条纹，在光栅前加析光板，将 Moire 条纹投影在接收屏上进行分析。