激光干涉仪中角锥棱镜方位对测角范围的影响

    在激光测角干涉仪中,在转台上对称于转轴安装了两个角锥棱镜。如图1所示,当转台转动时,棱镜相对于入射光线发生偏移。其中平行于入射光线的纵向位移是角度测量的度量方向。而垂直于入射光线的横向位移在给定角锥棱镜外形尺寸的情况下,会限制角度测量范围。

    为了扩大测量范围,有时要合理安排两个角锥棱镜,即应使角锥棱镜反射的光束位于两个平行的入射光束所在平面内。但是,这时并没有考虑到当光束穿过角锥棱镜时,光束将射到角锥棱镜的棱边上的情形。光束射到角锥棱镜的棱边上将引起光能的损失和干涉条纹对比度的下降。此外,还需要考虑激光光束的偏振特性。因为偏振光与光学元件(表面)位置不协调也会引起光能的损失,而且光线从角锥棱镜反射后,偏振状态也将发生变化。如果角锥棱镜表面加镀金属膜,那么这种情况很少出现。但是由于金属膜吸收光能,又不得不使用全反射角锥棱镜,此时就要考虑角锥棱镜方位的影响。

    本文讨论了角锥棱镜的位置和方向对角度测量范围的影响,比较了不同方案的优劣,以期优选出最佳方案。

    1　理论分析

    1·1　角锥棱镜的后反射特性

    角锥棱镜是一个三维光学元件,它具有这样的特性,参考图2(a),以非直角面abc(称弦面)的中心为对称中心,入射光束和出射光束对称,并且互相平行^[1]。可以证明,若光束以垂直于弦面abc的方向入射时,具有上述特性的反射光束构成一正六边形区域。图2(b)中,三角形abc是入射光束在弦面abc上的截面,三角形a′b′c′是出射光束在弦面abc上的截面,则其相交部分即为满足上述特性的区域,如图2(a)的阴影部分所示。同样可以证明,当光束非垂直入射时,其反射光束的区域发生变形[2],而非正六边形。

    在本文中,很细的激光束以近似于垂直弦面的方向入射,则可以假定其反射区域为正六边形。这时,反射光束与入射光束关于弦面中心对称,并与入射光束平行。

   1·2　激光干涉仪测角原理与总体结构

    如图1所示,在转台上对称位置放置两个角锥棱镜。由激光器发出的激光束经偏振分光镜分为两束,一束经偏振分光镜和λ/4波片入射到角锥棱镜1上又反射回来,由于此路光线两次经过λ/4波片,所以其振动方向相对原光线旋转90°,故直接透射而被光电接收器接收,另一路光线经过偏振分光镜、λ/4波片、反射镜1、角锥棱镜2、反射镜3后又沿原路返回,并被光电接收器接收。由于两束反射光是相干光,因而,产生干涉信号,其中,转台转动引起的相对于入射光线的纵向位移直接体现了转角的大小,而横向位移限制了测量范围。参考图3,转动角α引起的横向位移可表示为: