云纹法检测变线距光栅的线密度

　　1　引　言

　　现代核科学、天文学在不断发展,对分光仪器提出了越来越高的要求,分光仪器的设计加工变得非常复杂,作为分光仪器的核心元件———光栅的制造和检测越来越困难,传统的线密度不变的光栅逐步表现出了一些不足,变线距光栅具有一些无与伦比的优越性,它可以减少光学元件,简化光学仪器的设计,减弱杂散光,增加出射光强,提高仪器的分辨本领,因而在同步辐射装置、激光核聚变装置、太空探测器中有着广阔的应用前景,这类光栅在上个世纪初就有人提出来了,但是由于受到制造和检测技术的限制,长期以来一直得不到发展,近三十年来,由于制造工艺、检测技术的发展和同步辐射的迫切需要,这种光栅才逐步被采用。本文首先介绍变线距光栅线密度或刻线间距的变化规律,并给出了典型的表达方式,在分析几何云纹法和云纹干涉法的基础上,将它们应用到变线距光栅中,推导出有关的公式。

　　2　变线距光栅的刻线分布

　　建立图1的直角坐标系,yz平面过光栅中心,并与光栅表面相切,y轴垂直于过原点的刻线,一般情况下刻线不交叉不封闭[5-6],刻线的间距用d = d(y,z)表示,刻线密度用n = n(y,z)表示,对于绝大多数光栅上述两式能在原点附近展成级数形式[1],各种资料有各不相同的表达方式,本文采用一种比较方便的形式。

　　Benoit Deville ,Francis Bonnemason等人使用下列形式表示光栅的线密度[2]:

　　如果能测出a0,a1,a2,…等系数,就得出了光栅的线密度,一般在实际测量中最多只要求测到a3,a4。

　　3　线密度的检测

　　对刻线分布检测最简单的方法是用显微镜观察,近几年发展的原子力显微镜可以直接观察单根刻线,对刻线的深度和宽度进行测量,对单根刻线的形貌进行全面的评价,但是这种方法只能测几条刻线,难以对整块光栅作全面的评价,并且原子力显微镜价格昂贵。国外最近几年发展起来的长程面形仪可以用来测变线距光栅,这种方法简单可靠,但是一般只适于检测已加工好的成品,难以实现在线检测。云纹法不仅简单、可靠,而且可以观察整块光栅,并且在全息光栅的制造过程中可以用来调整光路。该方法是在实验力学中发展起来的检测微小形变的方法,首先在试件表面制作等线距的光栅,如果光栅的线密度小于100line/mm,就用另一个光栅与它相叠,如果线密度大于100line/mm,就用两束相干光照射试件表面,当试件受到外力作用发生形变时,刻线弯曲,且线距变化,在试件表面上出现了条纹,该条纹称为云纹[14]。根据云纹可以推出刻线的变化,进而求出试件的形变[10-13]。下面针对线密度的测量,将此方法进行适当改变。