位相板衍射准直研究

　　1　引言

　　大尺寸几何量的高精度测量是国防工业和现代重工业急需要解决的课题。要进行大尺寸几何量的高精度测量,首先就要解决高精度的长距离准直。随着激光的出现及发展,人们以稳定的准直激光束作为测量基准,通过光电测头将被测点与此基准进行比较,可直接得到被测点的高度变化量,实现自动测量。但在实际应用中,如果直接以激光束的轴线作为基准,用测量该光束的能量中心则其准直精度通常只能达到10-5量级;但如果以波带片、位相板、双缝等产生的干涉或衍射条纹的空间连线作为基线[1,2],利用它们对平漂不敏感这一特点来减小光漂影响,测量准直精度可达10-6。通过分析、比较,本文采用了半导体激光单模光纤和位相板相结合的准直技术。

　　2　位相板准直原理

　　2·1　一维位相板准直原理

　　图1所示是一维π相位阶跃位相板用于准直测量的原理图。一维阶跃位相板是在透明玻璃平板的一半面上镀以一定厚度的膜层,使通过左右两部分的光产生位相差π。该位相板的衍射场相当于两个相位差为π的直边衍射屏的衍射场的叠加。根据菲涅耳衍射公式:

　　因此在接收屏上得到对称于暗中心线的光强分布,这样就可把这条中心暗线作为中心,在空间组成准直基准。经过该位相板后的衍射光束有如下特点:

　　1)光束是一个具有中心黑线的对称图样,利用衍射图样的对称性,可以高精度确定出黑线的位置;

　　2)当入射光波是平行平面波且方向确定时,如果入射光波平移,黑线和衍射图样的空间位置不变;

　　3)该衍射黑线只能在一个方向上提供测量基准,即其一维性。

　　2·2　一维高斯光束的菲涅耳衍射原理

　　在理想情况下,一个平面波通过菲涅耳衍射可以获得一个空间不变的衍射图样。但是在实际应用中,从各种激光器发出的光束都存在不同程度的光束漂移(角漂和平漂),为了得到稳定的激光光束,抑制激光束的漂移,人们可以采用单模光纤准直,利用单模光纤模式稳定的特点,光束经单模光纤传播后,其模式重新分布,激光束的角漂和平漂只会影响光束的耦合效率,不会影响出射光强分布,可大大抑制光漂。这时,经过准直后,从光纤端面出射的光波是振幅为高斯分布的波面。沿某一方向(设为z轴)传播的高斯光束的光矢量的振幅可表为:

　　只要将上式平方即可得到衍射场的光强分布。式(12)没有解析解,故将此式用数值计算的方法编程上机计算,即可得出不同情况下的各种光强分布情况。

　　3　位相板准直技术的应用分析