Φ300非球面激光平行光管的研制

　　引 言

　　激光具有单色性好，发散角小和频率稳定等优点，可以作为标准光源，故开始研制以激光作为光源的平行光管。高精度光学元件的需求日益迫切，而诸多光学元件、光学系统的高精度测量和标定都离不开平行光管。利用分划板、玻罗板、星点板、鉴别率板等附件，可完成透镜焦距测量、透镜成像质量检验和干涉检测等多种光学测量任务。也可以作为扩束器物镜使用，与数字相移干涉仪对接，进行波面误差的测量。本文中平行光管物镜采用非球面单透镜取代球面透镜，工作激光波长分别为λ=0.532μm、λ=0.6328μm、λ=1.06μm。物镜通光口径为 Φ300mm后截距为4616mm，技术指标要求波前误差小于λ/8(λ=0.6328μm)。

　　玻璃材料选用Q1-SCHOTT 石英玻璃，其具有优良光学性能和低热膨胀系数等优点，可解决热变形问题。下面对激光平行光管的研制加以论述。

　　1 光学设计

　　采用非球面单透镜消除球差和正弦差OSC[1]。非球面位于第一面，第二面为平面，光栏位于第一面上，设物在无穷远时，进行规化。具体设计方法参见文献[2]，非球面系数

　　物镜对应不同使用波长的波差图见图1，从中可知，对应主波长λ=0.6328μm的波差为 λ/10000 ， 对应最边缘的使用波长λ=1.06μm，设计值也达到4λ/10000。表2 中列出了后截距随波长的变化情况，各波长对应的最佳像点的球差曲线按同一原点表示在图2，可知设计结果很理想。

　　2 机械结构设计

　　此平行光管物镜焦距长达 4.6m，导致镜筒很长。为保证长期使用后镜筒的机械稳定性，采用三段式的结构，由三个底脚支撑。单片式物镜的镜框无需复杂的调整机构。石英玻璃的线膨胀系数极小，约 5×10-7/ ℃，在实验室条件下使用，温度膨胀因素的影响可忽略，镜框与物镜间只需留出必要的间隙，避免镜框材料的变形对物镜造成挤压。彻底的解决形变问题采用与石英膨胀系数相近的铟钢材料。

　　此平行光管的工作波长的后截距变化很大。由表2 可知，对应长短波长的后截距之差达113.38mm，因此平行光管的机械设计要保证足够的调节余量。

　　3 物镜的研制

　　建立新的工艺技术流程，如图3 所示。

　　首先按比较球面对平凸透镜进行粗成型，细磨修改半径，用Φ120mm 表环比对样板测量，要求偏差小于1μm。平凸面的等厚差小于2μm，椭圆度小于0.01mm。

　　平面抛光后的面形精度达到λ/10，抛光凸球面后可直接用刀口仪和干涉仪检验。如图4 所示，平行光管检验应用透射式自准检验法[4]。干涉仪或刀口仪的检验光束透过物镜后成平行光出射，借助高精度辅助平面镜，实现光路自准。图5 给出了凸球面为比较球面时的起始干涉图。