新型反射式闪耀光栅楔形平板

　　引 言

　　双频激光干涉法转角测量中，在迈克尔逊干涉仪的光路中引入一个玻璃楔形平板，利用经过楔形平板的两路光线的光程差实现转角测量，可以扩大测量范围[1]。但是由于光线经过楔形平板的倾斜表面后，反射光线的方向呈圆锥形变化，不利于光电元件的接收，而且限制了转角测量的范围[2, 3]。与普通光栅相比，闪耀光栅的特点是当工作在自准状态下时，能够将具有最大能量的衍射级光线沿原路返回[4]，这样，在玻璃楔形平板上加工反射式闪耀光栅，将闪耀光栅和楔形平板相结合，即形成一个新的转角测量部件——反射式闪耀光栅楔形平板 (简称光栅楔形平板)，兼具闪耀光栅和楔形平板的双重特性，用于双频激光干涉转角测量系统中可以增大转角测量的范围。

　　本文将对所设计的光栅楔形平板的结构和工作原理进行分析，并对闪耀光栅楔形平板的衍射光强和表面特性进行测试。最后给出了用于转角测量的实例。

　　1 反射式闪耀光栅楔形平板设计

　　将闪耀光栅刻制在玻璃楔形平板的斜面上，并镀适当的反射膜即构成新型反射式闪耀光栅楔形平板。根据光栅方程设计光栅常数及闪耀角，可以使所需要级次(第 m 级) 衍射光发生闪耀，该级衍射光的效率最高。当光栅工作在自准状态时，第 m 级衍射光将沿入射光线方向反射回去。这样，当光栅楔形平板绕中心轴旋转时，该级衍射光线的方向始终保持不变，而其他级次衍射光线的方向将发生变化，而且这些级次衍射光的能量较小，不会对测量光路产生影响，因此在测量中可以不予考虑。根据闪耀光栅这一特性，在楔形平板上制作闪耀光栅不仅可以保证工作光线的方向恒定，而且可以充分利用闪耀级衍射光的能量，尽可能减少光能损失，这样大大提高了系统工作的稳定性。

　　闪耀光栅楔形平板的工作原理如图1(a)，闪耀光栅刻划在楔形平板的斜面上，并且光栅刻划面和楔形平板底面平行，因此光栅的闪耀角 等于楔形平板的楔角δ。当光线垂直于楔形平板上表面入射到光栅上，在光栅表面发生衍射时，入射光线和光栅法线 N 的夹角等于平板楔角δ。此时，入射光垂直于刻槽面入射，光栅工作在自准状态下，即具有最大光能量的衍射级(m 级) 沿入射方向返回(遵守反射定律)，如图1(b)。此时，入射角α 及m 级衍射光线的衍射角βm(相对于光栅面) 相等，均等于楔形平板的楔角及光栅的闪耀角，即α= βm=δ = 。根据光栅方程可得[4]

式中m 为闪耀级次，λ0为所用激光在真空中的波长，n 为介质玻璃的折射率，d 为光栅栅距， 为光栅的闪耀角。由式(1)可以看出，光栅间距和工作波长确定后，闪耀级次和闪耀角的大小有关。增大闪耀角时，闪耀级次也相应增大。