基于Talbot效应检测光束准直性方法的研究

　　0 引 言

　　平行光管是光学测量的基本设备，其作用主要是产生一束平行光，或是用来模拟无穷远的光源。平行光管在使用前必须进行调校，即检验平行光管出射的光束是否为平行光,若不是则需调整物镜与分划板的相对位置，使分划板的分划面位于物镜焦平面上。

　　在光学实验和光学仪器的调试中，人们往往希望能够快速、方便、准确地判断光束的准直性，因此，对准直性检验进行研究具有十分重要的意义。目前判断激光光束准直性常用的方法有：自准直法[1]、剪切干涉法[2-3]、五棱镜法[4-5]以及基于 Talbot 效应的光栅检测法，其中基于 Talbot 效应的检测方法简单、精度高，因而得到广泛的应用。

　　1 Talbot 效应

　　1936 年，Talbot 发现用一单色平面波照明周期性透明的振幅物体，在物体后面周期性距离的平面上会形成与物体相似的条纹或波带图样[6]。后来人们把这种具有横向周期性结构物体的衍射场在纵向上具有周期性的现象称为 Talbot 效应。

　　由准直光照明光栅 G1，在距光栅的某些特定距离 Zm处，将形成光栅的自身像[7,8]，Zm由下式给出：

　　在 Zm处放上周期与 G1相同的光栅 G2，栅线方向和 G1倾斜成一个小角度，则在 G2后可以看到莫尔条纹，条纹方向和两光栅栅线夹角的角平分线垂直。如果照射到光栅的光为波面半径为 R 的球面波，准直透镜焦距为 f，离焦量为Δf，由牛顿公式：

　　当光栅被一曲率半径为 R 的球面波照明时，则光栅自身像的栅距变化 ΔP 可由下式给出：

　　选用栅线方向都和 y 轴成 θ 角的两个光栅，如是准直光入射，得到的莫尔条纹的方向和 x 轴平行[8]。

　　如是波面半径为R的球面波入射，且光栅G1的Talbot像 G1′恰好与光栅 G2重合，如图 1 所示，那么形成的莫尔条纹和 x 轴的倾角 α 满足：

　　2 准直性检验

　　用上述方法检测准直性，由于光栅在安装时会存在误差，读取的 α 角度值会包含 x 轴的倾斜角度，所以需要对该方法进行改进。

　　采用如图所示的光栅 G1和 G2[1]，两光栅是彼此精确复制的，采用此光栅可具有两倍的灵敏度，并有自身的参考基准。光栅 G1是有中心参考线 AB 分开，并且上下两部分由沿反向稍倾斜的同样线性栅条组成。为了方便起见，假定光栅 G1刻线与参考线 AB成等角，且 AB 线平行于 x 轴，光栅上下各半的空间频率相等。光栅 G2刻线方向和光栅 G1对应刻线刚好对称。将 G2放在光栅 G1的自身像处，且使参考线平行。若以准直光照明 G1，则两光栅上下对应部分形成平行于 AB 线的莫阿条纹：若以非准直光照明，则G1的自身像的上下两部分空间频率将改变，并使上下各半的莫阿条纹相对 AB 线作反向等量转动。