在光路搭建过程中,经常会需要对激光进行扩束或者缩束,那么如何判断扩束或缩束后的激光是否准直呢? 一般情况下可以通过测量相隔较远的两个光斑尺寸来判断,但是这种方法较为麻烦且不够准确。 使用剪切干涉仪可以快速地定性分析激光的准直度,也可以定量计算光束的发散角。
一束相干的激光以45°角入射至一块具有一定厚度并带有楔角的高质量光学平板镜片上,光束在楔形平板前后表面的反射光部分重合发生横向剪切干涉,剪切平板楔角方向与剪切方向垂直。 在反射光路径上放置一块观察屏干涉条纹进行观察,根据干涉条纹的方向可以对入射光束的准直度进行判断,当准直光束入射时,条纹方向和剪切方向平行。
图3.平行、发散、会聚光束的干涉条纹示意图
根据公式(1)和公式(2)可以对激光束的波面曲率半径R和发散角θ进行计算,其中S为剪切量,n为剪切板折射率,α为干涉条纹倾角,β为剪切板的楔角,D为观察板上光斑的直径:
如果在使用时发现两反射光束没有重叠导致无法产生干涉条纹,则说明光束直径较小而剪切板较厚,此时需要更换和光束直径适配的更薄的剪切板。
图5.未产生干涉条纹的调整方法
另外需注意的是,剪切干涉仪只能测量相干光源的准直度,实际使用的单色光源都有一定的光谱宽度,光谱宽度为Δλ的光源能够产生干涉的最大光程差即为相干长度ΔL。 入射光的相干长度必须大于或等于剪切板引入的光程差才能观察到干涉条纹:
LBTEK剪切干涉仪由一个主体基座、一块具有特定厚度和楔角的剪切板、以及一块磨砂玻璃观察屏组成。 每个剪切板的楔角针对其可测量的光束直径尺寸进行了优化,磨砂玻璃观察屏的中间刻有一条参考线,用于观察光束经过剪切板前后两个表面菲涅尔反射产生干涉条纹的角度。
在使用剪切干涉仪判断光束的准直度时,只需将干涉仪直接放在光束的传播路径中,即可在磨砂板上观察到干涉条纹。 当入射光束的偏振方向垂直于入射面(入射光线与剪切板法线构成的平面)时产生的条纹强度最大。 为准确判断光束的准直度,需确保光束垂直穿过剪切干涉仪的透光孔中心,如果入射光束角度发生偏转,那么观察屏上的干涉条纹角度会发生偏移,导致对光束准直度的误判。
图7.光束垂直穿过剪切干涉仪的透光孔
LBTEK提供四款不同规格的剪切板,分别适配直径在1mm-3mm、2.5mm-5mm、5mm-10mm和10mm-25.4mm的光束,四款剪切板引入的光程差分别为1.9mm、3.3mm、6.6mm、16.2mm,该光程差近似值(ΔOPL)针对UVFS(n=1.457@632.8 nm)计算。 剪切板采用磁吸安装的设计,装有磁柱和定位球,可以根据实际光束直径需要进行快速更换。
剪切干涉仪底座共有三个面预留了M4、M6螺纹孔,方便使用者根据实际的光路情况,选择便于观察的角度进行放置。
图9.不同角度放置剪切干涉仪
对于直径较小的光束,可以将观察板更换为适配的放大观察系统,以此增大小孔径光束的干涉条纹,便于判断光束的准直度。 该放大系统的安装板具有SM1内螺纹,也可兼容其他LBTEK带有SM1螺纹的组件。
图10.放大观察系统安装示意图
对于同轴系统光路,LBTEK提供30mm同轴系统转接板以替换普通的磨砂玻璃观察屏,该转接板包括含观察屏和不含观察屏两款型号,含观察屏的可以直接观察干涉条纹; 不含观察屏的同轴系统转接板具有SM1内螺纹,可以转接其它观察系统。
图11.同轴系统转接板安装示意图
知识点归纳:
· 使用剪切干涉仪可以快速地定性分析激光的准直度,也可以定量计算光束的发散角。
· 在使用剪切干涉仪判断光束的准直度时,只需将干涉仪直接放在光束的传播路径中,即可在磨砂板上观察到干涉条纹。
· 为准确判断光束的准直度,需确保光束垂直穿过剪切干涉仪的透光孔中心。
[1]刘惠兰,黄睿,沙定国等.用单楔板剪切干涉法测量激光束发散角[C]//中国光学学会光学测试专业委员会.第九届全国光学测试学术讨论会论文(摘要集).北京理工大学光电工程系;,2001:1.
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