透射式光栅相移器

摘要

一种透射式光栅相移器，其特点在于由光栅结构相同的透射式的第一光栅、第二光栅和第三光栅构成，所述的第二光栅和第三光栅的处于同一平面，所述的第一光栅的光栅面与所述的第二光栅和第三光栅的光栅面相向、相互平行并与入射光束垂直地固定在一个装置上，该装置具有控制第二光栅沿垂直于入射光束方向和光栅槽移动的精密微调机构，所述的第一光栅、第二光栅和第三光栅的光栅周期d、占空比f和光栅深度h相同，d满足关系式λ＜d＜2λ，其中λ为入射光波长，占空比f＝0.4，光栅深度h＝1.074微米。本发明不仅可以用于连续激光干涉区域的连续相移，还可以用于双束短脉冲及超短脉冲激光的干涉测量。

权利要求

1.一种透射式光栅相移器，特征在于其构成包括光栅结构相同的透射式的第一光栅(G1)、第二光栅(G2)和第三光栅(G3)，所述的第二光栅(G2)和第三光栅(G3)处于同一平面，所述的第一光栅(G1)的光栅面与所述的第二光栅(G2)和第三光栅(G3)的光栅面相向、相互平行并与入射光束垂直地固定在同一个装置(S)上，所述的第一光栅(G1)、第二光栅(G2)和第三光栅(G3)的光栅槽方向相互平行，该装置(S)具有控制第二光栅(G2)沿与所述的入射光束方向和光栅槽方向都垂直的方向移动的精密微调机构，所述的第一光栅(G1)、第二光栅(G2)和第三光栅(G3)的光栅周期d、占空比f和光栅深度h相同，d满足关系式λ＜d＜2λ，其中λ为入射光波长，占空比f＝0.4，光栅深度h＝1.074微米。

说明书

透射式光栅相移器

技术领域

[0001] 本发明涉及透射光栅，特别是一种透射式光栅移相移器。

背景技术

[0002] 众所周知，激光以其独有的相干性、高亮度、单色性和很好的方向性等众多优点，使其在激光精密检测、高精密加工、科研和工业众多领域具有广泛的应用。

[0003] 随着激光技术的快速发展，与之相应的激光干涉测量技术也日趋成熟，但是以往构造用于激光干涉测量的相移器装置包括半透半反镜，平面反射镜、镀膜的石英板和许多对激光干涉光路复杂化的光学元件。这些光学元件的使用不仅增加了光路调节的复杂程度、增加了相移器装置的成本，而且还增加了实验结果的误差。

[0004] 近几年以来，周常河等发明了熔融石英透射1x2光栅成功地实现了偏振分束功能。该器件具有透射效率高、成本低等优点【参见在先技术1：周常河，王博，发明专利，申请号：200710048186.8】。丁志华等提出采用无色散相移器的全场光学相干层析成像装置，但其中的相移器使用了两片快轴与水平方向成45度的λ/4波片、两片快轴方向可旋转的λ/2波片等较复杂昂贵的元件【参见在先技术2：丁志华、杨亚良、吴凌，发明专利，申请号：200610052451.5】。H.U.阿尔普莱、R.H.弗伦奇、F.D.卡尔克等采用光掩模板发明了一种相移器，但其掩模板上需要镀上不均匀的衰减薄膜，此项技术需要较复杂的镀膜技术【参见在先技术3：H.U.阿尔普莱、R.H.弗伦奇、F.D.卡尔克，发明专利，申请号：93112904.4】。

[0005] 上述有关组成相移器的专利技术中，大部分都是使用偏转载玻片、λ/4波片、λ/2波片等较多的光学元件或者是需要较复杂的光学镀膜技术。

发明内容

[0006] 本发明主要解决的技术问题在于克服上述在先技术相移器不能实现连续相移的功能，提供一种基于透射式光栅的相移器，可以实现连续相移的特点，具有重要的应用前景。

[0007] 本发明的技术解决方案如下：

[0008] 一种透射式光栅相移器，其特点在于由光栅结构相同的透射式的第一光栅、第二光栅和第三光栅构成，所述的第二光栅和第三光栅的处于同一平面，所述的第一光栅的光栅面与所述的第二光栅和第三光栅的光栅面相向、相互平行并与入射光束垂直地固定在一个装置上，该装置具有控制第二光栅沿垂直于入射光束方向和光栅槽移动的精密微调机构，所述的第一光栅、第二光栅和第三光栅的光栅周期d、占空比f和光栅深度h相同，d满足关系式λ＜d＜2λ，其中λ为入射光波长，占空比f＝0.4，光栅深度h＝1.074微米。

[0009] 对于特定的波长，可以通过优化光栅的占空比、周期以及深度，使得正(负)一级衍射效率为最大并且相等。例如，对于800纳米波长的激光，通过优化得出当光栅的占空比f＝0.4，周期d＝1.501微米以及深度h＝1.074微米(此深度容易控制)时，正(负)一级衍射效率为最大值并且是相等的。

[0010] 本发明的依据如下：

[0011] 通过三光栅相移器或产生的平行光束D和光束E之间的位相差可以通过严格耦合波理论精确计算证明。

[0012] 当坐标x轴方向设定为入射光束和光栅槽垂直的方向时，取正一级光束在第三光栅的交点为x轴的坐标原点，则入射光通过第一光栅并衍射在的第二光栅负一级光和第三光栅的正一级光可分别表示为：

[0013] E-1＝E0 exp[-i(wt-kxx)]

[0014] E+1＝E0 exp[-i(wt)]

[0015] E+1和E-1之间的相位差可表示为

[0016]

[0017] 由此可见，改变第二光栅的位置x，可改变两衍射光束之间的相位关系，这是本发明的根据。

[0018] 本发明的技术效果：

[0019] 通过调整控制第二光栅精密微调机构，使第二光栅沿垂直于入射光束方向和光栅槽的精确移动可连续改变两衍射光束之间的相位。本发明不仅可以用于连续激光干涉区域的连续相移，还可以用于双束短脉冲及超短脉冲激光的干涉测量。和以往的装置比较，具有成本低，结构简单，易集成化，便于调节，体积小，重量轻等优点，在激光干涉测量和快速微纳加工中有非常广阔的应用前景。

附图说明

[0020] 图1是本发明透射式光栅相移器实施例1的结构示意图

[0021] “G1”、“G2”和“G3”表示周期和深度相同的透射式光栅，这些光栅平行相向地固定在光路中。光栅的周期λ＜d＜2λ。其中光栅“G2”装配在一个精密移动台上，可以朝竖直方向X轴移动。h和d分别为光栅的槽深和周期，B和C分别为A光的正负一级衍射光。θ为衍射角。

[0022] 图2是本发明相移器实时观测系统的示意图。

[0023] 图3是本发明相移器装置中所用光栅的正(负)一级和零级衍射效率随光栅深度的变化关系图；

[0024] 图4是由图2实时观测系统观测观拆的第二光栅G2的负一级衍射光D和第三光栅G3的正一级衍射光E在聚焦区域的干涉条纹图及变化图。

[0025] 图5由图2实时观测系统观测观拆的第二光栅G2的负一级衍射光D和第三光栅G3的正一级衍射光E在聚焦区域的干涉条纹图及变化图

具体实施方式

[0026] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0027] 先请参阅图1，图1是本发明透射式光栅相移器实施例1的结构示意图，由图可见，本发明透射式光栅相移器，由光栅结构相同的透射式的第一光栅G1、第二光栅G2和第三光栅G3构成，所述的第二光栅G2和第三光栅G3的处于同一平面，所述的第一光栅G1的光栅面与所述的第二光栅G2和第三光栅G3的光栅面相向、相互平行并与入射光束垂直地固定在一个装置s上，该装置s具有控制第二光栅G2沿垂直于入射光束方向和光栅槽移动的精密微调机构，所述的第一光栅G1、第二光栅G2和第三光栅G3的光栅周期d、占空比f和光栅深度h相同，d满足关系式λ＜d＜2λ，其中λ为入射光波长，占空比f＝0.4，光栅深度h＝1.074微米。

[0028] 本发明中的光栅采用微纳光学技术制作高密度1x2透射式石英光栅，首先利用全息技术在涂有正光刻胶(Shipley S1818，USA)的铬膜上记录高密度光栅，然后对其进行显影，随后用去铬液将光刻光栅图案转移至铬膜上，并使用化学方法将残留的光刻胶去除。最后，利用微电子刻蚀工艺，将制作的样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行刻蚀，再进一步去除石英基片上的剩余铬，制作成所需的1x2透射式石英光栅。

[0029] 两块光栅占空比f＝0.4，它们的周期都为1＜d＜2微米，深度范围0.8＜h＜1.2微米所制作高密度光栅对构造相移器测量装置操作方便。

[0030] 在实施例中，把第二光栅G2固定在一个精密移动平台上，这样双光束D和E之间的相移可以通过控制第二光栅G2在X轴方向的移动来调节，而固定第二光栅G2的移动平台的移动精度为几十个纳米，这就意味着由两个光栅组成的相移器可以实现光束D和光束E之间π/4或者更小的相移量。

[0031] 如图2所示，光束A通过第一光栅G1形成光束B和光束C，光束B和光束C又通过和第一光栅G1周期和深度都相同的第二光栅G2和第三光栅G3。根据光栅方程，从第二光栅G2和第三光栅G3分别出射的光束D和光束E相互平行。再通过透镜L1聚焦后，光束D和E在透镜L1的会聚区域出现干涉条纹。

[0032] 光束D和光束E之间的相位变化可以通过严格耦合波理论计算证明。本发明相移器装置不仅可以应用于激光干涉测量、激光散斑相移检测方面，而且可以作为一种干涉仪广泛应用在精密测量技术中。

[0033] 图3是本发明相移器装置中所用光栅的正(负)一级和零级衍射效率随光栅深度的变化关系图；

[0034] 本发明透射式光栅相移器(如图1)中第二光栅G2和第三光栅G3关于入射光线A完全对称时，第二光栅G2的正一级衍射光束D和第三光栅G3的负一级衍射光束E在聚焦区域的干涉条纹如图4(上图)所示。当第二光栅G2槽在X轴向错开1/2光栅周期时，入射激光通过第二光栅G2和第三光栅G3后，由于两束衍射光束D和衍射光束E之间存在π的相位差，导致干涉区域亮条纹变暗，暗条纹变亮。即条纹整体沿水平方向移动了一个条纹间距。该情况分析结果见图4的下图。

[0035] 图5由图2实时观测系统观测观拆的第二光栅G2的负一级衍射光D和第三光栅G3的正一级衍射光E在聚焦区域的干涉条纹图及变化图，小于一个条纹。

[0036] 本装置避免了使用分束镜以及波片等其他光学元件，操作方便，便于实现干涉区域的连续相移。本装置可以产生用于激光精密检测技术，高精密加工及激光干涉测量等领域，具有很强的实用价值。