专利名称：梯度折射率光纤球面波干涉仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及干涉计量应用技术，也涉及到物体表面形态及振动的测量技术。
在当代科学研究及工程技术中，经常会遇到非稳定物体表面形态的测量问题，例如振动物体的表面形态、液体表面的振动等。现有技术中单纯用于测量表面形态的平面或球面干涉仪，如斐索干涉仪，采用常规的光学透镜组构成自准直光路。其工作过程是，从激光器发出的激光束，被半反分束参考面分为两路，其中反射光作为参考光束，另一路透射光束作为测试光束入射到被测表面上再反射回去，与参考光重新会合后产生双光束干涉，从而在观察屏上构成干涉条纹，然后经图样采集与处理得到测量数据。这种干涉仪，因其光束孔径较大，因此，不能对微小区域(例如1mm2以下)进行测量，也不能对物体的凹陷部位，裂缝或孔槽内壁进行测量。现有技术中单纯用来测量物体表面振动仪器，例如多模或单模光纤干涉仪，由于这种光纤只具有传光作用不具备成像功能，所以这种干涉仪只能用于对较大面积(一般大于1mm2)表面的振动参数的测量，目前尚未见有能同时测量物体表面面形及振动的仪器的报道。
本实用新型目的在于，提供一种既能测量物体微小区域表面形态又能测定其振动参数的梯度折射率光纤球面波干涉仪。
本实用新型的目的由以下方式来实现。
本实用新型所述的梯度折射率光纤球面波干涉仪，包括现有技术中的激光器、半反分束镜、观察屏、摄象机及与之相连接的数据处理机，其中光路部件均设置在一个能实现三维运动的工作平台上，所述半反分束镜镜面的法线方向与激光束轴线成45°夹角，半反分束镜的干涉反射光束射到观察屏上，其特征在于，在半反分束镜的透射光光路上设置有一根梯度折射率光纤，该光纤的一端由三维调整架夹持，它的另一端伸出工作台外，其调整架夹持中心线与透射光束轴线重合；在半反分束镜与观察屏之间的干涉反射光路上能够增设有第二个半反分束镜，该镜镜面法线与第一个半反分束镜反射的干涉光束轴线成45°夹角，在第二个半反镜反射的干涉光束的光路上设置有光电探测器，其输出信号线与数据处理机连接，第二个半反镜的透射光束射到观察屏上；所述的光电探测器由光电管、放大电路、A/D转换电路构成，其光电管的光敏面位于反射的干涉光束区域内且与干涉光束轴线方向垂直。所述的梯度折射率光纤的长度L由下式决定L＝(2n+1+δ)P/4，其中，P为梯度折射率光纤的特性参数，n为0，1，2，3......等正整数，1＞δ＞0。
本实用新型所述的梯度折射率光纤球面干涉仪，使用梯度折射率光纤作为刚性或柔性的光学干涉探针，并且其使用长度L满足上面公式，则根椐其成像特性，所产生干涉的参考光束和测试光束均为发散球面波，且工作于非共心球面波干涉模式，因此能得到十分清楚的干涉图像；所述光路部件均安装在三维工作台上，能方便地对被测面进行三维扫描，因而能方便地用于测定物体表面的面形误差。增设光电探测器后，它还能同时用来测定物体表面的振动频率和振幅。两者的结合，大大方便了使用者。所述梯度折射率光纤探针端部直径较小，使它能够方便地伸入到物体的裂缝及孔槽之中，对物体的凹陷部位进行干涉测量。尤其是，用柔性的细芯光纤作为探针时，特别有利于对物体的非直视凹隙内部隐蔽表面的测量。相比现有技术中的光学斐索型球面/平面干涉仪，本实用新型省去了成套配置的棱镜透镜组，使结构大为简化，使光路的调整较为简单，操作方便。相比现有技术中的多模或单模光纤干涉仪，由于本实用新型的梯度折射率光纤既具有传光作用又具有成像功能，因此它能对微小区域进行面形和振动测量。
下面通过实施例及其附图作进一步描述。
图1是本实用新型的一种实施例结构示意图。
图2是本实用新型的另一种实施例结构示意图。
图3是本实用新型使用柔性梯度折射率光纤探针的实施例结构示意图。
图4是本实用新型所述光电探测器的示意框图。
参见图1，(1)为激光器，其射出的激光束以45°入射角照射到半反分束镜(2)上，其透射光束进入刚性梯度折射率棒(4)后，一部分由梯度折射率棒的后端面反射回到原半反分束镜(2)上，作为参考光波；另一部分穿过梯度折射率棒照射到被测物体(5)的表面上，再反射回到半反分束镜(2)上作为测试光波。两种光波在重合区产生干涉，并同时被反射到观察屏(6)上产生可视的干涉条纹；(3)为夹持梯度折射率棒的三维调整架，该调整架夹持梯度折射率棒时，可通过调整使其中心轴线与透射光束轴线重合。(7)为CCD摄像机，该机将观察屏上的干涉条纹摄入，计算机(9)与所述摄像机连接，用以对摄像机摄入的干涉条纹图像进行数据处理，以得到被测物体表面形态的有关数据。(8)为三维工作平台，其位置参数数据由计算机(9)控制。激光器、半反分束镜、梯度折射率棒、观察屏以及摄像机均设置于该平台上。随着该平台位置在三维空间的调整，梯度折射率棒端头能较好地对准被测表面，并能实现在一定区域内扫描。其三维运动机构是现有技术中常用机构，能够自动控制或人工手动控制。图中的空箭头表示光束行进路线，黑色的实箭头表示二者与计算机的连接。
本实施例中，使用相干长度大于50厘米的半导体激光器，反射率为50％的半反分束镜，梯度折射率棒的直径为1mm，其周期为P＝62.2mm，其长度为0.450P。因此参考光束和测试光束均为球面波，且工作于非共心球面波干涉模式。所述的调整架(3)能够实现三维调整，例如市场上可以购得的SLY光纤微调架。为保持梯度折射率棒安装的稳定性，其夹持部分的长度应在其全长的2/5左右。
本实施例具有现有技术中斐索球面/平面干涉仪的功能，能够用以测定物体表面的形态数据。其优点在于，由于所用的梯度折射率棒具有成像功能，因此它能够对物体的微区表面进行测定，最小测定表面积可小到微米量级。
参见图2，本实施例中在图1实施例的基础上，在半反分束镜(2)至观察屏(6)的光路上增设了第二个半反分束镜(10)，该半反分束镜的反射面法线与前一个半反光束镜反射的干涉光束成45°角，它将干涉光束分为两路，其中透射光束在观察屏上产生干涉图样，由CCD摄像机镜头摄入，然后由计算机进行数据处理，得到被测表面的面形数据；另一路反射光束进入光电探测器(11)，转变成电信号后通过A/D转换连接到计算机上。当待测面振动时，其干涉条纹产生变化，由此会引起探测器输出信号的变化。将该变化的信号输送至计算机数据处理系统，即能得到被测表面的振动信息数据。
本实施例不仅能够测定被测物体表面的面形参数数据，而且同时也能够测定其振动参数。在实际使用中，可同时替代现有技术中的斐索球面/平面干涉仪及振动测量仪，为使用人提供了方便。
参见图3，本实施例中用细芯柔性梯度折射率光纤(12)代替粗芯刚性梯度折射率棒，由于该光纤的柔性特征，因此其平台无需三维调节，对夹持部分的长度也没有特定要求。本实施例特别适用于非直视凹陷缝隙内部隐蔽表面的测量。
参见图4，(13)为光电管，它安装在一个带小孔的金属盒(14)内，光电管的光敏面与小孔轴线相垂直，所述的金属盒安装在工作台上，安装时使其小孔位于第二个半反分束镜反射的干涉光束区域内，小孔轴线与该光束轴线垂直。所述干涉光束从小孔中进入到光电管(13)后转变为电信号输入到常规的信号放大电路(15)中，再经A/D转换器(16)转变为数字信号输到计算机(9)中进行处理。
权利要求1.一种梯度折射率光纤球面波干涉仪，包括现有技术中的激光器、半反分束镜、观察屏、摄象机及与之相连接的数据处理机，其中光路部件均设置在一个能实现三维运动的工作平台上，所述半反射分束镜镜面的法线方向与激光束轴线成45°夹角，半反分束镜的干涉反射光束射到观察屏上，其特征在于，在半反分束镜的透射光光路上设置有一根梯度折射率光纤，该光纤的一端由三维调整架夹持，它的另一端伸出工作台外，所述三维调整架夹持中心线与透射光束轴线重合。
2.如权利要求1所述的梯度折射率光纤球面波干涉仪，其特征在于，在半反分束镜与观察屏之间的光路上能够增设有第二个半反分束镜，该镜镜面法线与第一个半反分束镜反射的干涉光束成45°夹角，在该镜反射干涉光束的光路上设置有光电探测器，其输出信号线与数据处理机连接，该镜的透射光束射到观察屏上。
3.如权利要求1所述的梯度折射率光纤球面波干涉仪，其特征在于所述的梯度折射率光纤的长度L由下式确定L＝(2n+1+δ)P/4，其中，P为梯度折射率光纤的特性参数，n为0，1，2，3......等正整数，1＞δ＞0。
4.如权利要求2所述的梯度折射率光纤球面波干涉仪，其特征在于，所述的光电探测器由光电管、放大电路、A/D转换器构成，其光电管的光敏面位于反射干涉光束区域内且与干涉光束轴线方向垂直。
专利摘要本实用新型梯度折射率光纤球面波干涉仪涉及干涉计量应用及物体表面形态、振动的测量技术。所述干涉仪包括激光器、半反分束镜、观察屏、摄象机及数据处理机,光路部件设置在一三维工作平台上,半反分束镜透射光路上有一根梯度折射率光纤,其一端由三维调整架夹持,另一端伸出工作台外,三维调整架夹持中心线与激光束轴线重合。在半反分束镜与观察屏间的光路上能增设有第二个半反分束镜,该镜反射光路上设有光电探测器,其输出信号线与数据处理机连接。它能对微区进行面形和振动测量。
文档编号G01B9/02GK2386421SQ9922845
公开日2000年7月5日 申请日期1999年5月26日 优先权日1999年5月26日
发明者明海, 束继组, 梁忠诚, 孙晓红, 段俐, 谢建平, 康琦, 吴云霞 申请人:中国科学技术大学, 中国科学院力学研究所