温度对长焦距测量精度的影响.pdf

第17卷第9期强激光与粒子束Vol.17,No.9
2005年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.,2005

文章编号:100124322(2005)0921299204
温度对长焦距测量精度的影响3

董军1,2,许乔2,蔡邦维1,张宁2,李瑞洁2

(1.四川大学电子信息学院,四川成都610064;2.成都精密光学工程研究中心,四川成都610041)

摘要:基于Ronchi光栅的泰伯效应,在理论上分析了温度场的波动对长焦距测量系统稳定性的影响。
通过大量实验研究验证了在长焦距测量系统中内部和外部温度场的波动引起空气折射率的随机变化,进而影
响到测量系统焦距测量值的稳定性。在对测量系统He2Ne激光源采取水循环降温、切断系统外部冷热源、对
测量系统中光栅对采取隔热封装等有效措施后,使长焦距测量系统的重复性测量精度提高了5～8倍,标准差
达到了0.1‰左右,测量数据波动范围在5mm左右,其测量精度及其稳定性均达到了实际测量的要求。
关键词:莫尔条纹;Talbot效应;焦距测量
中图分类号:TN247文献标识码:A

在激光核聚变(ICF)的激光驱动系统中,空间滤波器是系统的重要组件,它对滤除光束中的高频角谱,抑
制小尺度自聚焦有着至关重要的作用。而空间滤波器由一对焦距在10m以上的共焦透镜和一个小孔组成,
其透镜焦距的准确性直接影响到激光系统安装调试的简易性和空间滤波性能[1]。通过两个光栅产生莫尔条纹
的特性来测量长焦距的方法具有速度快、精度高的特点,可以满足工程的检测需求。在利用两个Ronchi光栅
的Talbot效应对大口径长焦距透镜或反射镜面进行焦距测量的过程中,由于透镜的焦距很大(大于10m),当
平行光和球面波分别照射光栅时,Talbot成像的距离差别非常小,因此将Talbot距离设为定值。放入被测长
焦距透镜后,通过测得前一个光栅的Talbot像与后一个光栅所形成的莫尔条纹的角度,得到该透镜或镜面的
焦距,针对焦距为11.4m的透镜而言,测量相对误差为0.15%,这其中莫尔条纹转角的测量精度对焦距的测
量精度起决定性作用[2～6]。基于以上原理制成的长焦距测量仪在实际应用中却常常因为测量环境中的温度场
变化等因素而严重影响了测量的稳定性。本文通过理论及实验详细研究了温度场的波动对长焦距测量仪精度
的影响,以及提高测量精度的方法。

1理论分析
光栅G的复振幅透过率为
+∞
2π
g(x)=∑Atexpitx,t=0,±1,⋯,N(1)
-∞q
式中:q为光栅的周期。若只考虑光栅的0级和1级
衍射(见图1)。图中:L为待测透镜;f为透镜焦距;

G1,G2为两个Ronchi光栅;以光栅G1平面为xy平
面,垂直光栅平面为光轴z轴(z=0在焦平面);待测

透镜到光栅G1的距离为s;T为简化的空气折射率
屏,其折射率n(x,y,z)只随空气的温度而随机变化。
在环境温度的影响下空气折射率为n,在旁轴条
件下,根据菲涅尔近似,由Talbot效应,光栅后面的光Fig.1SetupforTalboteffectofagratingunder
强分布为changingrefractiveindex
图在折射率变化影响下的光栅效应
221Talbot
I(x,z)=A0+2A1+

(f-s)λ(z+f-s)2π(f-s)22π2(f-s)
4A0A1cos2π×cosx+2A1cosx(2)
2q2nzqzqz

3收稿日期:2004211219;修订日期:2005206212
基金项目:中国工程物理研究院预研基金资助课题
作者简介:董军(1968—),男,四川大学硕士研究生,主要从事光学精密检测的研究工作;E2mail:[e-mail]。

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0031强激光与粒子束第17卷

2
式中:f为待测透镜的焦距。由上式可知,当满足(f-s)(z+f-s)/z=knq/λ(k为整数)时,光栅G1有Tal2
bot像,此时Talbot距离为
22
d1=kn(f-s)q/[knq+(f-s)λ](3)

G1的Talbot像与G2形成莫尔条纹,两个光栅的栅线夹角为θ,非常小(约为0.001°数量级),故cosθ≈1,
sinθ≈2sin(θ/2),条纹对y坐标轴的夹角φ为

sinφ=2[(f-s)/d1-1]sin(θ/2)(4)
当待测透镜焦距很大时(f>10m),根据莫尔条纹转角φ的变化可以得到待测透镜焦距的简化公式[7]

f=s+(wd2/q)tanφ(5)

式中:w为n为常数时平行光入射到光栅G1,G2产生的莫尔条纹宽度;d2为n为常