Способ измерения угла расходимости светового пучка

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля угла расходимости светового пучка. Световой пучок, угол расходимости которого определяется, фокусируется в фокальной плоскости, где располагаются два оптических клина, разводящих в противоположных направлениях световые полупятна, которые изображаются проекционным объективом в плоскости регистрации. Часть пучка отклоняют в плоскость изображения источника, которую располагают на расстоянии 2f' от фокусирующей системы, в которой определяют размер d₂ изображения источника, а сам источник устанавливают перед фокусирующей системой на расстоянии 2f', где f' - фокусное расстояние фокусирующей системы, после чего измеряют размер d₁ отклоненных полупятен и рассчитывают угол θ расходимости из соотношения: где знак "+" берется в случае предфокального пересечения лучей, а знак "-" в случае зафокального. Техническим результатом является повышение точности определения. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно - для контроля угла расходимости светового пучка.

Известны способы измерения угла расходимости. Один из способов [1] состоит в том, что излучение формирует в фокальной плоскости длиннофокусного объектива изображение поля излучения в пределах некоторого диаметра d. Угол расходимости, пропорциональный изменению диаметра d, определяется из соотношения θ=d/f',где f' - фокусное расстояние объектива. Недостаток способа состоит в том, что для измерения угла необходимо производить анализ изображения поля излучения. Поскольку для анализа поля обычно используется фотографирование пятна с последующим исследованием его структуры, этот процесс достаточно сложен технически и требует длительного времени.

Наиболее близким к заявленному является способ измерения угла [2], по которому световой пучок с помощью фокусирующей системы (цилиндрического объектива) собирается в фокальной плоскости в виде светового пятна (световой линии). В этой плоскости располагаются два оптических клина. После прохождения клиньев световое пятно делится на две части, которые отклоняются в противоположные направления. Далее полупятна с помощью проекционного объектива, оптически связанного с клиньями, направляются в плоскость регистрации. По размеру световых полупятен рассчитывают угол расходимости. Недостаток способа состоит в том, что он не позволяет учитывать размер источника излучения при измерении предельно малых - дифракционных углов в соответствии с соотношением [3]: , где d - размер диафрагмы источника излучения, λ - длина волны. Отсутствие учета этого факта ведет к снижению точности измерений, поскольку в измеренную величину угла входит составляющая, соответствующая размеру источника и не учитываемая в результате измерений. В итоге величина измеренного угла становится завышенной.

Отличительной особенностью заявленного способа является то, что часть пучка отклоняют в плоскость изображения источника, которую располагают на расстоянии 2f' от фокусирующей системы, в которой определяют размер d₂ изображения источника, а сам источник устанавливают перед фокусирующей системой на расстоянии -2f', где f' - фокусное расстояние фокусирующей системы, после чего рассчитывают угол θ расходимости из соотношения: где знак "+" берется в случае предфокального пересечения лучей, а знак "-" в случае зафокального.

На чертежах представлены:

Фиг.1 Оптическая схема прототипа.

Фиг.2 Оптическая схема заявленного способа.

Фиг.3 Вид изображения полупятен в плоскости регистрации 5.

Фиг.4 Вид изображения предмета, установленного на расстоянии 2f' от фокусирующей системы.

На фиг.1 устройство прототипа содержит источник излучения, ограниченный диафрагмой 1 размером d, фокусирующую систему 2, оптический элемент 3 в виде клиньев, расположенных в фокальной плоскости фокусирующей системы 2, проекционный объектив 4, плоскость регистрации 5. Работа устройства состоит в следующем. Световой пучок, угол расходимости 9 которого следует определить, пройдя диафрагму 1, собирается фокусирующей системой 2 в фокальной плоскости в виде светового пятна на расстоянии f' за фокусирующей системой 2, где f' - фокусное расстояние.

После прохождения через оптический элемент 3 световое пятно делится на два полупятна, которые отклоняются в противоположные направления. Далее полупятна с помощью проекционного объектива 4 изображаются в плоскости регистрации 5, где измеряют размер полупятен и по размеру полупятен рассчитывают угол расходимости.

На фиг.2 изображена оптическая схема заявленного способа. Световой пучок, ограниченный диафрагмой 1 и имеющий размер d, проходит через фокусирующую систему 2, светоделитель 7, собирается на расстоянии f' за ней в виде светового пятна. На расстоянии f' располагается оптический элемент 3 в виде клиньев. После прохождения клиньев световое пятно делится на два полупятна, отклоняющиеся в противоположные стороны. Далее полупятна изображаются проекционным объективом 4 в плоскости регистрации 5. Если пучок лучей параллелен (θ=0), то лучи соберутся в виде светового пятна в фокальной плоскости фокусирующий системы 2. Далее после прохождения оптического элемента 3 и проекционного объектива 4 лучи соберутся в плоскости регистрации 5, где изобразится картина, показанная на фиг.3, случай Δ'=0, где Δ' - величина смещения точки пересечения лучей относительно фокуса фокусирующей системы 2. Если пучок станет непараллельным (θ≠0), то лучи соберутся за фокусирующей системой 2 на некотором расстоянии +Δ', соответствующему предфокальному пересечению лучей, либо -Δ' - в случае зафокального пересечения лучей. После прохождения оптического элемента 3 и проекционного объектива 4 лучи соберутся в плоскости регистрации 5 в виде полупятен размером d₁. Вид полупятен показан на фиг.3 для случаев +Δ' и -Δ'. Часть светового пучка, прошедшая через фокусирующую систему 2, отклоняется светоделителем 7 в плоскость изображения источника 6, расположенную по коду лучей на расстоянии 2f' за фокусирующей системой, где изменяют размер d₂ изображения источника. При этом источник, ограниченный диафрагмой 1, устанавливается на расстоянии -2f' перед фокусирующей системой 2. Это делается для того, чтобы применить известное свойство фокусирующей системы: предмет (источник), установленный в пространстве предметов на расстоянии -2f' от фокусирующей системы, изобразится в том же масштабе на расстоянии 2f' в пространстве изображения [4]. Это свойство фокусирующей системы изображено на фиг.4. По измеренным d₁ и d₂ рассчитывают угол θ расходимости из соотношения: где знак "+" берется в случае предфокального пересечения лучей, а знак "-" в случае зафокального.

Будем считать, что минимальный диаметр светового пятна d₁, который может быть оценен с помощью приемника, установленного в плоскости регистрации 5, составляет 20 мкм, фокусное расстояние фокусирующей системы f'=300 мм, диаметр диафрагмы источника d=40 мм равен диаметру его изображения. Тогда из формулы для угла θ в случае предфокального пересечения лучей имеем: . Если оценить полученную величину относительно предельного дифракционного угла (для λ=0,5 мкм и d=40 мм), получаем , соизмеримый с углом θ.

Сравнивая предложенный способ с прототипом, следует отметить его преимущество, заключающееся в том, что способ позволяет повысить точность измерения угла θ благодаря учету размера источника. Другое преимущество состоит в том, что, как следует из формулы для угла θ, - он является отношением величин d₁ и d₂, что исключает влияние формы распределения энергии по сечению пучка, а результат получается непосредственно либо в угловой мере, либо радианах.

Источники информации

1. Иващенко П.А. Калинин Ю.А. Морозов Б.Н. Измерение параметров лазеров. М., Изд. стандартов, 1982, с.167.

2. Славнов С.Г. Определение угла расходимости излучения ОКГ и метод его контроля, журнал "Измерительная техника",1976, №4, с.46-46.

3. Кругер М.Я. и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Л. Изд. "Машиностроение", 1968, с.35.

4. Апенко М.И., Дубовик А.С. Прикладная оптика, Изд. "Наука", М., 1971, с.68.

Способ измерения угла расходимости светового пучка, заключающийся в том, что световой пучок фокусируется в фокальной плоскости, где располагаются два оптических клина, разводящих в противоположных направлениях световые полупятна, которые изображаются проекционным объективом в плоскости регистрации, и определяют размер изображения полупятен d₁, отличающийся тем, что часть пучка отклоняют в плоскость изображения источника, которую располагают на расстояние 2f' от фокусирующей системы, в которой определяют размер d₂ изображения источника, а сам источник устанавливают перед фокусирующей системой на расстоянии 2f', где f' - фокусное расстояние фокусирующей системы, после чего рассчитывают угол θ расходимости из соотношения

где знак ″+″ берется в случае предфокального пересечения лучей, а знак "-" в случае зафокального.