本發(fā)明屬于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種雙頻激光干涉儀分光鏡分光特性的檢測方法。

背景技術(shù)：

在雙頻激光干涉儀中，由于激光源偏振態(tài)的不理想、光學(xué)元器件的性能不理想和光學(xué)元器件位置調(diào)整不精確，會造成干涉光路中存在兩種不同頻率的偏振光，產(chǎn)生頻率混疊，使測到的相位變化附加了一個額外的周期性的相位變化，導(dǎo)致測量到的相位變化與被測量不再成線性關(guān)系，即產(chǎn)生了非線性誤差。非線性誤差是隨被測量的變化以光波波長為周期進行變化的，在高性能的激光干涉儀中該誤差可能有幾納米，而在一般的激光干涉儀中，非線性誤差為10-20nm左右，甚至超過20nm。這對于納米級測量系統(tǒng)而言，將會對測量的精度造成巨大的影響。在產(chǎn)生非線性誤差的誤差源中，激光源偏振態(tài)不理想是指雙頻激光源的橢圓極化現(xiàn)象和兩個頻率激光束的非正交；光學(xué)元器件性能不理想主要是指起偏器引入的相位延遲，以及偏振分光鏡(PBS)、非偏振分光鏡(NPBS)的分光性能不理想；光學(xué)器件位置調(diào)整不精確是指光源與光學(xué)器件之間，以及各光學(xué)器件之間的透光軸不重合導(dǎo)致的放置誤差。其中，偏振分光鏡和非偏振分光鏡分光性能不理想引入的一系列誤差是非常重要的非線性誤差源，分光鏡分光性能的優(yōu)劣是衡量分光鏡是否能夠用來搭建高精度雙頻激光干涉儀的標(biāo)準(zhǔn)。

陳洪芳等人研究了偏振分光鏡分光性能不理想對非線性誤差的影響[陳洪芳，丁雪梅，鐘志. 偏振分光鏡分光性能非理想對激光外差干涉非線性誤差的影響. 中國激光，2006，33(11): 1562-1566]：研究表明偏振分光鏡的透射率和反射率越低即T_p和R_s越小，漏光現(xiàn)象越嚴(yán)重，測量結(jié)果的非線性誤差越大，可達到納米量級。

鐘志等人研究了偏振分光鏡旋轉(zhuǎn)角度誤差對雙頻激光干涉儀非線性的影響[鐘志，楊剛，陳洪芳等. 偏振分光鏡旋轉(zhuǎn)角度誤差的確定. 計量學(xué)報，2006，27(3A):73-76]：研究表明當(dāng)偏振分光鏡存在放置誤差時，偏振分光鏡的偏振透光方向與外差干涉系統(tǒng)的偏振方向不一致，從而引入非線性誤差，而且放置誤差越大，非線性誤差越大，誤差在亞納米量級。

侯文玫等人研究了非偏振分光鏡對雙頻激光干涉儀非線性的影響[侯文玫，張運波，許琦欣. 分光鏡對外差激光干涉儀非線性的影響. 機械工程學(xué)報，2008，44(9): 163-168]：指出非偏振分光鏡對非線性誤差存在影響，并且通過一系列實驗發(fā)現(xiàn)非偏振分光鏡對雙頻激光干涉儀非線性誤差的影響遠比偏振分光鏡嚴(yán)重。

為了降低分光鏡對雙頻激光干涉儀的影響，需要對分光鏡的分光特性進行檢測。劉國鳳在棱鏡制作中采用如下方法檢測分光鏡分光透射系數(shù)和反射系數(shù)以及消光比[劉國鳳，閻永志，劉彪等. 棱鏡偏振分光鏡. 壓電與聲光，1991，13(5): 46-49]：將光源發(fā)射的激光直接耦合到多模石英光纖內(nèi)，光纖出射光經(jīng)短程透鏡準(zhǔn)直垂直入射到格蘭棱鏡，通過聚焦透鏡后入射到樣品上，通過旋轉(zhuǎn)格蘭棱鏡，檢測出射光輸出光強的變化得到透射系數(shù)和反射系數(shù)參數(shù)。測試過程要求有安靜清潔的環(huán)境、盡量減少震動，消除外界自然光以及其他的背景光，并且格蘭棱鏡旋轉(zhuǎn)時透射光強均勻一致。這種檢測方法忽略了光源的波動誤差及光源偏振誤差，雖然可設(shè)法盡量減少誤差，但會顯著增加成本，且最終測試結(jié)果不可避免具有殘余誤差。

為了減小分光鏡分光特性參數(shù)中光源引入的誤差，奇瑞運等人采用引入圓偏振光的方式測量分光鏡分光特性參數(shù)[奇瑞運，吳福全，王慶，郝殿中等. 大視場1/4對稱膜系偏光分束鏡的研究. 光電子?激光，2010，8(21): 1167-1170]：這種方法中激光經(jīng)過格蘭泰勒棱鏡起偏后通過1/4波片形成圓偏振光，然后圓偏振光經(jīng)過一個消光比較高的偏振片（如格蘭湯普森棱鏡）入射到待測的偏振分光鏡上，旋轉(zhuǎn)格蘭湯普森棱鏡一周，用高精度的光功率計檢測偏振分光鏡分出的兩路光的光強。這種檢測方法要求所用到的圓偏振光功率穩(wěn)定，偏振態(tài)理想，然而實際中圓偏振光存在偏振態(tài)非理想的問題，導(dǎo)致測量結(jié)果存在誤差。

綜上所述，分光鏡分光不理想對雙頻激光干涉儀測量產(chǎn)生較大的非線性誤差，在其分光特性檢測的現(xiàn)有方法中，只能盡量減小光源誤差的基礎(chǔ)上進行測量，并沒有消除激光光源對測量結(jié)果的影響，而實際中光源非理想是存在的，故現(xiàn)有理論模型不完善，在技術(shù)上也還存在一些不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有測量方法的不足，本發(fā)明提出了一種雙頻激光干涉儀分光鏡分光特性檢測方法，其目的是為分光鏡分光特性參數(shù)測量提供一種高精度測量方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種雙頻激光干涉儀分光鏡分光特性檢測方法，其特征在于使雙頻激光依次經(jīng)過偏振器和待測分光鏡，通過旋轉(zhuǎn)待測分光鏡前的偏振器，使得待測分光鏡分光后透射路和反射路輸出光強發(fā)生變化，然后對兩路光強變化同時測量，并對兩路光強曲線分析處理實現(xiàn)分光鏡分光特性參數(shù)的解算，方法具體包括以下步驟：

（1）將頻率為 和、偏振橢圓化角為和、偏振非正交化角為且與分光鏡旋轉(zhuǎn)角度為的雙頻激光通過偏振器后形成光學(xué)拍頻信號，其頻率為，振幅為，其中為偏振器透光軸的方位角；

（2）步驟（1）所述的光學(xué)拍頻信號通過待測分光鏡分為兩束光，透射路拍頻信號頻率為，振幅為，反射光束拍頻信號頻率為，振幅為，其中為分光鏡P波透射系數(shù)，為分光鏡S波透射系數(shù)，為分光鏡P波反射系數(shù)，為分光鏡S波反射系數(shù)；

（3）步驟（2）所述的光學(xué)拍頻信號由光電探測電路轉(zhuǎn)換為交流電壓信號，其頻率為，透射路電壓信號峰值為，反射路電壓信號峰值為，其中為光電探測電路的增益系數(shù)；

（4）步驟（3）所述的交流電壓信號進入真有效值轉(zhuǎn)換電路，并轉(zhuǎn)換為輸入交流信號的有效值，透射路輸出為 ，反射路輸出為，其電壓輸出有效值由AD采集電路測量得到；

（5）旋轉(zhuǎn)偏振器改變透光軸方位角，測量兩路光強變化對應(yīng)的輸出電壓有效值并作比值得到，其中為分光鏡能量透射率，為分光鏡能量反射率；

（6）步驟（5）所述的比值曲線取兩點不同的，如和₂，聯(lián)立公式，，，求解即可計算出分光鏡的透射率和反射率；

（7）對分光鏡分出的兩路光強求和并得到求和曲線，根據(jù)公式和即可計算出分光鏡旋轉(zhuǎn)角度誤差與光源偏振非正交化角為，其中為求和曲線90°附近極小值對應(yīng)的方位角，為求和曲線180°附近極小值對應(yīng)的方位角。

本發(fā)明具有以下特點及良好的效果：

（1）本發(fā)明中的方法綜合考慮了雙頻激光的偏振非正交化與偏振橢圓化兩種非理想偏振特性，考慮了分光鏡的透射率和反射率測量以及分光鏡的放置誤差，系統(tǒng)模型完整，所得到的分光鏡特性參數(shù)是精確的解，而現(xiàn)有的方法均沒有將光源誤差考慮在內(nèi)，得到的只是近似的解，所以在理論上本發(fā)明的方法具有更高的精度。

（2）本發(fā)明既能夠?qū)崿F(xiàn)分光鏡分光特性參數(shù)的求解，又能完成光源非正交角的求解，能夠在一次測量基礎(chǔ)上同時求解多個參數(shù)。

（3）本發(fā)明中的方法完成了偏振分光鏡與非偏振分光鏡的統(tǒng)一測量模型，而且系統(tǒng)中雙路同步測量，有效的避免了測量中光源波動對測量結(jié)果的影響。

附圖說明

圖1 分光鏡分光特性測量方案原理圖。

圖2 非理想的雙頻激光源偏振特性示意圖。

圖3 偏振分光鏡兩路光強幅值。

圖4 偏振分光鏡兩路光強幅值比。

圖5 非偏振分光鏡兩路光強幅值。

圖6 非偏振分光鏡兩路光強幅值比。

圖7 兩路光強之和曲線與、。

具體實施方式

下面參照附圖和優(yōu)選實施實例對本發(fā)明進行詳細的描述：

圖1為分光鏡分光特性測量方案原理圖，雙頻激光依次經(jīng)過偏振器和待測分光鏡，通過旋轉(zhuǎn)待測分光鏡前的偏振器，使得待測分光鏡分光后透射路和反射路輸出光強發(fā)生變化，同時用光電轉(zhuǎn)換電路接收兩路光強的變化，并由數(shù)據(jù)采集及控制電路記錄數(shù)據(jù)，發(fā)送至上位計算機存儲。后續(xù)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，即可計算得出分光鏡的能量透射率、能量反射率和放置誤差，以及反映雙頻激光光源非理想特性的非正交角、橢圓極化角。

圖2為非理想的雙頻激光源偏振特性示意圖，圖中的雙頻激光包含兩個不同頻率和偏振態(tài)的光分量E₁和E₂，他們對應(yīng)的頻率分別記為和；實際應(yīng)用中，由于各種非理想因素存在，E₁和E₂不是嚴(yán)格的線偏振光，而是具有偏振橢圓極化角和的橢圓偏振光，其中E₁為右旋橢圓偏振光，橢圓極化角為，E₂為左旋橢圓偏振光，橢圓極化角為。此外，E₁和E₂主軸的夾角也不是嚴(yán)格的90°，與分光鏡透光軸也不重合，選取待測偏振分光鏡PBS的P光透光軸作為X軸，S光透光軸為Y軸，記E₁與分光鏡透光軸X的夾角為，E₂和X軸的夾角為，得到光源X軸和Y軸的瓊斯矩陣表達式為：

上式中，a₁和a₂分別為E₁和E₂的振幅，非理想雙頻激光經(jīng)過偏振器形成光學(xué)拍時，偏振器透光軸如圖2中虛線所示，與X軸的夾角為，即為偏振器透光軸的方位角，則雙頻激光在其透光軸方向上的光場分布E可表示為：

光束通過分光鏡分光后記為P波透射系數(shù)、為S波透射系數(shù)、為P波反射系數(shù)、為S波反射系數(shù)，得到出射分光鏡后透射光路（P光路）的瓊斯矩陣表達式為：

反射光路（S光路）的瓊斯矩陣表達式為：

推導(dǎo)得到透射光路和反射光路的光強表達式為：

其中與即為輸出兩路光強的幅值，其表達式為：

式中：

在實際測量光路中，兩束光學(xué)拍頻信號經(jīng)過光電采集電路轉(zhuǎn)換為交流電壓信號，則透射路電壓信號峰值為

，反射路電壓信號峰值為，其中為光電探測電路的增益。

交流電壓信號進入交流有效值轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換電路輸出電壓為輸入交流信號的有效值，即透射光路的測量電壓值為，反射光路電壓測量值為，其數(shù)值再由AD采集電路測量得到。

旋轉(zhuǎn)偏振器，改變其透光軸方位角，交流有效值轉(zhuǎn)換電路輸出電壓隨角而變化，對兩路測量電壓做比值：

其中為分光鏡能量透射率，為分光鏡能量反射率。

取兩點不同的，如和，根據(jù)下述公式聯(lián)立求解即可得到透射率與反射率：

本發(fā)明實現(xiàn)了對偏振分光鏡與非偏振分光鏡檢測的模型統(tǒng)一，對二者求解僅僅是求解方位角選取不同。對偏振分光鏡PBS的求解而言，由圖3的偏振分光鏡兩路光強幅值可以看出，極大值和極小值在測量中都很難得到，所以在測試中需要避開極值測量，根據(jù)圖4偏振分光鏡兩路光強幅值比發(fā)現(xiàn)在在155°到165°之間分辨率較高，所以求解偏振分光鏡時，在這段區(qū)間內(nèi)求解；對非偏振分光鏡NPBS而言，圖5可以看出極值點可測，并且圖6中兩路比值曲線較平緩，故可以直接使用極大值和極小值點帶入聯(lián)立公式求解能量透射率和反射率。

本發(fā)明在求解出分光鏡特性參數(shù)的同時也能完成對光源誤差與分光鏡放置誤差的檢測。圖2描述了實際雙頻激光的偏振狀態(tài)，由于存在放置旋轉(zhuǎn)角度誤差和雙頻激光源兩個頻率光分量非正交角，所以兩個橢圓偏振光分量的橢圓長軸與分光鏡的透光軸并不重合，存在夾角，其中。

對分光鏡分出的兩路光強求和可得： ，當(dāng)均小于4°時，如圖7所示，兩路光強之和y曲線近似存在如下關(guān)系 ：

其中分別為的兩個極小值對應(yīng)的方位角的值，其中為求和曲線在90°附近極小值對應(yīng)的方位角，為求和曲線在180°附近極小值對應(yīng)的方位角。通過該公式就可把求解出來，進而將非正交角和分光鏡旋轉(zhuǎn)角度誤差求解出來：

最后，還可根據(jù)Jiubin Tan在文獻中（Jiubin Tan, Haijin Fu, Pengcheng Hu, et al. A laser polarization state measurement method based on the beat amplitude characteristic. Measurement Science and Technology, 2011, 22(8): 085302）提到方法求解激光光源橢圓極化角。

由上述實例可知，本發(fā)明中的方法綜合考慮了雙頻激光光源的橢圓極化誤差和非正交誤差，分光鏡的放置誤差和偏振漏光誤差，對所有參量的測量同時完成，所得到的透射率和反射率不包含光源誤差，是精確的求解；本發(fā)明完成了偏振分光鏡和非偏振分光鏡分光特性求解模型的統(tǒng)一，實現(xiàn)了不同分光鏡用統(tǒng)一模型和方法檢測分光特性；此外，采用雙路同步測量方式，有效的避免了測量中光源波動對測量結(jié)果的影響。