無(wú)正交誤差的單路線偏振干涉和雙渥拉斯特棱鏡分光式零差激光測(cè)振儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光干涉測(cè)量領(lǐng)域,主要涉及一種無(wú)正交誤差的單路線偏振干涉和雙 渥拉斯特棱鏡分光式零差激光測(cè)振儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光測(cè)振儀作為能夠?qū)⒄駝?dòng)量值溯源到激光波長(zhǎng)的超精密測(cè)量?jī)x器,被廣泛應(yīng)用 于位移動(dòng)態(tài)測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量與監(jiān)測(cè)、超精密裝備與系統(tǒng)集成、科學(xué)研宄與實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域?;?激光干涉法的激光測(cè)振儀按照原理可分為零差和外差兩大類,二者在工作原理、光路結(jié)構(gòu) 和技術(shù)特點(diǎn)上具有顯著區(qū)別。零差測(cè)量法采用單頻激光作為光源,基于經(jīng)典或改進(jìn)的邁克 爾遜激光干涉原理,通過(guò)測(cè)量干涉條紋的相位變化直接測(cè)位移;而外差測(cè)量法是采用雙頻 激光作為光源,基于多普勒效應(yīng),通過(guò)測(cè)量多普勒頻差測(cè)量被測(cè)件的運(yùn)動(dòng)速度而間接測(cè)位 移。外差激光測(cè)振儀(常稱多普勒激光測(cè)振儀)其信號(hào)處理本質(zhì)上是進(jìn)行頻率測(cè)量,系統(tǒng) 本身是動(dòng)態(tài)交流系統(tǒng),具有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量結(jié)果受光強(qiáng)變化影響小等特點(diǎn),缺點(diǎn)是非線 性誤差來(lái)源較多,修正比較復(fù)雜,具有較高的技術(shù)復(fù)雜度和技術(shù)難度。而零差激光測(cè)振儀技 術(shù)則較為成熟,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)范圍寬,非線性易于補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。尤其近年 來(lái),科學(xué)研宄與實(shí)驗(yàn)提出了亞納米甚至皮米精度的振動(dòng)測(cè)量需求,零差測(cè)量法又重新受到 了研宄人員的關(guān)注而成為本領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。
[0003] 隨著干涉測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,目前零差激光測(cè)振儀多采用先進(jìn)的零差正交激光測(cè)振 方案,利用偏振光移相干涉技術(shù),獲得兩路正交光電信號(hào),通過(guò)反正切計(jì)算和連續(xù)相位解 調(diào),實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的高分辨力測(cè)量。零差正交激光測(cè)振儀輸出的兩路信號(hào)在理想情況下應(yīng)是等 幅值、無(wú)直流偏置、相位正交的簡(jiǎn)諧信號(hào),兩路信號(hào)的李薩如圖應(yīng)是一標(biāo)準(zhǔn)圓;但實(shí)際由于 激光功率漂移、光學(xué)元器件不理想以及光學(xué)元件安裝位置誤差等因素,尤其是偏振分光鏡 PBS和偏振片等光學(xué)器件存在偏振泄漏,波片器件存在相位延遲誤差等因素,導(dǎo)致實(shí)際輸出 的兩路正交信號(hào)存在直流偏置、不等幅及非正交誤差,從而給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)非線性誤差?,F(xiàn) 有的零差正交激光測(cè)振儀非線性誤差可達(dá)幾納米、甚至幾十納米,雖然可在一定程度上通 過(guò)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行修正,但對(duì)采樣率和數(shù)字信號(hào)的處理速度提出了很高的要求,且要求兩路 信號(hào)的李薩如圖必須為完整的橢圓才能進(jìn)行修正。修正運(yùn)算一方面嚴(yán)重影響測(cè)量的實(shí)時(shí) 性,另一方面精度和效果也受到限制。因此,如何通過(guò)光路結(jié)構(gòu)與原理上的創(chuàng)新,從原理上 避免非線性誤差產(chǎn)生的因素,是解決零差正交激光測(cè)振儀非線性誤差問(wèn)題最有效的方法, 也是本領(lǐng)域研宄的熱點(diǎn)問(wèn)題。
[0004] 零差正交激光測(cè)振儀的光路結(jié)構(gòu)由干涉部分和探測(cè)部分兩大部分組成。現(xiàn)有技術(shù) 方案在干涉部分和/或探測(cè)部分,受光路結(jié)構(gòu)、原理及光學(xué)器件本身特性不理想的限制,存 在難以克服的非線性誤差。對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及產(chǎn)生非線性誤差的原因分述如下:
[0005] (1)傳統(tǒng)經(jīng)典的零差正交激光測(cè)振儀技術(shù)方案中,干涉部分采用偏振分光鏡PBS 分光,產(chǎn)生P分量的參考光和S分量的測(cè)量光;探測(cè)部分先經(jīng)消偏振分光鏡NBS分光后一路 經(jīng)偏振片后,被光電探測(cè)器接收,另一路先經(jīng)四分之一波片變成圓偏振光,然后再經(jīng)偏振片 被光電探測(cè)器接收。該技術(shù)方案中,干涉部分采用的偏振分光鏡PBS和探測(cè)部分采用的偏 振片消光比低(一般在1000 : 1量級(jí)),存在偏振泄漏現(xiàn)象,導(dǎo)致該光路非線性誤差顯著。
[0006] (2) 1999年,基于消偏振分光鏡NBS和渥拉斯特棱鏡分光的零差正交激光測(cè)振技 術(shù)方案,被寫入"IS016063-11激光干涉法振動(dòng)絕對(duì)校準(zhǔn)"標(biāo)準(zhǔn)中(IS016063-41"Methods forthecalibrationofvibrationandshocktransducers-Part41Calibration oflaservibrometers".)。該技術(shù)方案中,干涉部分激光光源輸出線偏振光,使線偏振 光的偏振方向與四分之一波片的快軸方向成45°夾角,線偏振光經(jīng)過(guò)四分之一波片后變 成圓偏振光,采用消偏振分光鏡NBS對(duì)圓偏振光進(jìn)行分光,參考臂上采用偏振片將參考光 的偏振態(tài)由圓偏振變成線偏振,而測(cè)量光始終為圓偏振光;探測(cè)部分參考光和測(cè)量光經(jīng)渥 拉斯特棱鏡分光產(chǎn)生兩路正交的干涉信號(hào)。由于探測(cè)部分采用渥拉斯特棱鏡分光,渥拉斯 特棱鏡利用雙折射晶體自身的物理特性分離不同的偏振光,具有較大的消光比(可高于 100000 : 1),因此探測(cè)部分可視為不存在偏振混疊現(xiàn)象。該技術(shù)方案存在的不足之處在 于:1)參考臂上放置偏振片導(dǎo)致參考光相對(duì)于測(cè)量光的光強(qiáng)大大降低,引入兩路輸出信號(hào) 的不等幅誤差;2)干涉部分采用偏振片產(chǎn)生線偏振光,偏振片消光比低,干涉部分存在偏 振混疊而引入非線性誤差。
[0007] (3)2009年,斯洛文尼亞的GPeter等提出了一種基于消偏振分光鏡NBS和 八分之一波片的零差正交激光測(cè)振儀(l.GPeter,TPozar,MJanez."Quadrature phase-shifterroranalysisusingahomodynelaserinterferometer"?Optics Express,2009,17(18) : 16322-16331. 2.GPeter,TPozar,MJanez. ^Phase-shifterror inquadrature-detection-basedinterferometers" ?Proc.ofSPIE,2010,Vol. 7726 : 77260X-1-77260X-10.)。該技術(shù)方案中,干涉部分激光源輸出偏振方向?yàn)?5°方向的線偏 振光,米用消偏振分光鏡NBS進(jìn)行分光,參考光折返兩次經(jīng)過(guò)八分之一波片,偏振態(tài)由線偏 振變?yōu)閳A偏振,而測(cè)量光偏振方向保持不變;參考光和測(cè)量光在探測(cè)部分采用偏振分光鏡 PBS分光產(chǎn)生兩路正交的干涉信號(hào)。該技術(shù)方案的光路較簡(jiǎn)單,光學(xué)元件較少。其存在的 不足之處在于:1)八分之一波片器件精度較差,實(shí)際相移小于45°,線偏振參考光兩次經(jīng) 過(guò)八分之一波片實(shí)際得到的是橢圓偏振光,導(dǎo)致實(shí)際輸出的兩路信號(hào)的非正交相移誤差較 大;2)探測(cè)部分采用PBS分光,存在偏振泄漏現(xiàn)象,引入較大的非線性誤差。
[0008] 該技術(shù)方案存在其他兩種改進(jìn)形式:一是韓國(guó)的JeonghoAhn等在GPeter方 案光路的基礎(chǔ)上,采用角錐棱鏡取代GPeter方案中的平面參考鏡和測(cè)量鏡(Jeongho Ahn,"NonliearErrorCompensationandAlignmentErrorInsensitiveMethodfor ResolutionEnhancementofPreciseDisplacementMeasuringInterferometer'', 0〇(^〇四1也^&,2010),在參考臂中,采用四分之一波片取代人/8波片,由于角錐參考鏡 反射前、后參考光存在橫向位移,因此可使參考光只經(jīng)過(guò)一次四分之一波片,改進(jìn)后的方 案可獲得較理想的圓偏振態(tài)參考光,但由于參考光的橫向位移較小,四分之一波片如采用 波片架固定會(huì)遮擋相鄰光束,因此實(shí)際通常是將四分之一波片貼于消偏振分光鏡NBS的 表面,會(huì)導(dǎo)致調(diào)整困難。二是匈牙利的DdnielI等采用渥拉斯特棱鏡取代了GPeter方 案中探測(cè)部分的偏振分光鏡PBS(D6nielI."Advancedsuccessivephaseunwrapping algorithmforquadratureoutputMichelsoninterferometers"?Measurement,2005, 37(2) :95-102.),僅在一定程度上改善了探測(cè)部分的偏振泄漏問(wèn)題。
[0009] 上述幾種零差正交激光測(cè)振技術(shù)方案在探測(cè)部分均采用雙通道探測(cè)技術(shù),理想情 況下輸出的是兩路相位相差90°的正交光電信號(hào),由于輸出信號(hào)是直流信號(hào),激光的功率 漂移及其它共模干擾因素會(huì)引起兩路正交信號(hào)的直流偏置發(fā)生變化。根據(jù)信號(hào)處理的相位 解算公式"巾ztaday-iavafi。)],其中ijpiy為正交光電信號(hào),I。為直流偏置"可 知,直流偏置變化會(huì)直接影響相位解算結(jié)果,從而引入非線性誤差。在雙通道探測(cè)技術(shù)方案 中,激光功率漂移是非線性誤差的一個(gè)重要誤差源。有學(xué)者提出新的四通道探測(cè)技術(shù)方案, 思路是通過(guò)偏振移相,獲得四路相位分別為0°、90°、180°和270°的光電信號(hào),使相位 相差180°的兩個(gè)信號(hào)相減,可有效消除直流偏置及其他共模干擾因素引入的誤差,提高系 統(tǒng)的抗干擾能力。
[0010] 探測(cè)部分作為零差正交激光