抗偏振混疊的雙路線偏振干涉和單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，主要涉及一種抗偏振混疊的雙路線偏振干涉和單 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。基于 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?，F(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(xiě)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 for the calibration of vibration and shock transducers-Part 41 Calibration of laser vibrometers".）。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G Peter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.G Peter，T Pozar，M Janez. "Quadrature phase-shift error analysis using a homodyne laser interferometer"? Optics Express,2009,17(18) ： 16322-16331. 2. G Peter,T Pozar,M Janez. ^Phase-shift error in quadrature-detection-based interferometers" ? Proc. of SPIE，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Jeongho Ahn等在G Peter方 案光路的基礎(chǔ)上，采用角錐棱鏡取代G Peter方案中的平面參考鏡和測(cè)量鏡（Jeongho Ahn，"Nonliear Error Compensation and Alignment Error Insensitive Method for Resolution Enhancement of Precise Displacement Measuring Interferometer''， 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Ddniel I等采用渥拉斯特棱鏡取代了 G Peter方 案中探測(cè)部分的偏振分光鏡 PBS(D6niel I. "Advanced successive phase unwrapping algorithm for quadrature output Michelson interferometers"? 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ijpi y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測(cè)振儀光路的兩大組成部分之一，其性能和精度對(duì)零 差正交激光測(cè)振儀的非線性誤差大小和測(cè)量精度具有舉足輕重的作用。針對(duì)現(xiàn)有各種可用 于零差正交激光測(cè)振的四通道探測(cè)技術(shù)方案，對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)及產(chǎn)生非線性誤差的原因分 述如下：
[0011] (1) 1995年，意大利學(xué)者Greco首次提出一種基于四分之一波片移相和偏振分 光鏡PBS分光的四通道探測(cè)技術(shù)方案（Greco V，Molesini G，Quercioli F."Accurate p