无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪的制作方法
无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光测振技术领域，主要涉及一种无正交误差的单路圆偏振干涉和双 渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪。
【背景技术】
[0002] 激光测振仪作为能够将振动量值溯源到激光波长的超精密测量仪器，被广泛应用 于位移动态测量、振动测量与监测、超精密装备与系统集成、科学研宄与实验等领域。基于 激光干涉法的激光测振仪按照原理可分为零差和外差两大类，二者在工作原理、光路结构 和技术特点上具有显著区别。零差测量法采用单频激光作为光源，基于经典或改进的迈克 尔逊激光干涉原理，通过测量干涉条纹的相位变化直接测位移；而外差测量法是采用双频 激光作为光源，基于多普勒效应，通过测量多普勒频差测量被测件的运动速度而间接测位 移。外差激光测振仪（常称多普勒激光测振仪）其信号处理本质上是进行频率测量，系统 本身是动态交流系统，具有抗干扰能力强、测量结果受光强变化影响小等特点，缺点是非线 性误差来源较多，修正比较复杂，具有较高的技术复杂度和技术难度。而零差激光测振仪技 术则较为成熟，具有结构简单、测量精度高、动态范围宽，非线性易于补偿等优点。尤其近年 来，科学研宄与实验提出了亚纳米甚至皮米精度的振动测量需求，零差测量法又重新受到 了研宄人员的关注而成为本领域的研宄热点。
[0003] 随着干涉测量技术的发展，目前零差激光测振仪多采用先进的零差正交激光测振 方案，利用偏振光移相干涉技术，获得两路正交光电信号，通过反正切计算和连续相位解 调，实现振动的高分辨力测量。零差正交激光测振仪输出的两路信号在理想情况下应是等 幅值、无直流偏置、相位正交的简谐信号，两路信号的李萨如图应是一标准圆；但实际由于 激光功率漂移、光学元器件不理想以及光学元件安装位置误差等因素，尤其是偏振分光镜 PBS和偏振片等光学器件存在偏振泄漏，波片器件存在相位延迟误差等因素，导致实际输出 的两路正交信号存在直流偏置、不等幅及非正交误差，从而给测量结果带来非线性误差。现 有的零差正交激光测振仪非线性误差可达几纳米、甚至几十纳米，虽然可在一定程度上通 过数学方法进行修正，但对采样率和数字信号的处理速度提出了很高的要求，且要求两路 信号的李萨如图必须为完整的椭圆才能进行修正。修正运算一方面严重影响测量的实时 性，另一方面精度和效果也受到限制。因此，如何通过光路结构与原理上的创新，从原理上 避免非线性误差产生的因素，是解决零差正交激光测振仪非线性误差问题最有效的方法， 也是本领域研宄的热点问题。
[0004] 零差正交激光测振仪的光路结构由干涉部分和探测部分两大部分组成。现有技术 方案在干涉部分和/或探测部分，受光路结构、原理及光学器件本身特性不理想的限制，存 在难以克服的非线性误差。对现有技术方案的优缺点及产生非线性误差的原因分述如下：
[0005] (1)传统经典的零差正交激光测振仪技术方案中，干涉部分采用偏振分光镜PBS 分光，产生P分量的参考光和S分量的测量光；探测部分先经消偏振分光镜NBS分光后一路 经偏振片后，被光电探测器接收，另一路先经四分之一波片变成圆偏振光，然后再经偏振片 被光电探测器接收。该技术方案中，干涉部分采用的偏振分光镜PBS和探测部分采用的偏 振片消光比低（一般在1000 : 1量级），存在偏振泄漏现象，导致该光路非线性误差显著。
[0006] (2) 1999年，基于消偏振分光镜NBS和渥拉斯特棱镜分光的零差正交激光测振技 术方案，被写入"IS016063-11激光干涉法振动绝对校准"标准中（IS016063-41"Methods forthecalibrationofvibrationandshocktransducers-Part41Calibration oflaservibrometers".）。该技术方案中，干涉部分激光光源输出线偏振光，使线偏振光 的偏振方向与四分之一波片的快轴方向成45°夹角，线偏振光经过四分之一波片后变成 圆偏振光，采用消偏振分光镜NBS对圆偏振光进行分光，参考臂上采用偏振片将参考光的 偏振态由圆偏振变成线偏振，而测量光始终为圆偏振光；探测部分参考光和测量光经渥拉 斯特棱镜分光产生两路正交的干涉信号。由于探测部分采用渥拉斯特棱镜分光，渥拉斯 特棱镜利用双折射晶体自身的物理特性分离不同的偏振光，具有较大的消光比（可高于 100000 : 1)，因此探测部分可视为不存在偏振混叠现象。该技术方案存在的不足之处在 于：1)参考臂上放置偏振片导致参考光相对于测量光的光强大大降低，引入两路输出信号 的不等幅误差；2)干涉部分采用偏振片产生线偏振光，偏振片消光比低，干涉部分存在偏 振混叠而引入非线性误差。
[0007] (3)2009年，斯洛文尼亚的GPeter等提出了一种基于消偏振分光镜NBS和 八分之一波片的零差正交激光测振仪（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.)。该技术方案中，干涉部分激光源输出偏振方向为45°方向的线偏 振光，米用消偏振分光镜NBS进行分光，参考光折返两次经过八分之一波片，偏振态由线偏 振变为圆偏振，而测量光偏振方向保持不变；参考光和测量光在探测部分采用偏振分光镜 PBS分光产生两路正交的干涉信号。该技术方案的光路较简单，光学元件较少。其存在的 不足之处在于：1)八分之一波片器件精度较差，实际相移小于45°，线偏振参考光两次经 过八分之一波片实际得到的是椭圆偏振光，导致实际输出的两路信号的非正交相移误差较 大；2)探测部分采用PBS分光，存在偏振泄漏现象，引入较大的非线性误差。
[0008] 该技术方案存在其他两种改进形式：一是韩国的JeonghoAhn等在GPeter方 案光路的基础上，采用角锥棱镜取代GPeter方案中的平面参考镜和测量镜（Jeongho Ahn，"NonliearErrorCompensationandAlignmentErrorInsensitiveMethodfor ResolutionEnhancementofPreciseDisplacementMeasuringInterferometer''， 0〇(^〇四1也^&，2010)，在参考臂中，采用四分之一波片取代人/8波片，由于角锥参考镜 反射前、后参考光存在横向位移，因此可使参考光只经过一次四分之一波片，改进后的方 案可获得较理想的圆偏振态参考光，但由于参考光的横向位移较小，四分之一波片如采用 波片架固定会遮挡相邻光束，因此实际通常是将四分之一波片贴于消偏振分光镜NBS的 表面，会导致调整困难。二是匈牙利的DdnielI等采用渥拉斯特棱镜取代了GPeter方 案中探测部分的偏 振分光镜PBS(D6nielI."Advancedsuccessivephaseunwrapping algorithmforquadratureoutputMichelsoninterferometers"?Measurement，2005， 37(2) :95-102.)，仅在一定程度上改善了探测部分的偏振泄漏问题。
[0009] 上述几种零差正交激光测振技术方案在探测部分均采用双通道探测技术，理想情 况下输出的是两路相位相差90°的正交光电信号，由于输出信号是直流信号，激光的功率 漂移及其它共模干扰因素会引起两路正交信号的直流偏置发生变化。根据信号处理的相位 解算公式"巾ztaday-IaVafl。)]，其中lJPIy为正交光电信号，I。为直流偏置"可 知，直流偏置变化会直接影响相位解算结果，从而引入非线性误差。在双通道探测技术方案 中，激光功率漂移是非线性误差的一个重要误差源。有学者提出新的四通道探测技术方案， 思路是通过偏振移相，获得四路相位分别为0°、90°、180°和270°的光电信号，使相位 相差180°的两个信号相减，可有效消除直流偏置及其他共模干扰因素引入的误差，提高系 统的抗干扰能力。
[0010] 探测部分作为零差正交激光测振仪光路的两大组成部分之一，其性能和精度对零 差正交激光测振仪的非线性误差大小和测量精度具有举足轻重的作用。针对现有各种可用 于零差正交激光测振的四通道探测技术方案，对各自的优缺点及产生非线性误差的原因 分述如下：
[0011] (1) 1995年，意大利学者Greco首次提出一种基于四分之一波片移相和偏振分 光镜PBS分光的四通道探测技术方案（GrecoV，MolesiniG，QuercioliF."Accurate polarizationinterferometer"?ReviewofScientificInstruments，1995,66 (7)： 3729-3734.)。该技术方案可用于零差正交激光测振仪的探测部分，如前级光路输出信号形 式为两个偏振方向正交的线偏振光，记为P光和S光，使二分之一波片的快轴方向与P光或 S光的偏振方向成22. 5°夹角，则P光、S光经过二分之一波片后变成偏振方向为45°方向 的两个正交线偏振光，再经消偏振分光镜NBS等比例分光，其中一路直接经偏振分光镜PBS 得到两路相位为0°和180°的干涉信号，另一路先经快轴为45°方向的的四分之一波片 变成圆偏振光，再经偏振分光镜PBS分光得到另外两路相位为90°和270°的干涉信号，最 终得到四路相位相差90°的干涉信号。该技术方案存在的不足之处在于：1)光学元件较 多，非线性误差来源较多；2)采用偏振分光镜PBS分光，存在偏振泄漏现象，导致非线性误 差显著。
[0012] (2)2001年，中国台湾学者Lee等提出基于空间旋转偏振分光镜PBS的四通道探 测技术方案（Lee，J.Y.Su，D.C."Centralfringeidentificationbyphasequadrature interferometrictechniqueandtunablelaser-diodeOpticsCommunications，2001， 198(4-6) :333-337)。该四通道探测技术方案在Greco提出的技术方案的基础上，通过将其 中一个偏振分光镜PBS空间旋转45°，使得光路减少了一个二分之一波片。但由于PBS不 可避免的分光误差，即无法将互相正交的偏振光完全分离，因此也存在较显著的偏振泄漏 现象，严重影响各路信号的输出质量。
[0013] (3) 1997年，美国学者Peter提出了一种基于渥拉斯特棱镜分光的四通道探测 技术方案（PeterG.''Homodyneinterferometricreceiverandcalibrationmethod havingimprovedaccuracyandfunctionality" ?USPatent:US5663793) 〇 该技术方案 可用于零差正交激光测振仪的探测部分，如前级光路输出两个正交偏振光，通过一种部分 偏振分光镜（PPBS)分成两束，一束直接经渥拉斯特棱镜分成两束然后被两个光电探测器 接收，另一束先经四分之一波片，再经渥拉斯特棱镜分成两束然后被两个光电探测器接收， 最终得到四路相位相差90°的干涉信号。该技术方案存在的不足之处在于：1)探测部分需 要额外的四分之一波片才能产生四路相位相差90°的光电信号；2)探测部分光路不对称， 易引入直流偏置、不等幅及非正交误差，从而引入非线性误差。
[0014] (4)2006年，上海理工大学的王力等提出在Peter的四通道探测技术方案的基础 上，将四分之一波片放在分光镜之前，再通过绕光束方向空间旋转其中一个渥拉斯特棱镜 45°实现四通道探测（王力，侯文玫."单频激光干涉仪四通道信号接收系统".计量学报， 2006,27(4) :313-316)。该技术方案的优点是光路对称性较好，解决了Peter提出的方案的 非正交误差问题，其存在的不足之处在于：1)探测部分需要额外的四分之一波片才能产生 四路相位相差90°的光电信号；2)采用的分光镜为普通分光镜BS，分光效果与入射到四通 道探测部分的光偏振态有关，且具有较大的附加相移。
[0015] (5)2015年，哈尔滨工业大学的胡鹏程等也提出了一种基于空间旋转渥拉斯特棱 镜的四通道探测技术方案（PengchengHu，et.al. "DC-offsethomodyneinterferometer anditsnonlinearitycompensation".OpticsExpress，2015, 23 (7) :8399_8408) 〇 该技 术方案中，如干涉部分输出两个偏振方向正交的线偏振光，记为P光和S光，经消偏振分光 镜NBS分成两束，一束直接经绕光束方向空间旋转45°的渥拉斯特棱镜分成两束，然后被 两个光电探测器接收，另一束先经光轴与一个线偏振光的偏振方向一致的四分之一波片， 再经另一绕光束方向空间旋转45°的渥拉斯特棱镜分成两束，然后被另两个光电探测器接 收。最终得到四路相位相差90°的干涉信号。该技术方案存在的不足之处在于：1)探测部 分需要额外的四分之一波片才能产生四路相位相差90°的光电信号；2)探测部分光路不 对称，易引入直流偏置、不等幅及非正交误差，从而引入非线性误差。
[0016] 综上，由于激光功率漂移、光学元器件不理想以及光学元件安装误差等因素，尤其 是偏振分光镜PBS和偏振片等光学器件的偏振泄漏以及波片器件的相位延迟误差，导致现 有零差正交激光测振仪技术方案在干涉部分和/或探测部分，受光路结构、原理及光学器 件本身特性不理想的限制，存在难以克服的非线性误差，非线性误差可达几nm甚至几十 nm，难以满足实时、高精度测量，尤其是下一代亚纳米甚至皮米级精度、以及纳米级振幅等 振动测量需求。因此，如何通过光路结构与原理上的创新，提供一种能从光路结构和原理上 抑制非线性误差的零差正交激光测振技术方案，意义十分重大。
【发明内容】
[0017] 本发明的目的是针对现有零差正交激光测振技术方案在光路结构和原理上存在 的非线性误差问题，提供一种无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特 棱镜分光式零差 激光测振仪，通过光路结构与原理的创新，采用较少的光学元件实现四通道零差正交激光 干涉测量，从原理上消除了各种非线性误差的来源，从光路结构与原理上获得抑制非线性 误差的显著特性，可有效解决现有技术方案中光路存在偏振泄露与偏振混叠、输出信号存 在直流偏置与非正交误差，测量结果非线性误差显著的问题。
[0018] 本发明的技术解决方案是：
[0019] 一种无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪，由 干涉部分和探测部分组成，所述干涉部分由激光器、第一四分之一波片、第一消偏振分光 镜、测量镜、第二四分之一波片和参考镜组成；激光器发出线偏振光，经第一四分之一波片 后变成圆偏振光，再经第一消偏振分光镜进行分光，反射光形成第一光束作为测量光，透射 光形成第二光束作为参考光；第一光束经测量镜反射后，再经第一消偏振分光镜透射形成 第三光束；第二光束经过第二四分之一波片后变成线偏振光，经参考镜反射后再次经过第 二四分之一波片变成圆偏振光，然后经第一消偏振分光镜反射形成第四光束；第三光束、第 四光束为光路重合、且偏振方向正交的圆偏振光；所述探测部分由第二消偏振分光镜、第一 渥拉斯特棱镜、第二渥拉斯特棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和 第四光电探测器组成；第三光束、第四光束经第二消偏振分光镜反射形成第五光束和透射 形成第六光束；第五光束经第一渥拉斯特棱镜分成第一 0光、第一e光，分别被第一光电探 测器、第二光电探测器接收；第六光束经第二渥拉斯特棱镜分成第二〇光、第二e光，分别被 第三光电探测器、第四光电探测器接收。
[0020] 所述激光器为稳频激光器。
[0021 ] 所述测量镜、参考镜为平面反射或角锥反射镜。
[0022] 本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
[0023] (1)本发明提出一种从原理上抑制非线性误差的四通道零差正交激光测振仪技术 方案。该技术方案光路简单，元器件少，减少了非线性误差产生的环节；利用渥拉斯特棱镜 双折射晶体自身的物理特性分光，可获得极高的消光比（可高于100000 : 1)，采用消偏振 分光镜NBS进行等比例分光，分光特性与入射光的偏振态无关，从而可从原理上抑制偏振 泄露与混叠；四通道探测部分无波片器件，具有高对称性，可有效抑制激光功率漂移、共模 干扰等因素引起的直流偏置和非正交误差，是能够抑制非线性误差的最优探测技术方案。 通过上述技术创新，有效解决了现有技术方案光路存在严重偏振泄露与偏振混叠，输出信 号存在直流偏置与非正交误差，测量结果非线性误差显著的问题。
[0024] (2)本发明通过旋转两个渥拉斯特棱镜和两个四分之一波片的安装角度，可补偿 光源不理想（椭圆极化等）、光学元件不理想（波片延迟误差、消偏振分光镜的附加相移 等）导致输出正交信号存在的直流偏置、非正交误差问题；同时消偏振分光镜NBS的分光 特性具有非常好的稳定性；获得的正交信号在进行振幅修正后，能获得中心在原点的理想 圆形式的李萨如图，非线性误差可低至皮米量级。解决了现有技术方案非线性误差大，修正 复杂困难，修正运算耗时，修正精度低的问题，能够满足下一代实时、亚纳米甚至皮米级精 度、纳米级振幅等振动测量需求。
[0025] (3)本发明干涉部分产生的是两路偏振方向相互正交的圆偏振测量光和参考光， 由于圆偏振光的特殊性，参考臂上的四分之一波片理想上其快轴可为任意角度；而探测部 分无需额外的四分之一波片或二分之一波片，只需调整渥拉斯特棱镜的安装角度，即可容 易获得四路相位相差90°的干涉信号，光路调整十分简便。解决了现有技术方案光路调整 不便，调整环节易引入误差的问题。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光的无非正交误差零差激 光测振仪的光路原理图的一个实施例；
[0027] 图2为第一渥拉斯特棱镜安装角度的一个实施例；
[0028] 图3为第二渥拉斯特棱镜安装角度的一个实施例；
[0029] 图中件号说明：1激光器、2第一四分之一波片、3第一消偏振分光镜、4测量镜、5 第二四分之一波片、6参考镜、7第一渥拉斯特棱镜、8第二渥拉斯特棱镜、9第一光电探测 器、10第二光电探测器、11第三光电探测器、12第四光电探测器、13干涉部分、14探测部分、 15第一光束、16第二光束、17第三光束、18第四光束、19第五光束、20第六光束、21第一 〇 光、22第一e光、23第二〇光、24第二e光、25第二消偏振分光镜。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明，并给出实施例。
[0031] 一种单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光的无非正交误差零差激光测振仪，由 干涉部分13和探测部分14组成，所述干涉部分13由激光器1、第一四分之一波片2、第一 消偏振分光镜3、测量镜4、第二四分之一波片5和参考镜6组成；激光器1发出线偏振光， 经第一四分之一波片2后变成圆偏振光，再经第一消偏振分光镜3进行分光，反射光形成第 一光束15作为测量光，透射光形成第二光束16作为参考光；第一光束经测量镜4反射后， 再经第一消偏振分光镜3透射形成第三光束17 ;第二光束16经过第二四分之一波片5后 变成线偏振光，经参考镜6反射后再次经过第二四分之一波片5变成圆偏振光，然后经第 一消偏振分光镜3反射形成第四光束18 ;第三光束17、第四光束18为光路重合、且偏振方 向正交的圆偏振光；所述探测部分14由第二消偏振分光镜25、第一渥拉斯特棱镜7、第二渥 拉斯特棱镜8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、第三光电探测器11和第四光电探测 器12组成；第三光束17、第四光束18经第二消偏振分光镜25反射形成第五光束19和透 射形成第六光束20 ;第五光束19经第一渥拉斯特棱镜7分成第一 〇光21、第一e光22,分 别被第一光电探测器9、第二光电探测器10接收；第六光束20经第二渥拉斯特棱镜8分成 第二〇光23、第二e光24,分别被第三光电探测器11、第四光电探测器12接收。
[0032] 所述激光器1为稳频激光器。
[0033] 所述测量镜4、参考镜6为平面反射或角锥反射镜。
[0034] 图1给为本发明的一个实施例。本实施例中，激光器1采用经过稳频的He-Ne激 光器，波长为632. 8nm，噪声<0. 05%rms，输出功率为lmW，偏振化为1000 : 1，在空间坐 标系xyz内，激光器1发出线偏振光，偏振方向为x轴，即为P光，因此其琼斯矢量表达式为
但具有一定极化角。第一四分之一波片2放置在xy平面内，其存在的相位延迟误差 为Jr/250,通过旋转第一四分之一波片2,理想情况下，当第一四分之一波片2快轴与x轴 成45°时，P光变成右旋偏振光。经第一消偏振分光镜3等比例分光，反射光形成作为测量 光的右旋偏振的第一光束15,透射光形成作为参考光的右旋偏振的第二光束16。根据反射 镜的琼斯矩阵表达式
?可得，反射光相对入射光沿y轴振动方向具有180°的相移， 因此在测量臂上，右旋偏振态的第一光束15经测量镜4反射后变成左旋偏振光，然后经第 一消偏振分光镜3透射形成第三光束1 7。在参考臂上，第二四分之一波片5放置在xy平面 内，第二光束16先经过第二四分之一波片变成线偏振光，经参考镜6反射后，再经第二四分 之一波片变成右旋偏振光，然后经第一消偏振分光镜3反射形成第四光束18。由于圆偏振 光的特殊性，第二四分之一波片5的快轴与x轴成任意角度，右旋偏振态的第二光束16折 返两次第二四分之一波片后仍为右旋偏振光。第三、四光束17、18为光路重合、且偏振方向 正交的圆偏振光。第三光束17和第四光束18在探测部分被第二消偏振分光镜25分光，反 射光第五光束19又被第一渥拉斯特棱镜7分成第一 〇光21和第一e光22,分别被第一、二 光电探测器9、10接收，透射光第六光束20又被第二渥拉斯特棱镜8分成第二〇光23和第 二e光24,分别被第一、二光电探测器11、12接收。消偏振分光镜并不能保证严格意义上的 按50 : 50分光，其透射率一般略大于反射率。
[0035] 本实施例中，光电探测器采用SiPIN类型的二象限光电探测器，光敏区大小为 10mmX10mm，灵敏度为0. 45A/W(A= 632. 8nm)，二象限光电探测器的两个象限分别作为第 一、二光电探测器9、10;同理，采用另一个二象限光电探测器的两个象限作为第三、四光电 探测器11、12。
[0036]理想情况下，第一、二、三、四光电探测器9、10、11、12接收的干涉信号Ei、E2、E3、E4 表达式为：
[0041] 其中分别为参考臂和测量臂的光程引入的相位变化。
[0042] 四路干涉信号的的光强表达式为：
[0043] 1:=E! ? E*= 1+cos(<i> r-jt- <i> m) = 1-cos (<i> r- <i>m)
[0044] I2=E2 ? E2*= 1+cos(<i> r-jt/4- <})m+it/4) = 1+cos(<i> r- <i>m)
[0045] (2)
[0046] I3=E3 ? E3*= 1+cos(<}) r+3jt/4- <}) m-jt/4) = 1-sin(<i> r- <i> m)
[0047] I4=E4 ? E4*= 1+cos(<i> r-3it/4- <i> m+it/4) = 1+sin(<i> r- <i> m)
[0048] 因此由第一、三、二、四光电探测器9、11、10、12接收到的干涉信号的相位相对关 系分别为 0°、90°、180° 和 270°。
[0049] 本实施例中，第一渥拉斯特棱镜7水平放置在xz平面内，通过调整第一四分之一 波片2和第二四分之一波片5的快轴与x轴的角度，以及绕x轴旋转第二渥拉斯特棱镜8 的空间角度，可使第一、三、二、四光电探测器9、11、10、12接收到的干涉信号的相位相对 关系分别为0°、90°、180°和270°，同时使第一、二光电探测器9、10接收到的干涉信号 的直流偏置相等、第三、四光电探测器11、12接收到的干涉信号的直流偏置相等。由于消偏 振分光镜25的透射率略微大于其反射率，因此第一、二光电探测器9、10接收到的干涉信号 的交流振幅略小于第三、四光电探测器11、12的交流振幅。因此，当第一、二光电探测器9、 10接收到的干涉信号相减、第三、四光电探测器11、12接收到的干涉信号相减后，可获得两 路无直流偏置、无正交误差的正交信号，在振幅修正后，最终得到两路正交信号的李萨如图 为一理想的中心在原点的标准圆。
[0050] 图2和图3为第一、二渥拉斯特棱镜安装角度的实施例。第五光束19垂直入射到 第一渥拉斯特棱镜7的第一块棱镜，第一块棱镜的光轴平行于x轴，由于第二块棱镜的光轴 相对于第一块棱镜转过了 90°，因此光束在第一块棱镜与第二块棱镜的截面处，〇光和e光 的传播方向发生了改变。第六光束20垂直入射到第二渥拉斯特棱镜8的第一块棱镜，本实 施例，理想上，第二渥拉斯特棱镜8绕x轴旋转了 45 °。
【主权项】
1. 一种无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪，由干 涉部分（13)和探测部分（14)组成，其特征在于：所述干涉部分（13)由激光器（1)、第一四 分之一波片（2)、第一消偏振分光镜（3)、测量镜（4)、第二四分之一波片（5)和参考镜（6) 组成；激光器（1)发出线偏振光，经第一四分之一波片（2)后变成圆偏振光，再经第一消偏 振分光镜（3)进行分光，反射光形成第一光束（15)作为测量光，透射光形成第二光束（16) 作为参考光；第一光束（15)经测量镜（4)反射后，再经第一消偏振分光镜（3)透射形成第 三光束（17);第二光束（16)经过第二四分之一波片（5)后变成线偏振光，经参考镜（6)反 射后再次经过第二四分之一波片（5)变成圆偏振光，然后经第一消偏振分光镜（3)反射形 成第四光束（18);第三光束（17)、第四光束（18)为光路重合、且偏振方向正交的圆偏振 光；所述探测部分（14)由第二消偏振分光镜（25)、第一渥拉斯特棱镜（7)、第二渥拉斯特 棱镜（8)、第一光电探测器（9)、第二光电探测器（10)、第三光电探测器（11)和第四光电探 测器（12)组成；第三光束（17)、第四光束（18)经第二消偏振分光镜（25)反射形成第五 光束（19)和透射形成第六光束（20);第五光束（19)经第一渥拉斯特棱镜（7)分成第一 〇 光（21)、第一e光（22)，分别被第一光电探测器（9)、第二光电探测器（10)接收；第六光束 (20)经第二渥拉斯特棱镜（8)分成第二〇光（23)、第二e光（24)，分别被第三光电探测器 (11)、第四光电探测器（12)接收。2. 根据权利要求1所述的无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零 差激光测振仪，其特征在于：所述激光器（1)为稳频激光器。3. 根据权利要求1所述的无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零 差激光测振仪，其特征在于：所述测量镜（4)、参考镜（6)为平面反射或角锥反射镜。
【专利摘要】无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪属于激光测振技术领域；干涉部分通过两个四分之一波片和消偏振分光镜NBS产生单路偏振方向正交、光路重合的圆偏振参考光和圆偏振测量光，探测部分参考光和测量光通过两个绕光束空间旋转角度成特定关系的渥拉斯特棱镜产生四路相位相差90°的光电信号，从而从光路结构与原理上获得抑制非线性误差的突出特性；本发明采用较少的光学元件实现四通道零差正交激光干涉测量，可有效解决现有技术方案中光路存在偏振泄露与偏振混叠，输出信号存在直流偏置误差与非正交误差，测量结果非线性误差显著等问题，在超精密振动测量领域具有显著的技术优势。
【IPC分类】G01H9/00
【公开号】CN104897273
【申请号】CN201510341655
【发明人】崔俊宁, 何张强, 谭久彬
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月12日
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光测振技术领域，主要涉及一种无正交误差的单路圆偏振干涉和双 渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪。
【背景技术】
[0002] 激光测振仪作为能够将振动量值溯源到激光波长的超精密测量仪器，被广泛应用 于位移动态测量、振动测量与监测、超精密装备与系统集成、科学研宄与实验等领域。基于 激光干涉法的激光测振仪按照原理可分为零差和外差两大类，二者在工作原理、光路结构 和技术特点上具有显著区别。零差测量法采用单频激光作为光源，基于经典或改进的迈克 尔逊激光干涉原理，通过测量干涉条纹的相位变化直接测位移；而外差测量法是采用双频 激光作为光源，基于多普勒效应，通过测量多普勒频差测量被测件的运动速度而间接测位 移。外差激光测振仪（常称多普勒激光测振仪）其信号处理本质上是进行频率测量，系统 本身是动态交流系统，具有抗干扰能力强、测量结果受光强变化影响小等特点，缺点是非线 性误差来源较多，修正比较复杂，具有较高的技术复杂度和技术难度。而零差激光测振仪技 术则较为成熟，具有结构简单、测量精度高、动态范围宽，非线性易于补偿等优点。尤其近年 来，科学研宄与实验提出了亚纳米甚至皮米精度的振动测量需求，零差测量法又重新受到 了研宄人员的关注而成为本领域的研宄热点。
[0003] 随着干涉测量技术的发展，目前零差激光测振仪多采用先进的零差正交激光测振 方案，利用偏振光移相干涉技术，获得两路正交光电信号，通过反正切计算和连续相位解 调，实现振动的高分辨力测量。零差正交激光测振仪输出的两路信号在理想情况下应是等 幅值、无直流偏置、相位正交的简谐信号，两路信号的李萨如图应是一标准圆；但实际由于 激光功率漂移、光学元器件不理想以及光学元件安装位置误差等因素，尤其是偏振分光镜 PBS和偏振片等光学器件存在偏振泄漏，波片器件存在相位延迟误差等因素，导致实际输出 的两路正交信号存在直流偏置、不等幅及非正交误差，从而给测量结果带来非线性误差。现 有的零差正交激光测振仪非线性误差可达几纳米、甚至几十纳米，虽然可在一定程度上通 过数学方法进行修正，但对采样率和数字信号的处理速度提出了很高的要求，且要求两路 信号的李萨如图必须为完整的椭圆才能进行修正。修正运算一方面严重影响测量的实时 性，另一方面精度和效果也受到限制。因此，如何通过光路结构与原理上的创新，从原理上 避免非线性误差产生的因素，是解决零差正交激光测振仪非线性误差问题最有效的方法， 也是本领域研宄的热点问题。
[0004] 零差正交激光测振仪的光路结构由干涉部分和探测部分两大部分组成。现有技术 方案在干涉部分和/或探测部分，受光路结构、原理及光学器件本身特性不理想的限制，存 在难以克服的非线性误差。对现有技术方案的优缺点及产生非线性误差的原因分述如下：
[0005] (1)传统经典的零差正交激光测振仪技术方案中，干涉部分采用偏振分光镜PBS 分光，产生P分量的参考光和S分量的测量光；探测部分先经消偏振分光镜NBS分光后一路 经偏振片后，被光电探测器接收，另一路先经四分之一波片变成圆偏振光，然后再经偏振片 被光电探测器接收。该技术方案中，干涉部分采用的偏振分光镜PBS和探测部分采用的偏 振片消光比低（一般在1000 : 1量级），存在偏振泄漏现象，导致该光路非线性误差显著。
[0006] (2) 1999年，基于消偏振分光镜NBS和渥拉斯特棱镜分光的零差正交激光测振技 术方案，被写入"IS016063-11激光干涉法振动绝对校准"标准中（IS016063-41"Methods forthecalibrationofvibrationandshocktransducers-Part41Calibration oflaservibrometers".）。该技术方案中，干涉部分激光光源输出线偏振光，使线偏振光 的偏振方向与四分之一波片的快轴方向成45°夹角，线偏振光经过四分之一波片后变成 圆偏振光，采用消偏振分光镜NBS对圆偏振光进行分光，参考臂上采用偏振片将参考光的 偏振态由圆偏振变成线偏振，而测量光始终为圆偏振光；探测部分参考光和测量光经渥拉 斯特棱镜分光产生两路正交的干涉信号。由于探测部分采用渥拉斯特棱镜分光，渥拉斯 特棱镜利用双折射晶体自身的物理特性分离不同的偏振光，具有较大的消光比（可高于 100000 : 1)，因此探测部分可视为不存在偏振混叠现象。该技术方案存在的不足之处在 于：1)参考臂上放置偏振片导致参考光相对于测量光的光强大大降低，引入两路输出信号 的不等幅误差；2)干涉部分采用偏振片产生线偏振光，偏振片消光比低，干涉部分存在偏 振混叠而引入非线性误差。
[0007] (3)2009年，斯洛文尼亚的GPeter等提出了一种基于消偏振分光镜NBS和 八分之一波片的零差正交激光测振仪（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.)。该技术方案中，干涉部分激光源输出偏振方向为45°方向的线偏 振光，米用消偏振分光镜NBS进行分光，参考光折返两次经过八分之一波片，偏振态由线偏 振变为圆偏振，而测量光偏振方向保持不变；参考光和测量光在探测部分采用偏振分光镜 PBS分光产生两路正交的干涉信号。该技术方案的光路较简单，光学元件较少。其存在的 不足之处在于：1)八分之一波片器件精度较差，实际相移小于45°，线偏振参考光两次经 过八分之一波片实际得到的是椭圆偏振光，导致实际输出的两路信号的非正交相移误差较 大；2)探测部分采用PBS分光，存在偏振泄漏现象，引入较大的非线性误差。
[0008] 该技术方案存在其他两种改进形式：一是韩国的JeonghoAhn等在GPeter方 案光路的基础上，采用角锥棱镜取代GPeter方案中的平面参考镜和测量镜（Jeongho Ahn，"NonliearErrorCompensationandAlignmentErrorInsensitiveMethodfor ResolutionEnhancementofPreciseDisplacementMeasuringInterferometer''， 0〇(^〇四1也^&，2010)，在参考臂中，采用四分之一波片取代人/8波片，由于角锥参考镜 反射前、后参考光存在横向位移，因此可使参考光只经过一次四分之一波片，改进后的方 案可获得较理想的圆偏振态参考光，但由于参考光的横向位移较小，四分之一波片如采用 波片架固定会遮挡相邻光束，因此实际通常是将四分之一波片贴于消偏振分光镜NBS的 表面，会导致调整困难。二是匈牙利的DdnielI等采用渥拉斯特棱镜取代了GPeter方 案中探测部分的偏 振分光镜PBS(D6nielI."Advancedsuccessivephaseunwrapping algorithmforquadratureoutputMichelsoninterferometers"?Measurement，2005， 37(2) :95-102.)，仅在一定程度上改善了探测部分的偏振泄漏问题。
[0009] 上述几种零差正交激光测振技术方案在探测部分均采用双通道探测技术，理想情 况下输出的是两路相位相差90°的正交光电信号，由于输出信号是直流信号，激光的功率 漂移及其它共模干扰因素会引起两路正交信号的直流偏置发生变化。根据信号处理的相位 解算公式"巾ztaday-IaVafl。)]，其中lJPIy为正交光电信号，I。为直流偏置"可 知，直流偏置变化会直接影响相位解算结果，从而引入非线性误差。在双通道探测技术方案 中，激光功率漂移是非线性误差的一个重要误差源。有学者提出新的四通道探测技术方案， 思路是通过偏振移相，获得四路相位分别为0°、90°、180°和270°的光电信号，使相位 相差180°的两个信号相减，可有效消除直流偏置及其他共模干扰因素引入的误差，提高系 统的抗干扰能力。
[0010] 探测部分作为零差正交激光测振仪光路的两大组成部分之一，其性能和精度对零 差正交激光测振仪的非线性误差大小和测量精度具有举足轻重的作用。针对现有各种可用 于零差正交激光测振的四通道探测技术方案，对各自的优缺点及产生非线性误差的原因 分述如下：
[0011] (1) 1995年，意大利学者Greco首次提出一种基于四分之一波片移相和偏振分 光镜PBS分光的四通道探测技术方案（GrecoV，MolesiniG，QuercioliF."Accurate polarizationinterferometer"?ReviewofScientificInstruments，1995,66 (7)： 3729-3734.)。该技术方案可用于零差正交激光测振仪的探测部分，如前级光路输出信号形 式为两个偏振方向正交的线偏振光，记为P光和S光，使二分之一波片的快轴方向与P光或 S光的偏振方向成22. 5°夹角，则P光、S光经过二分之一波片后变成偏振方向为45°方向 的两个正交线偏振光，再经消偏振分光镜NBS等比例分光，其中一路直接经偏振分光镜PBS 得到两路相位为0°和180°的干涉信号，另一路先经快轴为45°方向的的四分之一波片 变成圆偏振光，再经偏振分光镜PBS分光得到另外两路相位为90°和270°的干涉信号，最 终得到四路相位相差90°的干涉信号。该技术方案存在的不足之处在于：1)光学元件较 多，非线性误差来源较多；2)采用偏振分光镜PBS分光，存在偏振泄漏现象，导致非线性误 差显著。
[0012] (2)2001年，中国台湾学者Lee等提出基于空间旋转偏振分光镜PBS的四通道探 测技术方案（Lee，J.Y.Su，D.C."Centralfringeidentificationbyphasequadrature interferometrictechniqueandtunablelaser-diodeOpticsCommunications，2001， 198(4-6) :333-337)。该四通道探测技术方案在Greco提出的技术方案的基础上，通过将其 中一个偏振分光镜PBS空间旋转45°，使得光路减少了一个二分之一波片。但由于PBS不 可避免的分光误差，即无法将互相正交的偏振光完全分离，因此也存在较显著的偏振泄漏 现象，严重影响各路信号的输出质量。
[0013] (3) 1997年，美国学者Peter提出了一种基于渥拉斯特棱镜分光的四通道探测 技术方案（PeterG.''Homodyneinterferometricreceiverandcalibrationmethod havingimprovedaccuracyandfunctionality" ?USPatent:US5663793) 〇 该技术方案 可用于零差正交激光测振仪的探测部分，如前级光路输出两个正交偏振光，通过一种部分 偏振分光镜（PPBS)分成两束，一束直接经渥拉斯特棱镜分成两束然后被两个光电探测器 接收，另一束先经四分之一波片，再经渥拉斯特棱镜分成两束然后被两个光电探测器接收， 最终得到四路相位相差90°的干涉信号。该技术方案存在的不足之处在于：1)探测部分需 要额外的四分之一波片才能产生四路相位相差90°的光电信号；2)探测部分光路不对称， 易引入直流偏置、不等幅及非正交误差，从而引入非线性误差。
[0014] (4)2006年，上海理工大学的王力等提出在Peter的四通道探测技术方案的基础 上，将四分之一波片放在分光镜之前，再通过绕光束方向空间旋转其中一个渥拉斯特棱镜 45°实现四通道探测（王力，侯文玫."单频激光干涉仪四通道信号接收系统".计量学报， 2006,27(4) :313-316)。该技术方案的优点是光路对称性较好，解决了Peter提出的方案的 非正交误差问题，其存在的不足之处在于：1)探测部分需要额外的四分之一波片才能产生 四路相位相差90°的光电信号；2)采用的分光镜为普通分光镜BS，分光效果与入射到四通 道探测部分的光偏振态有关，且具有较大的附加相移。
[0015] (5)2015年，哈尔滨工业大学的胡鹏程等也提出了一种基于空间旋转渥拉斯特棱 镜的四通道探测技术方案（PengchengHu，et.al. "DC-offsethomodyneinterferometer anditsnonlinearitycompensation".OpticsExpress，2015, 23 (7) :8399_8408) 〇 该技 术方案中，如干涉部分输出两个偏振方向正交的线偏振光，记为P光和S光，经消偏振分光 镜NBS分成两束，一束直接经绕光束方向空间旋转45°的渥拉斯特棱镜分成两束，然后被 两个光电探测器接收，另一束先经光轴与一个线偏振光的偏振方向一致的四分之一波片， 再经另一绕光束方向空间旋转45°的渥拉斯特棱镜分成两束，然后被另两个光电探测器接 收。最终得到四路相位相差90°的干涉信号。该技术方案存在的不足之处在于：1)探测部 分需要额外的四分之一波片才能产生四路相位相差90°的光电信号；2)探测部分光路不 对称，易引入直流偏置、不等幅及非正交误差，从而引入非线性误差。
[0016] 综上，由于激光功率漂移、光学元器件不理想以及光学元件安装误差等因素，尤其 是偏振分光镜PBS和偏振片等光学器件的偏振泄漏以及波片器件的相位延迟误差，导致现 有零差正交激光测振仪技术方案在干涉部分和/或探测部分，受光路结构、原理及光学器 件本身特性不理想的限制，存在难以克服的非线性误差，非线性误差可达几nm甚至几十 nm，难以满足实时、高精度测量，尤其是下一代亚纳米甚至皮米级精度、以及纳米级振幅等 振动测量需求。因此，如何通过光路结构与原理上的创新，提供一种能从光路结构和原理上 抑制非线性误差的零差正交激光测振技术方案，意义十分重大。
【发明内容】
[0017] 本发明的目的是针对现有零差正交激光测振技术方案在光路结构和原理上存在 的非线性误差问题，提供一种无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特 棱镜分光式零差 激光测振仪，通过光路结构与原理的创新，采用较少的光学元件实现四通道零差正交激光 干涉测量，从原理上消除了各种非线性误差的来源，从光路结构与原理上获得抑制非线性 误差的显著特性，可有效解决现有技术方案中光路存在偏振泄露与偏振混叠、输出信号存 在直流偏置与非正交误差，测量结果非线性误差显著的问题。
[0018] 本发明的技术解决方案是：
[0019] 一种无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪，由 干涉部分和探测部分组成，所述干涉部分由激光器、第一四分之一波片、第一消偏振分光 镜、测量镜、第二四分之一波片和参考镜组成；激光器发出线偏振光，经第一四分之一波片 后变成圆偏振光，再经第一消偏振分光镜进行分光，反射光形成第一光束作为测量光，透射 光形成第二光束作为参考光；第一光束经测量镜反射后，再经第一消偏振分光镜透射形成 第三光束；第二光束经过第二四分之一波片后变成线偏振光，经参考镜反射后再次经过第 二四分之一波片变成圆偏振光，然后经第一消偏振分光镜反射形成第四光束；第三光束、第 四光束为光路重合、且偏振方向正交的圆偏振光；所述探测部分由第二消偏振分光镜、第一 渥拉斯特棱镜、第二渥拉斯特棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和 第四光电探测器组成；第三光束、第四光束经第二消偏振分光镜反射形成第五光束和透射 形成第六光束；第五光束经第一渥拉斯特棱镜分成第一 0光、第一e光，分别被第一光电探 测器、第二光电探测器接收；第六光束经第二渥拉斯特棱镜分成第二〇光、第二e光，分别被 第三光电探测器、第四光电探测器接收。
[0020] 所述激光器为稳频激光器。
[0021 ] 所述测量镜、参考镜为平面反射或角锥反射镜。
[0022] 本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
[0023] (1)本发明提出一种从原理上抑制非线性误差的四通道零差正交激光测振仪技术 方案。该技术方案光路简单，元器件少，减少了非线性误差产生的环节；利用渥拉斯特棱镜 双折射晶体自身的物理特性分光，可获得极高的消光比（可高于100000 : 1)，采用消偏振 分光镜NBS进行等比例分光，分光特性与入射光的偏振态无关，从而可从原理上抑制偏振 泄露与混叠；四通道探测部分无波片器件，具有高对称性，可有效抑制激光功率漂移、共模 干扰等因素引起的直流偏置和非正交误差，是能够抑制非线性误差的最优探测技术方案。 通过上述技术创新，有效解决了现有技术方案光路存在严重偏振泄露与偏振混叠，输出信 号存在直流偏置与非正交误差，测量结果非线性误差显著的问题。
[0024] (2)本发明通过旋转两个渥拉斯特棱镜和两个四分之一波片的安装角度，可补偿 光源不理想（椭圆极化等）、光学元件不理想（波片延迟误差、消偏振分光镜的附加相移 等）导致输出正交信号存在的直流偏置、非正交误差问题；同时消偏振分光镜NBS的分光 特性具有非常好的稳定性；获得的正交信号在进行振幅修正后，能获得中心在原点的理想 圆形式的李萨如图，非线性误差可低至皮米量级。解决了现有技术方案非线性误差大，修正 复杂困难，修正运算耗时，修正精度低的问题，能够满足下一代实时、亚纳米甚至皮米级精 度、纳米级振幅等振动测量需求。
[0025] (3)本发明干涉部分产生的是两路偏振方向相互正交的圆偏振测量光和参考光， 由于圆偏振光的特殊性，参考臂上的四分之一波片理想上其快轴可为任意角度；而探测部 分无需额外的四分之一波片或二分之一波片，只需调整渥拉斯特棱镜的安装角度，即可容 易获得四路相位相差90°的干涉信号，光路调整十分简便。解决了现有技术方案光路调整 不便，调整环节易引入误差的问题。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光的无非正交误差零差激 光测振仪的光路原理图的一个实施例；
[0027] 图2为第一渥拉斯特棱镜安装角度的一个实施例；
[0028] 图3为第二渥拉斯特棱镜安装角度的一个实施例；
[0029] 图中件号说明：1激光器、2第一四分之一波片、3第一消偏振分光镜、4测量镜、5 第二四分之一波片、6参考镜、7第一渥拉斯特棱镜、8第二渥拉斯特棱镜、9第一光电探测 器、10第二光电探测器、11第三光电探测器、12第四光电探测器、13干涉部分、14探测部分、 15第一光束、16第二光束、17第三光束、18第四光束、19第五光束、20第六光束、21第一 〇 光、22第一e光、23第二〇光、24第二e光、25第二消偏振分光镜。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明，并给出实施例。
[0031] 一种单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光的无非正交误差零差激光测振仪，由 干涉部分13和探测部分14组成，所述干涉部分13由激光器1、第一四分之一波片2、第一 消偏振分光镜3、测量镜4、第二四分之一波片5和参考镜6组成；激光器1发出线偏振光， 经第一四分之一波片2后变成圆偏振光，再经第一消偏振分光镜3进行分光，反射光形成第 一光束15作为测量光，透射光形成第二光束16作为参考光；第一光束经测量镜4反射后， 再经第一消偏振分光镜3透射形成第三光束17 ;第二光束16经过第二四分之一波片5后 变成线偏振光，经参考镜6反射后再次经过第二四分之一波片5变成圆偏振光，然后经第 一消偏振分光镜3反射形成第四光束18 ;第三光束17、第四光束18为光路重合、且偏振方 向正交的圆偏振光；所述探测部分14由第二消偏振分光镜25、第一渥拉斯特棱镜7、第二渥 拉斯特棱镜8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、第三光电探测器11和第四光电探测 器12组成；第三光束17、第四光束18经第二消偏振分光镜25反射形成第五光束19和透 射形成第六光束20 ;第五光束19经第一渥拉斯特棱镜7分成第一 〇光21、第一e光22,分 别被第一光电探测器9、第二光电探测器10接收；第六光束20经第二渥拉斯特棱镜8分成 第二〇光23、第二e光24,分别被第三光电探测器11、第四光电探测器12接收。
[0032] 所述激光器1为稳频激光器。
[0033] 所述测量镜4、参考镜6为平面反射或角锥反射镜。
[0034] 图1给为本发明的一个实施例。本实施例中，激光器1采用经过稳频的He-Ne激 光器，波长为632. 8nm，噪声<0. 05%rms，输出功率为lmW，偏振化为1000 : 1，在空间坐 标系xyz内，激光器1发出线偏振光，偏振方向为x轴，即为P光，因此其琼斯矢量表达式为
但具有一定极化角。第一四分之一波片2放置在xy平面内，其存在的相位延迟误差 为Jr/250,通过旋转第一四分之一波片2,理想情况下，当第一四分之一波片2快轴与x轴 成45°时，P光变成右旋偏振光。经第一消偏振分光镜3等比例分光，反射光形成作为测量 光的右旋偏振的第一光束15,透射光形成作为参考光的右旋偏振的第二光束16。根据反射 镜的琼斯矩阵表达式
?可得，反射光相对入射光沿y轴振动方向具有180°的相移， 因此在测量臂上，右旋偏振态的第一光束15经测量镜4反射后变成左旋偏振光，然后经第 一消偏振分光镜3透射形成第三光束1 7。在参考臂上，第二四分之一波片5放置在xy平面 内，第二光束16先经过第二四分之一波片变成线偏振光，经参考镜6反射后，再经第二四分 之一波片变成右旋偏振光，然后经第一消偏振分光镜3反射形成第四光束18。由于圆偏振 光的特殊性，第二四分之一波片5的快轴与x轴成任意角度，右旋偏振态的第二光束16折 返两次第二四分之一波片后仍为右旋偏振光。第三、四光束17、18为光路重合、且偏振方向 正交的圆偏振光。第三光束17和第四光束18在探测部分被第二消偏振分光镜25分光，反 射光第五光束19又被第一渥拉斯特棱镜7分成第一 〇光21和第一e光22,分别被第一、二 光电探测器9、10接收，透射光第六光束20又被第二渥拉斯特棱镜8分成第二〇光23和第 二e光24,分别被第一、二光电探测器11、12接收。消偏振分光镜并不能保证严格意义上的 按50 : 50分光，其透射率一般略大于反射率。
[0035] 本实施例中，光电探测器采用SiPIN类型的二象限光电探测器，光敏区大小为 10mmX10mm，灵敏度为0. 45A/W(A= 632. 8nm)，二象限光电探测器的两个象限分别作为第 一、二光电探测器9、10;同理，采用另一个二象限光电探测器的两个象限作为第三、四光电 探测器11、12。
[0036]理想情况下，第一、二、三、四光电探测器9、10、11、12接收的干涉信号Ei、E2、E3、E4 表达式为：
[0041] 其中分别为参考臂和测量臂的光程引入的相位变化。
[0042] 四路干涉信号的的光强表达式为：
[0043] 1:=E! ? E*= 1+cos(<i> r-jt- <i> m) = 1-cos (<i> r- <i>m)
[0044] I2=E2 ? E2*= 1+cos(<i> r-jt/4- <})m+it/4) = 1+cos(<i> r- <i>m)
[0045] (2)
[0046] I3=E3 ? E3*= 1+cos(<}) r+3jt/4- <}) m-jt/4) = 1-sin(<i> r- <i> m)
[0047] I4=E4 ? E4*= 1+cos(<i> r-3it/4- <i> m+it/4) = 1+sin(<i> r- <i> m)
[0048] 因此由第一、三、二、四光电探测器9、11、10、12接收到的干涉信号的相位相对关 系分别为 0°、90°、180° 和 270°。
[0049] 本实施例中，第一渥拉斯特棱镜7水平放置在xz平面内，通过调整第一四分之一 波片2和第二四分之一波片5的快轴与x轴的角度，以及绕x轴旋转第二渥拉斯特棱镜8 的空间角度，可使第一、三、二、四光电探测器9、11、10、12接收到的干涉信号的相位相对 关系分别为0°、90°、180°和270°，同时使第一、二光电探测器9、10接收到的干涉信号 的直流偏置相等、第三、四光电探测器11、12接收到的干涉信号的直流偏置相等。由于消偏 振分光镜25的透射率略微大于其反射率，因此第一、二光电探测器9、10接收到的干涉信号 的交流振幅略小于第三、四光电探测器11、12的交流振幅。因此，当第一、二光电探测器9、 10接收到的干涉信号相减、第三、四光电探测器11、12接收到的干涉信号相减后，可获得两 路无直流偏置、无正交误差的正交信号，在振幅修正后，最终得到两路正交信号的李萨如图 为一理想的中心在原点的标准圆。
[0050] 图2和图3为第一、二渥拉斯特棱镜安装角度的实施例。第五光束19垂直入射到 第一渥拉斯特棱镜7的第一块棱镜，第一块棱镜的光轴平行于x轴，由于第二块棱镜的光轴 相对于第一块棱镜转过了 90°，因此光束在第一块棱镜与第二块棱镜的截面处，〇光和e光 的传播方向发生了改变。第六光束20垂直入射到第二渥拉斯特棱镜8的第一块棱镜，本实 施例，理想上，第二渥拉斯特棱镜8绕x轴旋转了 45 °。
【主权项】
1. 一种无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪，由干 涉部分（13)和探测部分（14)组成，其特征在于：所述干涉部分（13)由激光器（1)、第一四 分之一波片（2)、第一消偏振分光镜（3)、测量镜（4)、第二四分之一波片（5)和参考镜（6) 组成；激光器（1)发出线偏振光，经第一四分之一波片（2)后变成圆偏振光，再经第一消偏 振分光镜（3)进行分光，反射光形成第一光束（15)作为测量光，透射光形成第二光束（16) 作为参考光；第一光束（15)经测量镜（4)反射后，再经第一消偏振分光镜（3)透射形成第 三光束（17);第二光束（16)经过第二四分之一波片（5)后变成线偏振光，经参考镜（6)反 射后再次经过第二四分之一波片（5)变成圆偏振光，然后经第一消偏振分光镜（3)反射形 成第四光束（18);第三光束（17)、第四光束（18)为光路重合、且偏振方向正交的圆偏振 光；所述探测部分（14)由第二消偏振分光镜（25)、第一渥拉斯特棱镜（7)、第二渥拉斯特 棱镜（8)、第一光电探测器（9)、第二光电探测器（10)、第三光电探测器（11)和第四光电探 测器（12)组成；第三光束（17)、第四光束（18)经第二消偏振分光镜（25)反射形成第五 光束（19)和透射形成第六光束（20);第五光束（19)经第一渥拉斯特棱镜（7)分成第一 〇 光（21)、第一e光（22)，分别被第一光电探测器（9)、第二光电探测器（10)接收；第六光束 (20)经第二渥拉斯特棱镜（8)分成第二〇光（23)、第二e光（24)，分别被第三光电探测器 (11)、第四光电探测器（12)接收。2. 根据权利要求1所述的无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零 差激光测振仪，其特征在于：所述激光器（1)为稳频激光器。3. 根据权利要求1所述的无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零 差激光测振仪，其特征在于：所述测量镜（4)、参考镜（6)为平面反射或角锥反射镜。
【专利摘要】无正交误差的单路圆偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪属于激光测振技术领域；干涉部分通过两个四分之一波片和消偏振分光镜NBS产生单路偏振方向正交、光路重合的圆偏振参考光和圆偏振测量光，探测部分参考光和测量光通过两个绕光束空间旋转角度成特定关系的渥拉斯特棱镜产生四路相位相差90°的光电信号，从而从光路结构与原理上获得抑制非线性误差的突出特性；本发明采用较少的光学元件实现四通道零差正交激光干涉测量，可有效解决现有技术方案中光路存在偏振泄露与偏振混叠，输出信号存在直流偏置误差与非正交误差，测量结果非线性误差显著等问题，在超精密振动测量领域具有显著的技术优势。
【IPC分类】G01H9/00
【公开号】CN104897273
【申请号】CN201510341655
【发明人】崔俊宁, 何张强, 谭久彬
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月12日
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