本發(fā)明屬于激光測(cè)振技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種附加相移補(bǔ)償?shù)母唪敯粜粤悴罴す鉁y(cè)振儀及四步調(diào)整法。

背景技術(shù)：

零差激光測(cè)振儀具有結(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)，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)研究與實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。零差激光測(cè)振儀多采用四通道零差正交激光測(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)位移、振動(dòng)的高精度測(cè)量。

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，消偏振分光鏡NBS存在附加相移，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，其中直流偏置誤差和不等幅誤差可采用實(shí)時(shí)補(bǔ)償算法消除，而非正交誤差難以采用實(shí)時(shí)補(bǔ)償算法消除。考慮零差激光測(cè)振儀的魯棒性，光學(xué)元件尤其是波片的旋轉(zhuǎn)輕微偏離指定角度不應(yīng)該產(chǎn)生顯著的測(cè)量誤差。誤差靈敏度是衡量零差激光測(cè)振儀魯棒性的重要指標(biāo)。波片的非正交誤差靈敏度，即波片旋轉(zhuǎn)輕微偏離指定角度對(duì)非正交誤差的影響程度，制約了非正交誤差的減小；波片的非正交誤差靈敏度越大，零差激光測(cè)振儀的非正交誤差越難以調(diào)整，其魯棒性越差。因此，如何通過(guò)光路結(jié)構(gòu)與原理上的創(chuàng)新，從原理上降低波片的非正交誤差靈敏度，是解決零差激光測(cè)振儀同時(shí)兼顧亞納米甚至皮米量級(jí)的非線性誤差、實(shí)時(shí)測(cè)量以及高魯棒性的問(wèn)題最有效的方法。

針對(duì)現(xiàn)有各種四通道零差正交激光測(cè)振測(cè)技術(shù)方案，對(duì)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及波片的非正交誤差靈敏度較大的原因分述如下：

(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分光的四通道零差正交激光測(cè)振測(cè)技術(shù)方案(Greco V，Molesini G，Quercioli F.”Accurate polarization interferometer”.Review of Scientific Instruments，1995，66(7)：3729-3734.)。該技術(shù)方案可用于零差正交激光測(cè)振儀的探測(cè)部分，如前級(jí)光路輸出信號(hào)形式為兩個(gè)偏振方向正交的線偏振光，記為P光和S光，使二分之一波片的快軸方向與P光或S光的偏振方向成22.5°夾角，則P光、S光經(jīng)過(guò)二分之一波片后變成偏振方向?yàn)?5°方向的兩個(gè)正交線偏振光，再經(jīng)消偏振分光鏡NBS等比例分光，其中一路直接經(jīng)偏振分光鏡PBS得到兩路相位為0°和180°的干涉信號(hào)，另一路先經(jīng)快軸為45°方向的的四分之一波片變成圓偏振光，再經(jīng)偏振分光鏡PBS分光得到另外兩路相位為90°和270°的干涉信號(hào)，最終得到四路相位相差90°的干涉信號(hào)。該方案受干涉部分、探測(cè)部分的偏振混疊以及探測(cè)部分的附加相移影響，探測(cè)部分二分之一波片的非正交誤差的旋轉(zhuǎn)靈敏度為1.5°/1°。

(2)2015年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的胡鵬程等也提出了一種基于空間旋轉(zhuǎn)渥拉斯特棱鏡的四通道零差正交激光測(cè)振測(cè)技術(shù)方案(Pengcheng Hu，et.al.“DC-offset homodyne interferometer and its nonlinearity compensation”.Optics Express，2015，23(7)：8399-8408)。該技術(shù)方案中，如干涉部分輸出兩個(gè)偏振方向正交的線偏振光，記為P光和S光，經(jīng)消偏振分光鏡NBS分成兩束，一束直接經(jīng)繞光束方向空間旋轉(zhuǎn)45°的渥拉斯特棱鏡分成兩束，然后被兩個(gè)光電探測(cè)器接收，另一束先經(jīng)光軸與一個(gè)線偏振光的偏振方向一致的四分之一波片，再經(jīng)另一繞光束方向空間旋轉(zhuǎn)45°的渥拉斯特棱鏡分成兩束，然后被另兩個(gè)光電探測(cè)器接收。最終得到四路相位相差90°的干涉信號(hào)。該方案同樣受干涉部分的偏振混疊和探測(cè)部分的附加相移影響，探測(cè)部分四分之一波片的非正交誤差旋轉(zhuǎn)靈敏度為2.7°/1°。

(3)2015年.哈爾濱工業(yè)大學(xué)的崔俊寧等提出了一系列基于消偏振分光鏡和渥拉斯特棱鏡分光的四通道零差正交激光測(cè)振測(cè)技術(shù)方案(1.崔俊寧，何張強(qiáng)，譚久彬.單路圓偏振干涉和單渥拉斯特棱鏡分光式零差激光測(cè)振儀，中國(guó)專利授權(quán)號(hào)：ZL201510340554.0；2.崔俊寧，何張強(qiáng)，譚久彬.雙路圓偏振干涉和單渥拉斯特棱鏡分光式零差激光測(cè)振儀，中國(guó)專利授權(quán)號(hào)：ZL201510341864.4；3.崔俊寧，何張強(qiáng)，久元激，姜宏蕾，譚久彬.單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，中國(guó)專利授權(quán)號(hào)：ZL 201510340370.4；4.崔俊寧，何張強(qiáng)，譚久彬.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，中國(guó)專利授權(quán)號(hào)：ZL201510340552.1)。這些技術(shù)方案中，干涉部分采用消偏振分光鏡分光，通過(guò)在測(cè)量臂和參考臂中引入一個(gè)四分之一波片，使干涉部分輸出兩個(gè)偏振方向正交的線偏振光或圓偏振光，探測(cè)部分采用消偏振分光鏡和渥拉斯特棱鏡分光，產(chǎn)生四路相位相差90°的干涉信號(hào)。這些技術(shù)方案從原理上消除了偏振混疊，但是消偏振分光鏡的附加相移使波片的非正交誤差靈敏度增加的問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決。

綜上，由于偏振分光鏡的偏振混疊和消偏振分光鏡的附加相移等因素，導(dǎo)致現(xiàn)有零差正交激光測(cè)振儀技術(shù)方案在干涉部分和探測(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，存在波片非正交誤差靈敏度較大的問(wèn)題，靈敏度高達(dá)2°/1°左右，從而導(dǎo)致非線性誤差很難調(diào)整到零，其值可達(dá)幾nm甚至幾十nm，難以滿足實(shí)時(shí)、高精度測(cè)量，尤其是下一代亞納米甚至皮米級(jí)精度、以及納米級(jí)振幅等振動(dòng)測(cè)量需求。因此，如何通過(guò)光路結(jié)構(gòu)與原理上的創(chuàng)新，提供一種能從光路結(jié)構(gòu)和原理上抑制非線性誤差以及降低波片非正交誤差靈敏度的零差正交激光測(cè)振技術(shù)方案，提高零差激光測(cè)振儀的魯棒性，意義十分重大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有零差正交激光測(cè)振技術(shù)方案在光路結(jié)構(gòu)和原理上存在的波片非正交誤差靈敏度較大的問(wèn)題，提供一種附加相移補(bǔ)償?shù)母唪敯粜粤悴罴す鉁y(cè)振儀及四步調(diào)整法，通過(guò)光路結(jié)構(gòu)與原理的創(chuàng)新，光路調(diào)整簡(jiǎn)單，使波片在指定安裝角度位置非正交誤差為零且波片的非正交誤差靈敏度為零，減少了光路的非線性誤差，提高了光路的魯棒性，可滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的需求。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種附加相移補(bǔ)償?shù)母唪敯粜粤悴罴す鉁y(cè)振儀，由干涉部分和探測(cè)部分組成，所述干涉部分由激光器、光隔離器、第一消偏振分光鏡、參考鏡、第一四分之一波片、二分之一波片和測(cè)量鏡組成；激光器發(fā)出線偏振光，經(jīng)光隔離器后被第一消偏振分光鏡分光，反射光作為參考光與第一四分之一波片、參考鏡形成參考臂，透射光作為測(cè)量光與二分之一波片、測(cè)量鏡形成測(cè)量臂，第一四分之一波片位于第一消偏振分光鏡和參考鏡之間，二分之一波片位于第一消偏振分光鏡和測(cè)量鏡之間；參考光經(jīng)第一消偏振分光鏡透射，測(cè)量光經(jīng)第一消偏振分光鏡反射，參考光與測(cè)量光合光形成干涉光；所述探測(cè)部分由第二消偏振分光鏡、第二四分之一波片，渥拉斯特棱鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器和第四光電探測(cè)器組成；干涉光經(jīng)第二消偏振分光鏡透射形成第一光束和反射形成第二光束；第一光束經(jīng)渥拉斯特棱鏡分成第一o光、第一e光，分別被第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器接收；第二光束先經(jīng)第二四分之一波片后，依次被第一反射鏡、第二反射鏡反射，再被渥拉斯特棱鏡分成第二o光、第二e光，分別被第三光電探測(cè)器、第四光電探測(cè)器接收；所述第一四分之一波片和二分之一波片具有一定的偏航角度。

一種附加相移補(bǔ)償?shù)母唪敯粜粤悴罴す鉁y(cè)振四步調(diào)整法，該方法包括以下步驟：

(1)光隔離器輸出光偏振方向與豎直方向夾角為45°，二分之一波片、第一四分之一波片和第二四分之一波片的快軸與豎直方向夾角分別為0°、0°和45°，激光垂直入射到二分之一波片、第一四分之一波片和第二四分之一波片；

(2)偏航第一四分之一波片，使第一光電探測(cè)器與第二光電探測(cè)器接收的信號(hào)的麗薩如圖為斜率為負(fù)數(shù)的直線；

(3)偏航二分之一波片，使非正交誤差最小；

(4)偏航第一四分之一波片，使第一光電探測(cè)器與第二光電探測(cè)器接收的信號(hào)的麗薩如圖為斜率為負(fù)數(shù)的直線。

所述激光器為穩(wěn)頻激光器。

所述參考鏡、測(cè)量鏡為平面反射或角錐反射鏡。

所述第一消偏振分光鏡、第二消偏振分光鏡分光比為50％∶50％。

本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新性及產(chǎn)生的良好效果在于：

(1)本發(fā)明提出一種從原理上可消除消偏振分光鏡附加相移的四通道零差正交激光測(cè)振儀技術(shù)方案。該方案采用消偏振分光鏡分光形成參考臂和測(cè)量臂，在參考臂和測(cè)量臂上分別引入四分之一波片和二分之一波片，通過(guò)改變波片的相位延遲補(bǔ)償消偏振分光鏡的附加相移，使干涉部分輸出的參考光和測(cè)量光為正交偏振光，理論上可使波片在指定安裝角度位置非正交誤差為零且波片的非正交誤差靈敏度為零，提高了光路的魯棒性。通過(guò)上述技術(shù)創(chuàng)新，可有效解決現(xiàn)有技術(shù)方案中光路由于偏振混疊和附加相移導(dǎo)致波片非正交誤差靈敏度較大的問(wèn)題。

(2)本發(fā)明提出一種簡(jiǎn)單快速的四步調(diào)整法。該方法根據(jù)四路干涉信號(hào)的麗薩如圖形狀以及非正交誤差值調(diào)整二分之一波片和四分之一波片的偏航角度，調(diào)整簡(jiǎn)單有效，能夠滿足波片的相位延遲消除消偏振分光鏡的附加相移的要求。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的附加相移補(bǔ)償?shù)母唪敯粜粤悴罴す鉁y(cè)振儀的光路原理圖的一個(gè)實(shí)施例；

圖2為波片相位延遲與偏航角度關(guān)系的分析結(jié)果；

圖3為波片偏航前后非正交誤差對(duì)波片旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系的一個(gè)實(shí)施例；

圖中件號(hào)說(shuō)明：1激光器、2光隔離器、3第一消偏振分光鏡、4參考鏡、5二分之一波片、6測(cè)量鏡、7渥拉斯特棱鏡、8第一反射鏡、9第一光電探測(cè)器、10第二光電探測(cè)器、11第三光電探測(cè)器、12第四光電探測(cè)器、13干涉部分、14探測(cè)部分、15參考光、16測(cè)量光、17干涉光、18第一光束、19第二光束、20第二消偏振分光鏡、21第一o光、22第一e光、23第二o光、24第二e光、25第一四分之一波片、26第二四分之一波片、27第二反射鏡。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并給出實(shí)施例。

一種附加相移補(bǔ)償?shù)母唪敯粜粤悴罴す鉁y(cè)振儀，由干涉部分13和探測(cè)部分14組成，所述干涉部分13由激光器1、光隔離器2、第一消偏振分光鏡3、參考鏡4、第一四分之一波片25、二分之一波片5和測(cè)量鏡6組成；激光器1發(fā)出線偏振光，經(jīng)光隔離器2后被第一消偏振分光鏡3分光，反射光作為參考光15與第一四分之一波片25、參考鏡4形成參考臂，透射光作為測(cè)量光16與二分之一波片5、測(cè)量鏡6形成測(cè)量臂，第一四分之一波片25位于第一消偏振分光鏡3和參考鏡4之間，二分之一波片5位于第一消偏振分光鏡3和測(cè)量鏡6之間；參考光15經(jīng)第一消偏振分光鏡3透射，測(cè)量光16經(jīng)第一消偏振分光鏡3反射，參考光15與測(cè)量光16合光形成干涉光17；所述探測(cè)部分14由第二消偏振分光鏡20、第二四分之一波片26，渥拉斯特棱鏡7、第一反射鏡8、第二反射鏡27、第一光電探測(cè)器9、第二光電探測(cè)器10、第三光電探測(cè)器11和第四光電探測(cè)器12組成；干涉光17經(jīng)第二消偏振分光鏡20透射形成第一光束18和反射形成第二光束19；第一光束18經(jīng)渥拉斯特棱鏡7分成第一o光21、第一e光22，分別被第一光電探測(cè)器9、第二光電探測(cè)器10接收；第二光束19先經(jīng)第二四分之一波片26后，依次被第一反射鏡8、第二反射鏡27反射，再被渥拉斯特棱鏡7分成第二o光23、第二e光24，分別被第三光電探測(cè)器11、第四光電探測(cè)器12接收；所述第一四分之一波片25和二分之一波片5具有一定的偏航角度。

一種附加相移補(bǔ)償?shù)母唪敯粜粤悴罴す鉁y(cè)振四步調(diào)整法，其特征在于該方法包括以下步驟：

(1)光隔離器2輸出光偏振方向與豎直方向夾角為45°，二分之一波片5、第一四分之一波片25和第二四分之一波片26的快軸與豎直方向夾角分別為0°、0°和45°，激光垂直入射到二分之一波片5、第一四分之一波片25和第二四分之一波片26；

(2)偏航第一四分之一波片25，使第一光電探測(cè)器9與第二光電探測(cè)器10接收的信號(hào)的麗薩如圖為斜率為負(fù)數(shù)的直線；

(3)偏航二分之一波片5，使非正交誤差最??；

(4)偏航第一四分之一波片25，使第一光電探測(cè)器9與第二光電探測(cè)器10接收的信號(hào)的麗薩如圖為斜率為負(fù)數(shù)的直線。

所述激光器1為穩(wěn)頻激光器。

所述參考鏡4、測(cè)量鏡6為平面反射或角錐反射鏡。

所述第一消偏振分光鏡3、第二消偏振分光鏡20分光比為50％∶50％。

下面結(jié)合圖1給出為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。本實(shí)施例中，激光器1采用經(jīng)過(guò)穩(wěn)頻的He-Ne激光器，波長(zhǎng)為632.8nm，噪聲＜0.05％rms，輸出功率為1mW，偏振化為1000∶1，在空間坐標(biāo)系xyz內(nèi)，激光器1發(fā)出線偏振光，偏振方向沿x軸，即為P光。光束經(jīng)光隔離器2后變成45°線偏振光。經(jīng)第一消偏振分光鏡3等比例分光，在參考臂上，第一四分之一波片25放置在yz平面內(nèi)，其快軸與y軸夾角為0，在測(cè)量臂上，二分之一波片5放置在xy平面內(nèi)，理論上其快軸可與y軸成任意角度，在本實(shí)施例中，其夾角為0。參考光15經(jīng)消偏振分光鏡3一次反射和一次透射，測(cè)量光16經(jīng)消偏振分光鏡3一次透射和一次反射，參考光15和測(cè)量光16合成后形成干涉光17。干涉光17在探測(cè)部分14被第二消偏振分光鏡20分成兩束光，一束直接被渥拉斯特棱鏡7分成第一o光21和第一e光22，分別被第一、二光電探測(cè)器9、10接收，另一束先經(jīng)快軸與y軸方向成45°的第二四分之一波片26移相后，再依次被第一、二反射鏡8、27反射，再被渥拉斯特棱鏡7分成第二o光23和第二e光24，分別被第一、二光電探測(cè)器11、12接收。

本實(shí)施例中，光電探測(cè)器采用Si PIN類型的二象限光電探測(cè)器，光敏區(qū)大小為10mm×10mm，靈敏度為0.45A/W(λ＝632.8nm)，二象限光電探測(cè)器的兩個(gè)象限分別作為第一、二光電探測(cè)器9、10；同理，采用另一個(gè)二象限光電探測(cè)器的兩個(gè)象限作為第三、四光電探測(cè)器11、12。

本實(shí)施例中，消偏振分光鏡從四個(gè)面(A面～D面)分別入射時(shí)，透射相移分別為5.4°、10.4°、6.5°和12.4°，反射相移分別為132.7°、134.5°、158.3°和159.7度。當(dāng)二分之一波片的相位延遲為199°以及第一四分之一波片的相位延遲為119.2°時(shí)，可補(bǔ)償消偏振分光鏡的附加相移。

圖2為波片相位延遲與偏航角度關(guān)系的分析結(jié)果。圖2(a)為零級(jí)四分之一石英波片相位延遲曲線，圖2(b)為零級(jí)二分之一石英波片相位延遲曲線。理想情況下，當(dāng)光束垂直入射到波片，即偏航角度為0時(shí)，四分之一波片、二分之一波片的相位延遲分別為90°、180°。當(dāng)二分之一波片的偏航角度為3.5°時(shí)，相位延遲為199°，四分之一波片偏航角度為4.4°時(shí)，相位延遲為119.2°。通過(guò)微小的偏航角度，可滿足波片相位延遲改變的需求。

圖3為波片偏航前后非正交誤差對(duì)波片旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系的一個(gè)實(shí)施例。波片偏航前，非正交誤差對(duì)第一四分之一波片25旋轉(zhuǎn)的靈敏度高達(dá)1.4°/1°。偏航后，在二分之一波片5、第一四分之一波片25、第二四分之一波片26的指定安裝角度為0°、0°和45°處，波片的非正交誤差靈敏度均為0。通過(guò)偏航波片的方法，該零差激光測(cè)振儀的魯棒性得到極大的提高。