一种光路自耦合方法及偏振干涉装置及偏振干涉匹配方法与流程

本发明属于光学领域，涉及一种干涉装置及匹配方法，特别是一种光路自耦合方法及偏振干涉装置及偏振干涉匹配方法

背景技术：

经典迈克尔逊干涉仪已广泛应用于傅里叶变换光谱仪领域。由于采用了双支路干涉结构，导致迈克尔逊干涉仪对外界振动极为敏感。特别是在近红外波段由于波长更短，对动反射镜倾斜更为敏感。为此，各种针对经典迈克尔逊干涉仪的改进形式陆续提出，虽然不同程度地提高了干涉仪的稳定性，但本质上没有改变双支路干涉的基本格局。针对双支路干涉的缺点，共光路偏振干涉仪被陆续提出，该类型干涉仪基于偏振干涉原理采用机械补偿式相位补偿器，以格兰-汤普逊棱镜为起偏和检偏元件，参与干涉的光束共光路，具有优良的抗干扰能力，在光谱分析中具有广阔的应用前景。对于傅里叶变换光谱应用，宽光谱主信号光的干涉曲线采集必须满足等光程差原理，为此必须借助He-Ne激光稳定、可靠的干涉曲线作为基准进行辅助采集。

主信号光路与参考光的耦合采用分光镜来实现，例如CN203758617U所公开的“一种近红外偏振干涉仪”将冷光镜用在光谱仪光路中实现了He-Ne激光与近红外光的合束与分束。该方法的问题首先在于冷光镜的后表面对入射光存在二次反射，容易产生杂散光，降低系统信噪比；其次，增加了两片分光镜及其调节结构的使用，提高了研制成本；最后，光束经冷光镜透射后会引起横向偏离，从而引入装配误差。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出一种无需分光镜而实现光路自耦合的方法。同时，为了提高干涉条纹调制度，提出一种起偏器和检偏器的同步匹配方法。

本发明所采用的技术方案是：一种光路自耦合方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】首先，以离轴抛物面镜的圆柱对称中心为系统光轴；所述离轴抛物面镜在光轴上开有贯穿孔且孔径不大于He-Ne激光光束；

2】其次，在离轴抛物面镜的焦平面上设置宽光谱点光源；

3】最后，He-Ne激光器的激光光束中心与离轴抛物面反射镜中心孔中心重合。

一种光路自耦合的偏振干涉装置，其特殊之处在于：建立直角坐标系，垂直纸面为Y轴，平行于纸面为X轴，光的传播方向为Z轴；该装置包括沿光的传播方向依次设置有He‐Ne激光器、第一离轴抛物面镜、起偏器、补偿晶体、固定晶体光楔、扫描晶体光楔、检偏器、第二离轴抛物面镜、滤光片和探测器；上述离轴抛物面镜的焦平面上还设置宽光谱点光源；

上述宽光谱光源为近红外或者红外光源；

上述探测器为单点探测器；

上述滤光片为窄带或带通滤光片；

上述第一离轴抛物面镜与第二离轴抛物面镜相对于固定晶体光楔对称放置；

上述离轴抛物面镜表面镀有反射膜且对称中心位置设置有通孔，一部分光源沿通孔穿过离轴抛物面镜；另一部分光源被镀有反射膜反射的离轴抛物面镜反射并被准直；

上述补偿晶体与固定晶体光楔的晶体光轴垂直，并通过环氧树脂胶粘合；

上述起偏器和检偏器的透光轴垂直，且起偏器与X轴成45°；

上述起偏器和检偏器垂直后，以相同角度量同步调节起偏器与检偏器；

上述起偏器和检偏器为格兰-汤姆逊棱镜或李谱奇棱镜或格兰付科棱镜。

上述滤；片为632.8nm窄带滤光片或近红外带通滤光片或红外带通滤光片；

上述探测器为硅探测器或近红外探测器或红外探测器；

上述补偿晶体光轴与X轴平行；

上述固定晶体光楔的光轴与补偿晶体垂直。

基于权利要求2所述的一种光路自耦合的偏振干涉装置的匹配方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】采用单色光调节起偏器和检偏器,使起偏器和检偏器的透光轴保持垂直；

2】将起偏器和检偏器放置在具有刻度的调节镜架上，每当起偏器旋转1°角度时记下旋转量；

3】按相同的角度量和方向旋转检偏器，直到起偏器透光轴起偏器与X轴成45°。

本发明的优点是：本发明利用离轴抛物面镜的中心开孔实现光路自耦合。光路的合成和分束无需分光镜，避免了分光镜的二次反射，减少了杂光，提高了系统的信噪比；简化了光路结构，降低了系统装调的难度，降低了系统的成本；光束不会产生横向偏移。此外，基于理论分析，提出起偏器和检偏器光轴的同步匹配方法，提高了光通量和干涉信号的调制度。

附图说明

图1为光路自耦合的偏振干涉装置光路图；

图2为偏振器件坐标关系图；

图3为起(检)偏器角度失调对调制度影响。

其中：1-He-Ne激光器，2-离轴抛物面镜，3-宽光谱点光源，4-起偏器(P1)，5-补偿晶体，6-固定晶体光楔，7-扫描晶体光楔，8-检偏器(P2)，9-离轴抛物面反射镜，10-带通滤光片，11-宽光谱探测器，12-窄带滤光片，13-单色光电探测器。

具体实施方式

下面我们结合图1至图3对本发明进行详细说明；

一种光路自耦合偏振干涉仪，沿光路方向依次:He-Ne激光器1和宽光谱点光源3，离轴抛物面镜2，起偏器4，补偿晶体5，固定晶体光楔6，扫描晶体光楔7，检偏器8，离轴抛物面镜9，带通滤光片10，宽光谱探测器11，窄带滤光片12，单色光探测器13。

附图1对直角坐标系进行了定义。垂直纸面为Y轴，平行于纸面为X轴，光的传播方向为Z轴。令补偿晶体5光轴与X轴平行，固定晶体光楔6，扫描晶体光楔7。如图2，起偏器和X轴之间的夹角为α，检偏器和X轴的夹轴为β。

离轴抛物面镜2是实现光路自耦合的关键所在，其特征是离轴抛物面镜的圆柱对称中心为系统光轴，在其光轴上开有贯穿孔，孔径不大于He-Ne激光光束。

主信号为宽光谱点光源3，可由星点孔或光纤耦合光源实现。点光源光束从点发出后将以锥形向外扩散，其位置位于离轴抛物面镜2的焦平面上，入射后将以平行光出射，出射光轴与离轴抛物面镜2光轴重合。

He-Ne激光器的激光光束中心与离轴抛物面反射镜中心孔中心重合，由此实现了He-Ne激光与主信号光的合成。合成光束沿同一光路向前传播，经起偏器4转换为线偏振光，偏振方向与起偏器光轴一致。起偏器4的光轴与X轴夹角为α。

补偿晶体5将线偏振光分解成两束振动方向相互垂直且具有一定相位差的o光和e光。固定晶体光楔6的光轴与补偿晶体5垂直，且用光敏胶胶合为一体，经补偿晶体5后产生的o光和e光经固定晶体光楔6后分别变为e光和o光。扫描晶体光楔7的光轴、材料和光楔角与固定晶体光楔6一致，斜边与固定晶体光楔6的斜边平行。工作时，扫描晶体光楔7可借助电控位移平台没其斜边做一维运动，从而改变固定晶体光楔和6扫描晶体光楔7沿光轴方向的总厚度，从而连续改变o光与e光光程差。

主信号干涉光由离轴抛物面镜9会聚，之后通过带通滤光片10，该滤光片为平面玻璃，可让主信号光透过He-Ne激光隔离，最终由宽光谱探测器11接收并将光信号转换为电信号，得到明暗起伏的干涉曲线。离轴抛物面镜9与离轴抛物面镜2规格一致且对称放置，He-Ne干涉光透过离轴抛物面镜9的中心孔，由窄带滤光片12隔离杂光影响，最后由硅光电探测器13检测，随着扫描晶体光楔7的扫描，按时间序列得到是一正正弦波形，每到零点时则触发数据采集卡采集宽光谱探测器11上所产生的电信号，并将扫描过程中的时间波形传输到计算中，由计算机对波形进行傅里叶变换，从而得到光谱图样。

检偏器8与起偏器4规格相同，光轴方向X轴夹角为β。经过相位差补偿后的o光和e光，只有与起偏器4光轴一致的分量才能透过，之后两分量满足干涉条件可以产生干涉。

干涉图的调制度是影响光谱失真程度的重要参数，其定义为

$M=\left|\frac{I_{max}-I_{min}}{I_{\max }+I_{\min }}\right|$

I_max为干涉光的最大光强度，I_min为干涉光的最小光强度时，M＝0，此时无法得到干涉信号；

M有极大值M＝1，此时可得到完全无失真的干涉图。根据上式，随着光程差的变化，干涉信号的光强度也随之产生明暗变化，其最大值和最小值分别为

I_max＝a²cos²(α-β)

I_min＝a²cos²(α-β)-a²sin2αsin2β

根据调制度的定义得到

$M=\left|\frac{sin2\mathrm{\α}sin2\mathrm{\β}}{2{\cos }^2(\mathrm{\α}-\mathrm{\β})-sin2\mathrm{\α}sin2\mathrm{\β}}\right|$

由此可知，调制度主要与起偏器和检偏器的相对摆放角度有关。令α＝45°、β＝135°，即起偏器和检偏器垂直，代入到上式后得到M＝1。根据计算可知，当起偏器4和检偏器8垂直时可获得最大的调制度，更有利于光谱信号的复原。事实上，在装调过程中无法完全将起偏器4和检偏器8的透光轴调整到理论位置，因此调制度也无法达到理论值。假设α＝45°、β＝135°时，实际角度误差分别为Δα₂和Δβ₂，则实际角度

α₂'＝45°+Δα₂

β₂'＝135°+Δβ₂

包含装调误差后的调制度

${M_1}^{\′}=\left|\frac{sin2{{\mathrm{\α}}_2}^{\′}sin2{{\mathrm{\β}}_2}^{\′}}{2{\cos }^2({{\mathrm{\α}}_2}^{\′}-{{\mathrm{\β}}_2}^{\′})-sin2{{\mathrm{\α}}_2}^{\′}sin2{{\mathrm{\β}}_2}^{\′}}\right|$

将实际角度代入得到

假设Δα₂＝Δβ₂，即起偏器和检偏器沿同方向旋转了一定的角度,此时解得M₂'＝1；假设Δα≠Δβ，令Δα＝3°，Δβ＝6°，经计算得到M₂'＝0.994。进一步假设Δα和Δβ的变化范围分别为0～10°，绘制了角度失调对调制度的影响曲面，如图3。从图中可知，若Δα、Δβ变化一致，对调制度不仅没有影响，而且始终为1。当变化不一致时，调制度最低将降至0.94左右。

综上所述，取α＝45°、β＝135°，即起偏器和检偏器垂直摆放时具有最大的调制度，同时对角度失调具有很强的容限能力。特别地，当起偏器和检偏器的失调量相同时，不仅不会降低调制度，而且始终保持最大值。利用这一点，可以用于确保干涉条纹的调制度达到最大值。其方法如下：

首先，采用单色光的消光效应来调节起偏器4和检偏器8垂直；其次，起偏器4和检偏器8放置在具有刻度的调节镜架上，当起偏器4旋转一定角度时记下旋转量，此时按相同的角度量和方向旋转检偏器，直到起偏器透光轴起偏器与X轴成45°，此时可以实现干涉条纹调度度的最大化。