抗偏振混叠的单路圆偏振干涉和单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] 本发明属于激光干涉测量领域，主要涉及一种抗偏振混叠的单路圆偏振干涉和单 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 for the calibration of vibration and shock transducers-Part 41 Calibration of laser vibrometers".）。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G Peter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.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.)。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Jeongho Ahn等在G Peter方 案光路的基础上，采用角锥棱镜取代G Peter方案中的平面参考镜和测量镜（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Dciniel I等采用渥拉斯特棱镜取代了 G Peter方 案中探测部分的偏振分光镜 PBS(D<iniel I. "Advanced successive phase unwrapping algorithm for quadrature output Michelson interferometers"· 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=七&1^[(1厂1。)八1!￡-1。)]，其中1!￡和1为正交光电信号，1 (|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，Quercioli F. "Accurate polarization interferometer" · Review of Scientific Instruments，1995,66(7)：