附加相移补偿的高鲁棒性零差激光测振仪及四步调整法的制作方法

本发明属于激光测振技术领域，主要涉及一种附加相移补偿的高鲁棒性零差激光测振仪及四步调整法。

背景技术：

零差激光测振仪具有结构简单、测量精度高、动态范围宽，非线性易于补偿等优点，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、科学研究与实验等领域。零差激光测振仪多采用四通道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，实现位移、振动的高精度测量。

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，消偏振分光镜NBS存在附加相移，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，其中直流偏置误差和不等幅误差可采用实时补偿算法消除，而非正交误差难以采用实时补偿算法消除。考虑零差激光测振仪的鲁棒性，光学元件尤其是波片的旋转轻微偏离指定角度不应该产生显著的测量误差。误差灵敏度是衡量零差激光测振仪鲁棒性的重要指标。波片的非正交误差灵敏度，即波片旋转轻微偏离指定角度对非正交误差的影响程度，制约了非正交误差的减小；波片的非正交误差灵敏度越大，零差激光测振仪的非正交误差越难以调整，其鲁棒性越差。因此，如何通过光路结构与原理上的创新，从原理上降低波片的非正交误差灵敏度，是解决零差激光测振仪同时兼顾亚纳米甚至皮米量级的非线性误差、实时测量以及高鲁棒性的问题最有效的方法。

针对现有各种四通道零差正交激光测振测技术方案，对其各自的优缺点以及波片的非正交误差灵敏度较大的原因分述如下：

(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分光的四通道零差正交激光测振测技术方案(Greco V，Molesini G，Quercioli F.”Accurate polarization interferometer”.Review of Scientific Instruments，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。该方案受干涉部分、探测部分的偏振混叠以及探测部分的附加相移影响，探测部分二分之一波片的非正交误差的旋转灵敏度为1.5°/1°。

(2)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零差正交激光测振测技术方案(Pengcheng Hu，et.al.“DC-offset homodyne interferometer and its nonlinearity compensation”.Optics Express，2015，23(7)：8399-8408)。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。该方案同样受干涉部分的偏振混叠和探测部分的附加相移影响，探测部分四分之一波片的非正交误差旋转灵敏度为2.7°/1°。

(3)2015年.哈尔滨工业大学的崔俊宁等提出了一系列基于消偏振分光镜和渥拉斯特棱镜分光的四通道零差正交激光测振测技术方案(1.崔俊宁，何张强，谭久彬.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，中国专利授权号：ZL201510340554.0；2.崔俊宁，何张强，谭久彬.双路圆偏振干涉和单渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪，中国专利授权号：ZL201510341864.4；3.崔俊宁，何张强，久元激，姜宏蕾，谭久彬.单路线偏振干涉和单渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪，中国专利授权号：ZL 201510340370.4；4.崔俊宁，何张强，谭久彬.双路线偏振干涉和单渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪，中国专利授权号：ZL201510340552.1)。这些技术方案中，干涉部分采用消偏振分光镜分光，通过在测量臂和参考臂中引入一个四分之一波片，使干涉部分输出两个偏振方向正交的线偏振光或圆偏振光，探测部分采用消偏振分光镜和渥拉斯特棱镜分光，产生四路相位相差90°的干涉信号。这些技术方案从原理上消除了偏振混叠，但是消偏振分光镜的附加相移使波片的非正交误差灵敏度增加的问题没有得到有效解决。

综上，由于偏振分光镜的偏振混叠和消偏振分光镜的附加相移等因素，导致现有零差正交激光测振仪技术方案在干涉部分和探测部分，受光路结构、原理及光学器件本身特性不理想的限制，存在波片非正交误差灵敏度较大的问题，灵敏度高达2°/1°左右，从而导致非线性误差很难调整到零，其值可达几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以及降低波片非正交误差灵敏度的零差正交激光测振技术方案，提高零差激光测振仪的鲁棒性，意义十分重大。

技术实现要素：

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波片非正交误差灵敏度较大的问题，提供一种附加相移补偿的高鲁棒性零差激光测振仪及四步调整法，通过光路结构与原理的创新，光路调整简单，使波片在指定安装角度位置非正交误差为零且波片的非正交误差灵敏度为零，减少了光路的非线性误差，提高了光路的鲁棒性，可满足实时测量的需求。

本发明的技术解决方案是：

一种附加相移补偿的高鲁棒性零差激光测振仪，由干涉部分和探测部分组成，所述干涉部分由激光器、光隔离器、第一消偏振分光镜、参考镜、第一四分之一波片、二分之一波片和测量镜组成；激光器发出线偏振光，经光隔离器后被第一消偏振分光镜分光，反射光作为参考光与第一四分之一波片、参考镜形成参考臂，透射光作为测量光与二分之一波片、测量镜形成测量臂，第一四分之一波片位于第一消偏振分光镜和参考镜之间，二分之一波片位于第一消偏振分光镜和测量镜之间；参考光经第一消偏振分光镜透射，测量光经第一消偏振分光镜反射，参考光与测量光合光形成干涉光；所述探测部分由第二消偏振分光镜、第二四分之一波片，渥拉斯特棱镜、第一反射镜、第二反射镜、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；干涉光经第二消偏振分光镜透射形成第一光束和反射形成第二光束；第一光束经渥拉斯特棱镜分成第一o光、第一e光，分别被第一光电探测器、第二光电探测器接收；第二光束先经第二四分之一波片后，依次被第一反射镜、第二反射镜反射，再被渥拉斯特棱镜分成第二o光、第二e光，分别被第三光电探测器、第四光电探测器接收；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。

一种附加相移补偿的高鲁棒性零差激光测振四步调整法，该方法包括以下步骤：

(1)光隔离器输出光偏振方向与竖直方向夹角为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轴与竖直方向夹角分别为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，使第一光电探测器与第二光电探测器接收的信号的丽萨如图为斜率为负数的直线；

(3)偏航二分之一波片，使非正交误差最小；

(4)偏航第一四分之一波片，使第一光电探测器与第二光电探测器接收的信号的丽萨如图为斜率为负数的直线。

所述激光器为稳频激光器。

所述参考镜、测量镜为平面反射或角锥反射镜。

所述第一消偏振分光镜、第二消偏振分光镜分光比为50％∶50％。

本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：

(1)本发明提出一种从原理上可消除消偏振分光镜附加相移的四通道零差正交激光测振仪技术方案。该方案采用消偏振分光镜分光形成参考臂和测量臂，在参考臂和测量臂上分别引入四分之一波片和二分之一波片，通过改变波片的相位延迟补偿消偏振分光镜的附加相移，使干涉部分输出的参考光和测量光为正交偏振光，理论上可使波片在指定安装角度位置非正交误差为零且波片的非正交误差灵敏度为零，提高了光路的鲁棒性。通过上述技术创新，可有效解决现有技术方案中光路由于偏振混叠和附加相移导致波片非正交误差灵敏度较大的问题。

(2)本发明提出一种简单快速的四步调整法。该方法根据四路干涉信号的丽萨如图形状以及非正交误差值调整二分之一波片和四分之一波片的偏航角度，调整简单有效，能够满足波片的相位延迟消除消偏振分光镜的附加相移的要求。

附图说明

图1为本发明的附加相移补偿的高鲁棒性零差激光测振仪的光路原理图的一个实施例；

图2为波片相位延迟与偏航角度关系的分析结果；

图3为波片偏航前后非正交误差对波片旋转角度关系的一个实施例；

图中件号说明：1激光器、2光隔离器、3第一消偏振分光镜、4参考镜、5二分之一波片、6测量镜、7渥拉斯特棱镜、8第一反射镜、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、15参考光、16测量光、17干涉光、18第一光束、19第二光束、20第二消偏振分光镜、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第二反射镜。

具体实施方式

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。

一种附加相移补偿的高鲁棒性零差激光测振仪，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、光隔离器2、第一消偏振分光镜3、参考镜4、第一四分之一波片25、二分之一波片5和测量镜6组成；激光器1发出线偏振光，经光隔离器2后被第一消偏振分光镜3分光，反射光作为参考光15与第一四分之一波片25、参考镜4形成参考臂，透射光作为测量光16与二分之一波片5、测量镜6形成测量臂，第一四分之一波片25位于第一消偏振分光镜3和参考镜4之间，二分之一波片5位于第一消偏振分光镜3和测量镜6之间；参考光15经第一消偏振分光镜3透射，测量光16经第一消偏振分光镜3反射，参考光15与测量光16合光形成干涉光17；所述探测部分14由第二消偏振分光镜20、第二四分之一波片26，渥拉斯特棱镜7、第一反射镜8、第二反射镜27、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；干涉光17经第二消偏振分光镜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经渥拉斯特棱镜7分成第一o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；第二光束19先经第二四分之一波片26后，依次被第一反射镜8、第二反射镜27反射，再被渥拉斯特棱镜7分成第二o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；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。

一种附加相移补偿的高鲁棒性零差激光测振四步调整法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)光隔离器2输出光偏振方向与竖直方向夹角为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的快轴与竖直方向夹角分别为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，使第一光电探测器9与第二光电探测器10接收的信号的丽萨如图为斜率为负数的直线；

(3)偏航二分之一波片5，使非正交误差最小；

(4)偏航第一四分之一波片25，使第一光电探测器9与第二光电探测器10接收的信号的丽萨如图为斜率为负数的直线。

所述激光器1为稳频激光器。

所述参考镜4、测量镜6为平面反射或角锥反射镜。

所述第一消偏振分光镜3、第二消偏振分光镜20分光比为50％∶50％。

下面结合图1给出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1mW，偏振化为1000∶1，在空间坐标系xyz内，激光器1发出线偏振光，偏振方向沿x轴，即为P光。光束经光隔离器2后变成45°线偏振光。经第一消偏振分光镜3等比例分光，在参考臂上，第一四分之一波片25放置在yz平面内，其快轴与y轴夹角为0，在测量臂上，二分之一波片5放置在xy平面内，理论上其快轴可与y轴成任意角度，在本实施例中，其夹角为0。参考光15经消偏振分光镜3一次反射和一次透射，测量光16经消偏振分光镜3一次透射和一次反射，参考光15和测量光16合成后形成干涉光17。干涉光17在探测部分14被第二消偏振分光镜20分成两束光，一束直接被渥拉斯特棱镜7分成第一o光21和第一e光22，分别被第一、二光电探测器9、10接收，另一束先经快轴与y轴方向成45°的第二四分之一波片26移相后，再依次被第一、二反射镜8、27反射，再被渥拉斯特棱镜7分成第二o光23和第二e光24，分别被第一、二光电探测器11、12接收。

本实施例中，光电探测器采用Si PIN类型的二象限光电探测器，光敏区大小为10mm×10mm，灵敏度为0.45A/W(λ＝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。

本实施例中，消偏振分光镜从四个面(A面～D面)分别入射时，透射相移分别为5.4°、10.4°、6.5°和12.4°，反射相移分别为132.7°、134.5°、158.3°和159.7度。当二分之一波片的相位延迟为199°以及第一四分之一波片的相位延迟为119.2°时，可补偿消偏振分光镜的附加相移。

图2为波片相位延迟与偏航角度关系的分析结果。图2(a)为零级四分之一石英波片相位延迟曲线，图2(b)为零级二分之一石英波片相位延迟曲线。理想情况下，当光束垂直入射到波片，即偏航角度为0时，四分之一波片、二分之一波片的相位延迟分别为90°、180°。当二分之一波片的偏航角度为3.5°时，相位延迟为199°，四分之一波片偏航角度为4.4°时，相位延迟为119.2°。通过微小的偏航角度，可满足波片相位延迟改变的需求。

图3为波片偏航前后非正交误差对波片旋转角度关系的一个实施例。波片偏航前，非正交误差对第一四分之一波片25旋转的灵敏度高达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的指定安装角度为0°、0°和45°处，波片的非正交误差灵敏度均为0。通过偏航波片的方法，该零差激光测振仪的鲁棒性得到极大的提高。