基于菌紫质薄膜的相移器及其应用

杨晨晓，韩俊鹤，姚保利，李若平，黄明举

（1.河南大学 物理与电子学院，河南 开封475004；2.中国科学院 西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安710119）

引言

相移干涉计量最早由Bruning等提出［1］，他把通信中的同步相位探测技术引入光学干涉计量中，是光学干涉计量技术的一个重大发展。相移干涉计量的基本原理是在干涉仪的物光和参考光之间引入有序的相移（相位差），从而形成一系列干涉图样。同时，用电荷耦合器件（CCD）对干涉图进行采样，把光强分布图样转化为数字信号，存储到计算机内，并由计算机按照一定的数学模型对干涉图样进行重建，求出待测物体的相位分布。由于相移干涉计量是基于光学相减原理，因此能够很好地抑制背景噪声，提高再现像的信噪比。经过近40年的发展，相移干涉测量已经成为干涉计量中一种重要的方法，并被广泛应用于物体表面形变的测量［2－3］、薄膜的厚度测量［4］、复合材料的无损检测［5］、医学细胞分析［6］、光学元件缺陷的检测［7］和振动分析［8］等领域。与其他测量技术相比，相移干涉测量具有一些明显的优点［9－11］，如：测量速度快、精度高、再现像的质量不受干涉条纹的空间位置、形状和强度分布等因素影响等。

在相移干涉计量中，常采用压电陶瓷器件移动反射镜或光栅来改变光束的相位［12－13］，即实现相移。但压电陶瓷器件自身的非线性和磁滞现象会使相移出现误差［13－15］，这会导致测量精度下降。旋转波片也可以用来改变光束的相位，但旋转波片的过程中会把震动带入干涉装置，从而降低测量结果的精度。本文介绍了一种基于菌紫质光致各向异性原理的新型相移器，利用琼斯矩阵对其工作原理进行分析，并通过四步相移干涉实验验证了相移器的可行性。由于该相移器在使用过程中不需要机械操作干涉装置的任何部件，只需要改变相移器诱导光的偏振方向就可以实现相移。因此，它既可以克服由压电陶瓷器件的非线性和磁滞现象引起的实验误差，也可以克服机械运动引起的振动，对提高相移干涉计量的精度具有重要意义。

1 实验装置

实验用的菌紫质薄膜由德国Marburg大学制备［16］。它是从基因定点突变的嗜盐菌中提取出的紫膜经蔗糖梯度法纯化和超声波破碎后，掺杂到聚乙烯醇中，然后密封到两片平行的光学玻璃中间形成。菌紫质薄膜的厚度约80μm，直径19 mm。B态的吸收峰在570nm，M态的吸收峰在410nm，室温下 M 态的寿命τM＝300s［17］。

图1 实验装置Fig.1 Experimental setup

相移干涉的实验装置如图1所示，它是在Mach－Zender干涉仪的基础上搭建起来的。Mach－Zender干涉仪的光源是一个波长为632.8 nm的连续He－Ne激光。相位控制部分的光源是一个输出波长为488nm的连续Ar＋激光器。He－Ne激光器和Ar＋激光器输出的均为沿x轴（竖直）方向的线偏振光。He－Ne激光器的输出光经扩束器BE扩束后，再通过一个快轴方向与x轴方向夹角为45°的四分之一波片Q，变为圆偏振光。圆偏振光经过偏振分光棱镜PBS后，被分成两束相互正交的线偏振光。其中一个参考光，偏振方向沿x轴方向；另一个是物光，偏振方向沿y轴方向。参考光通过一个快轴与x轴成45°角的四分之一波片Q1后，进入菌紫质薄膜。透射菌紫质薄膜的光通过一个快轴与Q1正交的四分之一波片Q2后，到达偏振片P，P的透振方向沿y轴方向。分光棱镜PS把经过放大系统的物光和参考光重新合并在一起。相位物体O是阵列大小为10mm×10mm×1.2mm的微透镜阵列，它位于放大系统的物平面上，像O′位于放大系统的像平面上。放大系统像平面上的干涉图样被一个4倍物镜放大后成像在CCD靶面上。CCD靶面尺寸为4.8 mm×3.2mm，像素为768pix（水平）×512pix（垂直），像素尺寸为6.2μm×6.2μm。另外，BE是扩束镜，A是连续可调的中性衰减片，M是全反镜，W是488nm的半波片，BS是消偏振分光棱镜。

2 理论分析

按图1所示的实验光路，在直角坐标系内，振动方向沿y轴的物光O和振动方向沿x轴的参考光R的琼斯矢量和为

式中E0是常数。快轴相互垂直的2个四分之一波片Q1和Q2的琼斯矩阵M1和M2可以写成：

透振方向沿y轴的偏振片P的琼斯矩阵M3可以写为

无光照时，菌紫质薄膜呈现宏观的各向同性；在线偏振光的照射下，菌紫质薄膜内产生光致各向异性［18－19］。光致各向异性包括光致双折射和光致二向色性。菌紫质薄膜同时具有这两种性质，对菌紫质薄膜来说，在其B态吸收峰处，光致二向色性占主导地位；在远离吸收峰处，光致双折射占主导地位［20－21］。波长为632.8nm 的红光远离菌紫质薄膜B态和M态的吸收峰，故在632.8nm处，菌紫质薄膜中光致双折射占主导地位，光致二向色性可以忽略。此时，各向异性菌紫质薄膜的琼斯矩阵可以写为［22－23］

式中：φ是线偏振诱导光的偏振方向和x轴之间的夹角；Γ是沿平行和垂直于线偏振诱导光偏振方向间的相位延迟。

在物光和参考光的传播过程中，除波片和菌紫质薄膜外其他部分产生的相位延迟和振幅衰减不影响实验结果，因此可以忽略光束传播这些过程中产生的常数相位因子和能量损失。在放大系统的像平面（xo，yo）上，物光和参考光的琼斯矢量EoO和EoR为

式中，O ＝exp［iφ（x，y）］为待检测的相位物体；φ（x，y）为待检测物体的相位分布。

由（5）式，可以得到物光和参考光在放大系统的像平面上形成的干涉图样的强度分布I（xo，yo），即式中I0＝ 2E20（3－cosΓ），V ＝ sin（Γ／2）／（3－cosΓ）。I0和V的值由振动方向平行和垂直于诱导光轴方向的偏振光的相位差Γ决定。若线偏振诱导光（488nm）的光强不变，菌紫质薄膜光致各向异性的稳定值不变［18，21］，Γ 的值也不变。此时干涉条纹的分布与待测物体的相位分布及诱导光的偏振取向和x轴方向之间的夹角φ有关。待测物体的相位分布确定后，干涉条纹的分布仅与φ有关。因此，通过调节诱导光的偏振取向和x轴方向之间的夹角φ，可以调节物光和参考光之间的相位差，从而实现相移干涉。

3 结果与讨论

为了证明基于菌紫质薄膜光致各向异性原理的相移器的可行性，我们用图1所示的实验装置进行了相关实验。首先测试了不加任何待测物体时装置本身的四步相移干涉图样，按四步相移干涉原理［24］，用CCD分别记录4幅干涉图，且每记录一幅干涉图后，将诱导光的偏振方向沿顺时针方向旋转45°，以保证相邻的2幅干涉图之间的相移量Δφ为90°，结果如图2所示。图中每幅干涉图的真实尺寸为4.8mm×3.2mm，即CCD的靶面尺寸。为了方便观察，我们将图2（a）与图2（c）的同一位置的灰度值和图2（a）和图2（b）同一位置的灰度值进行比较，得到如图3所示的灰度曲线对比图。从图3（a）可以看出，CCD记录的干涉条纹在同一位置的灰度值确实发生了变化，且当488nm的诱导光的偏振方向转动90°（相移量为180°）时，图3（a）中两条灰度曲线的峰值与峰谷值相互对应；当488nm的诱导光的偏振方向转动45°（相移量为90°）时，图3（b）中两条灰度曲线的峰值与峰谷值发生四分之一周期的偏移。这和第3部分的理论分析是一致的，进一步表明基于菌紫质薄膜光致各向异性原理的相移器是可行的。看出，图4（b），4（c）和4（d）相对于图4（a）的相移分别为90°，180°和270°。

图3 灰度曲线对比图Fig.3 Contrast of gray scale curves

图4 利用四步相移法得到的干涉图样Fig.4 Interferograms obtained with four－step phase－shifting interferometry

图2 装置本身的四步相移干涉图Fig.2 Four－step phase－shifting interferograms of setup without objects

接下来我们用一个尺寸为10mm×10mm×1.2mm，镀400nm～900nm增透膜，节距P＝300μm，焦距F＝18.6mm 的 MLA300－14AR－M型微透镜阵列（MLA）作为相位物体进行四步相移干涉实验。4幅干涉图如图4所示。从图4可以

图5 重建结果Fig.5 Reconstructed phase distribution

用基于四步相移的最小二乘法对图2和图4的相移干涉图样进行相位重建［25］，得到如图5所示的相位分布。图5（a）是没有放置待测样品时实验装置本身的相位分布；图5（b）是放置待测样品后得到的整个实验装置的相位分布。图5（b）的相位分布减去图5（a）的相位分布，就可以得到待测微透镜阵列的实际相位分布，结果如图5（c）所示。从图3和图5的实验结果可以看出，用基于菌紫质薄膜光致各向异性的相移器可以实现相移控制，并在实际的相移干涉实验中得到较好的实验结果。

4 结论

菌紫质薄膜的光致各向异性特性由线偏振诱导光的偏振取向决定的。因此，通过调节线偏振诱导光的偏振取向，可以控制其光致各向异性特性，进而改变经过菌紫质薄膜的圆偏振光的偏振特性，实现对圆偏振光的调制。基于菌紫质薄膜这种特性设计了一种新型相移器。把该相移器用于相移干涉计量时，在实验中不需要移动 Mach－Zender干涉仪内部的任何部件，仅需要改变外部控制光路中线偏振诱导光的偏振取向就可以调节参考光的相位。因此，该相移器可以提高干涉仪的抗振动能力，有利于提高测量精度。四步相移干涉实验结果表明，这种相移器具有结构简单、操作方便、结果可靠的特点，适合进行相移干涉测量。

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