基于偏振光的激光干涉仪系统设计

王丽玮，陈长春

（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽　合肥　230092）

工程技术

基于偏振光的激光干涉仪系统设计

王丽玮，陈长春

（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥230092）

近年来，随着科技的不断发展，在精密机械、集成电路生产等许多精密加工工业领域中，精密测量的要求越来越高。阐述了基于偏振光的集成迈克尔逊干涉仪系统的原理与方法。

偏振光；激光干涉仪；系统设计

引言

随着国家科技水平的发展，精密工程技术也在不断地突破，无论对元件的生产还是对机器的安装，精密度的要求也在不断地提高［1］。与此同时，工业生产和国防建设等方面也在不断朝着精密化和自动化发展［2］。因此，精密测量的研究势在必行。

1　系统设计

单频偏振激光干涉仪系统主要是基于迈克尔逊原理和相干光干涉原理组成的几何光学测量系统。本文整个系统由几何光路系统，信号处理电路系统和软件系统三个子系统组成。

2　激光干涉仪原理

本文使用的单频偏振激光干涉仪是基于迈克尔逊干涉仪原理搭建［3］。本文采用的偏振光位移技术和差分信号的处理方法，更容易获得纳米级的测量分辨率。

图1　单频偏振激光干涉仪光路图

本文采用的单频偏振激光干涉仪光路分为干涉部分和探测部分，如图1所示，光路工作原理下：在干涉部分中，He-Ne单频激光器发出的线偏振光通过偏振片P1后变为45°线偏振光，45°线偏振光入射到PBS1后根据偏振方向不同分为光强一致的两束光即两路正交的P光和S光，分别射向测量镜和参考镜，其中45°线偏振光中竖直的S光分量被反射作为参考光，而水平的P光分量透射，作为测量光。参考光（S光）入射快轴成45°摆放的QW1后，变成右旋圆偏振光，此时，右旋偏振光入射到参考镜M1，被反射后变为左旋圆偏振光，左旋圆偏振光再次通过快轴成45°的QW1后变成水平P光。由于这时的参考光偏振方向已经旋转90°，由原先的竖直S光变成了水平P光，再通过PBS1时不会被反射而是完全被PBS1透射送入四通道探测部分。被PBS1透射的测量光（P光）经过类似的传播过程，依次通过QW2、测量镜M2、再次通过QW2后，也会由水平P光变成左旋偏振光、右旋偏振光、竖直S光，测量光在此经过PBS1时将被完全反射送入四通道探测部分中。

从干涉部分出射的参考光和测量光变为两束正交等光强的偏振光［4］。通过快轴成22.5°放置的二分之一波片HW后，两束正交的偏振光同时沿顺时针方向旋转45°变成与原来光轴成±45°夹角的两束正交的偏振光。通过NPBS后，变成光强减半但偏振态不变的两路正交偏振光。其中NPBS反射的一路再经过PBS3的分光后，将参考光和测量光分解出两个正交的干涉信号，在同一振动方向上产生干涉，分别被PD3和PD4接收；被NPBS透射的一路通过四分之一波片QW3后产生90°相移，在经过PBS2分光后两路干涉的信号再分别被PD1和PD2接收。且这四路信号的相位差分别为90°。

3　结语

本文所用的光路主要特点如下：

1）不需要外加调制信号，在技术上免除了外加信号源，以便于获得精确的结果。

2）参考光路和测量光路在一个光路中，消除了外界环境的影响。

3）四路信号两两正交，差分处理后，可以抑制共模噪声，消除直流电平漂移误差、不等幅误差和非正交误差

4）整个系统充分利用了光能量，可以消除环境光对光路的影响。

［1］黎永前，朱名铨.现代精密测量技术现状及发展［J］.航空工艺技术，1999（3）:12-15.

［2］黄绍怡，薛梅.偏振光在精密测量中的应用［J］.工具技术，2010，44 （12）:95-96.

［3］Xie，X.，Yang，L.，Xu，N.，etal.Michelson interferometer based spatial phaseshiftshearography［J］.ApplOpt，2013，52（17）:4 063-4 071.

［4］Zhang，J.，Xu，J.Q.，Gao，C.Y.，etal.ModifiedMichelson interferometer for probing refractive indexofbirefringentcrystalCSBN50［J］.Opticsand LasersinEngineering，2009，47（11）:1212-1215.

（编辑：王佳艺）

System Design of Laser Interferometer Based on Polarized Light

W ang Liwei，Chen Changchun
（Hefei University of Technology School of Instrument Science and Opto-Electronics Engineering，AnhuiHefei230092）

In recent years，with the continuous development of science and technology，precision machinery，production of integrated circuits and many other precision machining industries both have a high requirement for precision measurement.The principle and method of interferometer are expounded and single frequency laser interferometer is analyzed according to the principle of Michelson interference.

polarized light；laser interferometer；system design

TH741

A

2095-0748（2016）11-0080-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.11.34

2016-04-14

王丽玮（1990—），女，安徽合肥人，硕士，研究方向：精密光学测量；陈长春（1993—），男，安徽六安人，硕士，研究方向：仪器仪表技术。