基于偏振光的激光干涉儀系統設計

王麗瑋，陳長春

（合肥工業大學儀器科學與光電工程學院，安徽　合肥　230092）

工程技術

基于偏振光的激光干涉儀系統設計

王麗瑋，陳長春

（合肥工業大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥230092）

近年來，隨著科技的不斷發展，在精密機械、集成電路生產等許多精密加工工業領域中，精密測量的要求越來越高。闡述了基于偏振光的集成邁克爾遜干涉儀系統的原理與方法。

偏振光；激光干涉儀；系統設計

引言

隨著國家科技水平的發展，精密工程技術也在不斷地突破，無論對元件的生產還是對機器的安裝，精密度的要求也在不斷地提高［1］。與此同時，工業生產和國防建設等方面也在不斷朝著精密化和自動化發展［2］。因此，精密測量的研究勢在必行。

1　系統設計

單頻偏振激光干涉儀系統主要是基于邁克爾遜原理和相干光干涉原理組成的幾何光學測量系統。本文整個系統由幾何光路系統，信號處理電路系統和軟件系統三個子系統組成。

2　激光干涉儀原理

本文使用的單頻偏振激光干涉儀是基于邁克爾遜干涉儀原理搭建［3］。本文采用的偏振光位移技術和差分信號的處理方法，更容易獲得納米級的測量分辨率。

圖1　單頻偏振激光干涉儀光路圖

本文采用的單頻偏振激光干涉儀光路分為干涉部分和探測部分，如圖1所示，光路工作原理下：在干涉部分中，He-Ne單頻激光器發出的線偏振光通過偏振片P1后變為45°線偏振光，45°線偏振光入射到PBS1后根據偏振方向不同分為光強一致的兩束光即兩路正交的P光和S光，分別射向測量鏡和參考鏡，其中45°線偏振光中豎直的S光分量被反射作為參考光，而水平的P光分量透射，作為測量光。參考光（S光）入射快軸成45°擺放的QW1后，變成右旋圓偏振光，此時，右旋偏振光入射到參考鏡M1，被反射后變為左旋圓偏振光，左旋圓偏振光再次通過快軸成45°的QW1后變成水平P光。由于這時的參考光偏振方向已經旋轉90°，由原先的豎直S光變成了水平P光，再通過PBS1時不會被反射而是完全被PBS1透射送入四通道探測部分。被PBS1透射的測量光（P光）經過類似的傳播過程，依次通過QW2、測量鏡M2、再次通過QW2后，也會由水平P光變成左旋偏振光、右旋偏振光、豎直S光，測量光在此經過PBS1時將被完全反射送入四通道探測部分中。

從干涉部分出射的參考光和測量光變為兩束正交等光強的偏振光［4］。通過快軸成22.5°放置的二分之一波片HW后，兩束正交的偏振光同時沿順時針方向旋轉45°變成與原來光軸成±45°夾角的兩束正交的偏振光。通過NPBS后，變成光強減半但偏振態不變的兩路正交偏振光。其中NPBS反射的一路再經過PBS3的分光后，將參考光和測量光分解出兩個正交的干涉信號，在同一振動方向上產生干涉，分別被PD3和PD4接收；被NPBS透射的一路通過四分之一波片QW3后產生90°相移，在經過PBS2分光后兩路干涉的信號再分別被PD1和PD2接收。且這四路信號的相位差分別為90°。

3　結語

本文所用的光路主要特點如下：

1）不需要外加調制信號，在技術上免除了外加信號源，以便于獲得精確的結果。

2）參考光路和測量光路在一個光路中，消除了外界環境的影響。

3）四路信號兩兩正交，差分處理后，可以抑制共模噪聲，消除直流電平漂移誤差、不等幅誤差和非正交誤差

4）整個系統充分利用了光能量，可以消除環境光對光路的影響。

［1］黎永前，朱名銓.現代精密測量技術現狀及發展［J］.航空工藝技術，1999（3）:12-15.

［2］黃紹怡，薛梅.偏振光在精密測量中的應用［J］.工具技術，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.

（編輯：王佳藝）

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

王麗瑋（1990—），女，安徽合肥人，碩士，研究方向：精密光學測量；陳長春（1993—），男，安徽六安人，碩士，研究方向：儀器儀表技術。