外差干涉儀光路調節方法及對拍頻的理解

楊　衛,侯文玫,句愛松,羅佳林,柯有龍

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海　200093)

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外差干涉儀光路調節方法及對拍頻的理解

楊衛,侯文玫,句愛松,羅佳林,柯有龍

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海200093)

外差激光干涉儀由于測量精度高,環境適應能力強和實時動態高速測量等特點而廣泛應用于機床誤差的實時監測中。外差激光干涉儀中,使用平面鏡作為轉向裝置時,接收器上的兩束光有可能只是相交而不是重合,這給光路的調節增加了很大的難度。針對這一問題,提出一種輔助光路調節方法,先將光路切換到單頻干涉儀,調好光路,再切換到外差干涉儀,利用單頻干涉條紋的直觀性能可看出外差干涉儀光路調節的好壞。理論分析和實驗結果表明，提出的調節方案具有可行性,效果良好,同時通過從單頻切換到雙頻能更深入地理解拍頻。

測量; 干涉儀; 光路調節; 干涉條紋

引　言

由于具有波長穩定性高,光束發散角小和光的相干性好等特點,激光在很多領域被廣泛的應用。在測量領域里,激光干涉儀占據重要位置。單頻激光干涉儀就能使測量精度達到光波長(亞微米),而現在廣泛研究的外差激光干涉儀(配合相位計)能將測量精度提高到納米甚至亞納米。外差激光干涉儀是在單頻激光干涉儀的基礎上發展出來的,它是通過檢測測量信號和參考信號的相位差來進行測量,能夠通過簡單的相位細分而達到納米級分辨率,且它的抗環境干擾能力比檢測振幅的單頻干涉儀強。如今,外差激光干涉儀被廣泛的應用于各種精密檢測領域,它既可以對幾十米的大量程進行精密測量,也可以對微小運動[1-2]進行精密測量,既可以對幾何量如長度、角度、直線度、平行度、平面度、垂直度等進行測量[3-5],也可以用于特殊場合,諸如半導體光刻技術的微定位和計算機存儲器上記錄槽間距的測量等。

外差干涉儀中,角錐棱鏡被廣泛的用做轉向元件,因為角錐棱鏡的反射光和入射光是相互平行的,因此只要不同頻率的兩束光在接收屏上是一個重合的圓斑,就可以保證光路調整正確。但是更多的光路使用平面鏡反射,調整光路時很難保證兩束光完全重合,更多情況是兩束光在接收器表面以一定角度相交。因此本文提出了一種通過觀察單頻干涉儀條紋間距的方法來輔助外差干涉儀進行光路調整。

1　原理

圖1　兩束光波的夾角與受光面的關系

如圖1,兩束光波W1和W2都位于XOZ平面內,W1和W2與Z軸的夾角都為α,探測器的受光面位于XOY平面內,長為a,寬為b。設a,b各平行于Y,X軸,且各自相對于O點對稱分布,兩光波在Y軸和Z軸(調光路時)方向上沒有相位的變化,只在X軸方向上會產生相位變化,假設W2的表達式為

E2=A2cos(2πf2t-k2x)

(1)

W1的表達式為

E1=A1cos(2πf1t+k1x)

(2)

I(x,t)=(E1+E2)2=A22+A12+

(3)

探測器接收到的光電流[6-7]為

(4)

(5)

(6)

圖2　函數sinc(X)曲線圖

圖3　拍頻信號放大和上下限電壓

圖4　實驗光路圖

具體的實施方法是將外差干涉儀雙頻中一個頻率的光暫時分離出干涉系統,只讓其中一個頻率的光經過干涉系統,在接收端通過干涉條紋的條紋間距的大小來判斷光路調節的好壞,調好光路后,將器件固定好,再將分離出去的那個頻率光再加入干涉系統,這樣干涉系統沒有變動,就能保證有很好的雙頻干涉效果。光路圖如圖4,入射光為雙頻正交的激光f1和f2,經過PBS1(偏振分光鏡1)后將垂直偏振態的光f2分離出去,水平偏振態的光f1經過PBS1后入射到QWP1(1/4波片1),QWP1的快軸與f1的光矢量成45°角,f1經過QWP1后變為圓偏振光,再經過PBS2(偏振分光鏡2)后分成水平和垂直偏振態的兩束光,垂直偏振態的f1光經過QWP3(1/4波片3),再到M2(平面鏡2),經M2返回,再次經過QWP3后變為水平偏振光,QWP3的快軸與垂直偏振態光f1的光矢量成45°角,經過QWP3后的水平偏振光再次經過PBS2投射到偏振片上,然后射到接收屏上;經過PBS2后的水平偏振光f1入射到QWP2(1/4波片2),然后經過M1(平面鏡1),再經M1返回,再次經過QWP2后變為垂直偏振態光f1,QWP2的快軸與水平偏振態光f1的光矢量成45°角,經過QWP2后的垂直偏振態光再次經過PBS2投射到偏振片上,然后入射到接收屏上并與M2反射回來的光發生干涉,在屏上就能看到明暗相間的條紋,通過干涉條紋的間距來判斷光路調節的好壞,盡量將條紋間距調到最大。調好光路后再將干涉系統元件固定好,固定好后,移除PBS1,QWP1和偏振片,再將信號送到接收器,得到的就是拍頻信號。

2　實驗及分析

按原理搭建實驗,實驗中用的是ZYGO公司的雙頻激光光源和拍頻信號處理系統,先調節單頻干涉,再切換到雙頻,最后用拍頻信號處理系統檢測是否能接收到拍頻信號。

單頻干涉時,人眼能看到很明顯的干涉條紋,因為在干涉區域內的某一點,由于相位只和位置有關,見式(6),此處的振動是加強還是相消,基本上是固定不變的;在外差干涉中,因為在干涉區域內的某一點處的相位不僅與位置有關,還和時間有關,式(3)中余弦函數方括號中前一項就是相位和時間的關系,它在某一點處的相位是以兩個不同頻率光的頻率差為頻率周期性變化的,相位變化時條紋就會“移動”,而“移動” 的頻率就是兩光的頻差,一般都在兆赫茲以上(本實驗為20 MHz),遠遠超過了人眼分辨的極限,所以在兩束光的重合區人眼是看不到條紋的,而是看到一個亮斑。由此可見,拍頻是“移動”的單頻干涉,這個“移動”頻率差超過了人眼的探測極限,但是能被光電探測器識別。

圖5為實驗中單頻干涉條紋及對應的電壓信號的峰峰值,實驗證明大概最多有4條條紋時,拍頻信號處理系統才能接收到拍頻信號。由單頻干涉條紋看,有5條甚至更多條紋時也發生了干涉,即切換到外差時有拍頻信號,但是我們的拍頻信號處理系統沒有檢測到,證實了只有調節好光路讓拍頻信號的幅值達到一定時,才能被檢測到,見圖3。當干涉條紋間隔越寬,說明兩個波面越平行(即夾角α越小),則信號幅值越大。調到接收區域一片亮如圖5(a)所示,即是干涉條紋間隔無限寬,也即兩個波面近似平行(即夾角α近似為0),則信號幅值最大。因此使用這種方法對光路進行調節時,應盡量將條紋間距調到最大,然后再切換到外差光路。

圖5　干涉條紋Fig.5　Fringe pattern

3　結　論

單頻干涉時,干涉條紋是基本不“移動”的,在光電探測器上得到的是直流信號,而拍頻是“移動”的干涉條紋,在光電探測器上得到的是頻率為兩束光頻率差的交流信號,這個交流信號的幅值與光路中兩束光的重合情況有直接關系,重合的越好,信號幅值越大。在調節外差干涉光路時,先將光路切換到單頻干涉,調節光路,再切換到外差干涉,通過單頻干涉時的干涉圖樣就能判斷兩束光的重合情況,且在單頻干涉圖樣的指導下,能將外差光路調到最優。本文提出的調節光路方法能對光路調節起到很好的輔助作用,同時也加強對拍頻的理解。

[1]李紅衛,龔育良.探測超聲微振動的激光外差干涉儀[J].光學技術,1994(5):13-16.

[2]丁紅勝,童莉葛,潘禮慶,等.用激光外差干涉儀探測金屬表面超聲振動的實驗設計[J].物理實驗,2004,24(2):16-19.

[3]LE Y F,HOU W M,HU K,et al.High-sensitivity roll-angle interferometer[J].Optics Letters,2013,38(18):3600-3603.

[4]WU C M.Heterodyne interferometric system with subnanometer accuracy for measurement of straightness[J].Applied Optics,2004,43(19):3812-3816.

[5]粱嶸,李達成,曹芒,等.在線測量表面粗糙度的共光路激光外差干涉儀[J].光學學報,1999,19(7):958-961.

[6]郭彥珍,李信,郭俊杰.光拍頻測試技術及其應用[J].陜西機械學院學報,1988,4(2):30-39.

[7]櫻井慧雄.光拍頻的特性與應用—速度和距離的測定[J].國外計量,1976(5):42-46.

(編輯:張磊)

The adjustment method of optical path in a heterodyne interferometer and the concept of beat frequency

YANG Wei, HOU Wenmei, JU Aisong, LUO Jialin, KE Youlong

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

The heterodyne interferometer is widely used in real-time measurement of errors for machine tools due to its high accuracy,high adaptability to environment and real-time dynamic measurement.While the plane mirror is used as the steering device,the spots on the receiver may be just intersected instead of overlapped,which increases a lot of difficulties to adjust the optical path.In order to solve this problem,a new method is proposed.Firstly,the optical path is switched to a homodyne interferometer.Then the optical path is switched back to the heterodyne interferometer.The optical path of the heterodyne interferometer is observed by the visible homodyne interference fringes.This scheme is simple.Theoretical analysis and experimental results show that the proposed scheme is feasible and effective,and it is useful to understand the beat frequency by the switching between the two interferometers.

measurement; interferometer; optical path adjustment; interference fringe

2015-08-27

滬江基金資助課題(C14002)

楊衛(1988—),男，碩士研究生,主要從事激光干涉和納米測量方面的研究。E-mail:yangweisina@sina.com

1005-5630( 2016) 03-0252-04

TN247

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.012