王麗瑋，陳長(zhǎng)春

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽　合肥　230092）

工程技術(shù)

基于偏振光的激光干涉儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王麗瑋，陳長(zhǎng)春

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥230092）

近年來(lái)，隨著科技的不斷發(fā)展，在精密機(jī)械、集成電路生產(chǎn)等許多精密加工工業(yè)領(lǐng)域中，精密測(cè)量的要求越來(lái)越高。闡述了基于偏振光的集成邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)的原理與方法。

偏振光；激光干涉儀；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著國(guó)家科技水平的發(fā)展，精密工程技術(shù)也在不斷地突破，無(wú)論對(duì)元件的生產(chǎn)還是對(duì)機(jī)器的安裝，精密度的要求也在不斷地提高［1］。與此同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)等方面也在不斷朝著精密化和自動(dòng)化發(fā)展［2］。因此，精密測(cè)量的研究勢(shì)在必行。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單頻偏振激光干涉儀系統(tǒng)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(xué)測(cè)量系統(tǒng)。本文整個(gè)系統(tǒng)由幾何光路系統(tǒng)，信號(hào)處理電路系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)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(shù)和差分信號(hào)的處理方法，更容易獲得納米級(jí)的測(cè)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(cè)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(fā)出的線(xiàn)偏振光通過(guò)偏振片P1后變?yōu)?5°線(xiàn)偏振光，45°線(xiàn)偏振光入射到PBS1后根據(jù)偏振方向不同分為光強(qiáng)一致的兩束光即兩路正交的P光和S光，分別射向測(cè)量鏡和參考鏡，其中45°線(xiàn)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(cè)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(shí)，右旋偏振光入射到參考鏡M1，被反射后變?yōu)樽笮龍A偏振光，左旋圓偏振光再次通過(guò)快軸成45°的QW1后變成水平P光。由于這時(shí)的參考光偏振方向已經(jīng)旋轉(zhuǎn)90°，由原先的豎直S光變成了水平P光，再通過(guò)PBS1時(shí)不會(huì)被反射而是完全被PBS1透射送入四通道探測(cè)部分。被PBS1透射的測(cè)量光（P光）經(jīng)過(guò)類(lèi)似的傳播過(guò)程，依次通過(guò)QW2、測(cè)量鏡M2、再次通過(guò)QW2后，也會(huì)由水平P光變成左旋偏振光、右旋偏振光、豎直S光，測(cè)量光在此經(jīng)過(guò)PBS1時(shí)將被完全反射送入四通道探測(cè)部分中。

從干涉部分出射的參考光和測(cè)量光變?yōu)閮墒坏裙鈴?qiáng)的偏振光［4］。通過(guò)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(shí)沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45°變成與原來(lái)光軸成±45°夾角的兩束正交的偏振光。通過(guò)NPBS后，變成光強(qiáng)減半但偏振態(tài)不變的兩路正交偏振光。其中NPBS反射的一路再經(jīng)過(guò)PBS3的分光后，將參考光和測(cè)量光分解出兩個(gè)正交的干涉信號(hào)，在同一振動(dòng)方向上產(chǎn)生干涉，分別被PD3和PD4接收；被NPBS透射的一路通過(guò)四分之一波片QW3后產(chǎn)生90°相移，在經(jīng)過(guò)PBS2分光后兩路干涉的信號(hào)再分別被PD1和PD2接收。且這四路信號(hào)的相位差分別為90°。

3　結(jié)語(yǔ)

本文所用的光路主要特點(diǎn)如下：

1）不需要外加調(diào)制信號(hào)，在技術(shù)上免除了外加信號(hào)源，以便于獲得精確的結(jié)果。

2）參考光路和測(cè)量光路在一個(gè)光路中，消除了外界環(huán)境的影響。

3）四路信號(hào)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(gè)系統(tǒng)充分利用了光能量，可以消除環(huán)境光對(duì)光路的影響。

［1］黎永前，朱名銓.現(xiàn)代精密測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.航空工藝技術(shù)，1999（3）:12-15.

［2］黃紹怡，薛梅.偏振光在精密測(cè)量中的應(yīng)用［J］.工具技術(shù)，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(xué)測(cè)量；陳長(zhǎng)春（1993—），男，安徽六安人，碩士，研究方向：儀器儀表技術(shù)。