楊　衛(wèi),侯文玫,句愛松,羅佳林,柯有龍

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093)

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外差干涉儀光路調(diào)節(jié)方法及對(duì)拍頻的理解

楊衛(wèi),侯文玫,句愛松,羅佳林,柯有龍

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

外差激光干涉儀由于測(cè)量精度高,環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高速測(cè)量等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于機(jī)床誤差的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中。外差激光干涉儀中,使用平面鏡作為轉(zhuǎn)向裝置時(shí),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(diào)節(jié)增加了很大的難度。針對(duì)這一問題,提出一種輔助光路調(diào)節(jié)方法,先將光路切換到單頻干涉儀,調(diào)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(diào)節(jié)的好壞。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的調(diào)節(jié)方案具有可行性,效果良好,同時(shí)通過從單頻切換到雙頻能更深入地理解拍頻。

測(cè)量; 干涉儀; 光路調(diào)節(jié); 干涉條紋

引　言

由于具有波長(zhǎng)穩(wěn)定性高,光束發(fā)散角小和光的相干性好等特點(diǎn),激光在很多領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用。在測(cè)量領(lǐng)域里,激光干涉儀占據(jù)重要位置。單頻激光干涉儀就能使測(cè)量精度達(dá)到光波長(zhǎng)(亞微米),而現(xiàn)在廣泛研究的外差激光干涉儀(配合相位計(jì))能將測(cè)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(chǔ)上發(fā)展出來的,它是通過檢測(cè)測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)的相位差來進(jìn)行測(cè)量,能夠通過簡(jiǎn)單的相位細(xì)分而達(dá)到納米級(jí)分辨率,且它的抗環(huán)境干擾能力比檢測(cè)振幅的單頻干涉儀強(qiáng)。如今,外差激光干涉儀被廣泛的應(yīng)用于各種精密檢測(cè)領(lǐng)域,它既可以對(duì)幾十米的大量程進(jìn)行精密測(cè)量,也可以對(duì)微小運(yùn)動(dòng)[1-2]進(jìn)行精密測(cè)量,既可以對(duì)幾何量如長(zhǎng)度、角度、直線度、平行度、平面度、垂直度等進(jìn)行測(cè)量[3-5],也可以用于特殊場(chǎng)合,諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)的微定位和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上記錄槽間距的測(cè)量等。

外差干涉儀中,角錐棱鏡被廣泛的用做轉(zhuǎn)向元件,因?yàn)榻清F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(gè)重合的圓斑,就可以保證光路調(diào)整正確。但是更多的光路使用平面鏡反射,調(diào)整光路時(shí)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(jìn)行光路調(diào)整。

1　原理

圖1　兩束光波的夾角與受光面的關(guān)系

如圖1,兩束光波W1和W2都位于XOZ平面內(nèi),W1和W2與Z軸的夾角都為α,探測(cè)器的受光面位于XOY平面內(nèi),長(zhǎng)為a,寬為b。設(shè)a,b各平行于Y,X軸,且各自相對(duì)于O點(diǎn)對(duì)稱分布,兩光波在Y軸和Z軸(調(diào)光路時(shí))方向上沒有相位的變化,只在X軸方向上會(huì)產(chǎn)生相位變化,假設(shè)W2的表達(dá)式為

E2=A2cos(2πf2t-k2x)

(1)

W1的表達(dá)式為

E1=A1cos(2πf1t+k1x)

(2)

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

(3)

探測(cè)器接收到的光電流[6-7]為

(4)

(5)

(6)

圖2　函數(shù)sinc(X)曲線圖

圖3　拍頻信號(hào)放大和上下限電壓

圖4　實(shí)驗(yàn)光路圖

具體的實(shí)施方法是將外差干涉儀雙頻中一個(gè)頻率的光暫時(shí)分離出干涉系統(tǒng),只讓其中一個(gè)頻率的光經(jīng)過干涉系統(tǒng),在接收端通過干涉條紋的條紋間距的大小來判斷光路調(diào)節(jié)的好壞,調(diào)好光路后,將器件固定好,再將分離出去的那個(gè)頻率光再加入干涉系統(tǒng),這樣干涉系統(tǒng)沒有變動(dòng),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(jīng)過PBS1(偏振分光鏡1)后將垂直偏振態(tài)的光f2分離出去,水平偏振態(tài)的光f1經(jīng)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(jīng)過QWP1后變?yōu)閳A偏振光,再經(jīng)過PBS2(偏振分光鏡2)后分成水平和垂直偏振態(tài)的兩束光,垂直偏振態(tài)的f1光經(jīng)過QWP3(1/4波片3),再到M2(平面鏡2),經(jīng)M2返回,再次經(jīng)過QWP3后變?yōu)樗狡窆?QWP3的快軸與垂直偏振態(tài)光f1的光矢量成45°角,經(jīng)過QWP3后的水平偏振光再次經(jīng)過PBS2投射到偏振片上,然后射到接收屏上;經(jīng)過PBS2后的水平偏振光f1入射到QWP2(1/4波片2),然后經(jīng)過M1(平面鏡1),再經(jīng)M1返回,再次經(jīng)過QWP2后變?yōu)榇怪逼駪B(tài)光f1,QWP2的快軸與水平偏振態(tài)光f1的光矢量成45°角,經(jīng)過QWP2后的垂直偏振態(tài)光再次經(jīng)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(fā)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(diào)節(jié)的好壞,盡量將條紋間距調(diào)到最大。調(diào)好光路后再將干涉系統(tǒng)元件固定好,固定好后,移除PBS1,QWP1和偏振片,再將信號(hào)送到接收器,得到的就是拍頻信號(hào)。

2　實(shí)驗(yàn)及分析

按原理搭建實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中用的是ZYGO公司的雙頻激光光源和拍頻信號(hào)處理系統(tǒng),先調(diào)節(jié)單頻干涉,再切換到雙頻,最后用拍頻信號(hào)處理系統(tǒng)檢測(cè)是否能接收到拍頻信號(hào)。

單頻干涉時(shí),人眼能看到很明顯的干涉條紋,因?yàn)樵诟缮鎱^(qū)域內(nèi)的某一點(diǎn),由于相位只和位置有關(guān),見式(6),此處的振動(dòng)是加強(qiáng)還是相消,基本上是固定不變的;在外差干涉中,因?yàn)樵诟缮鎱^(qū)域內(nèi)的某一點(diǎn)處的相位不僅與位置有關(guān),還和時(shí)間有關(guān),式(3)中余弦函數(shù)方括號(hào)中前一項(xiàng)就是相位和時(shí)間的關(guān)系,它在某一點(diǎn)處的相位是以兩個(gè)不同頻率光的頻率差為頻率周期性變化的,相位變化時(shí)條紋就會(huì)“移動(dòng)”,而“移動(dòng)” 的頻率就是兩光的頻差,一般都在兆赫茲以上(本實(shí)驗(yàn)為20 MHz),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人眼分辨的極限,所以在兩束光的重合區(qū)人眼是看不到條紋的,而是看到一個(gè)亮斑。由此可見,拍頻是“移動(dòng)”的單頻干涉,這個(gè)“移動(dòng)”頻率差超過了人眼的探測(cè)極限,但是能被光電探測(cè)器識(shí)別。

圖5為實(shí)驗(yàn)中單頻干涉條紋及對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)的峰峰值,實(shí)驗(yàn)證明大概最多有4條條紋時(shí),拍頻信號(hào)處理系統(tǒng)才能接收到拍頻信號(hào)。由單頻干涉條紋看,有5條甚至更多條紋時(shí)也發(fā)生了干涉,即切換到外差時(shí)有拍頻信號(hào),但是我們的拍頻信號(hào)處理系統(tǒng)沒有檢測(cè)到,證實(shí)了只有調(diào)節(jié)好光路讓拍頻信號(hào)的幅值達(dá)到一定時(shí),才能被檢測(cè)到,見圖3。當(dāng)干涉條紋間隔越寬,說明兩個(gè)波面越平行(即夾角α越小),則信號(hào)幅值越大。調(diào)到接收區(qū)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(gè)波面近似平行(即夾角α近似為0),則信號(hào)幅值最大。因此使用這種方法對(duì)光路進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),應(yīng)盡量將條紋間距調(diào)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(jié)　論

單頻干涉時(shí),干涉條紋是基本不“移動(dòng)”的,在光電探測(cè)器上得到的是直流信號(hào),而拍頻是“移動(dòng)”的干涉條紋,在光電探測(cè)器上得到的是頻率為兩束光頻率差的交流信號(hào),這個(gè)交流信號(hào)的幅值與光路中兩束光的重合情況有直接關(guān)系,重合的越好,信號(hào)幅值越大。在調(diào)節(jié)外差干涉光路時(shí),先將光路切換到單頻干涉,調(diào)節(jié)光路,再切換到外差干涉,通過單頻干涉時(shí)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(dǎo)下,能將外差光路調(diào)到最優(yōu)。本文提出的調(diào)節(jié)光路方法能對(duì)光路調(diào)節(jié)起到很好的輔助作用,同時(shí)也加強(qiáng)對(duì)拍頻的理解。

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(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(wèi)(1988—),男，碩士研究生,主要從事激光干涉和納米測(cè)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