無正交誤差的雙路線偏振干涉和雙渥拉斯特棱鏡分光式零差激光測振儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于激光干涉測量領域，主要涉及一種無正交誤差的雙路線偏振干涉和雙 渥拉斯特棱鏡分光式零差激光測振儀。
【背景技術】
[0002] 激光測振儀作為能夠將振動量值溯源到激光波長的超精密測量儀器，被廣泛應用 于位移動態測量、振動測量與監測、超精密裝備與系統集成、科學研宄與實驗等領域。基于 激光干涉法的激光測振儀按照原理可分為零差和外差兩大類，二者在工作原理、光路結構 和技術特點上具有顯著區別。零差測量法采用單頻激光作為光源，基于經典或改進的邁克 爾遜激光干涉原理，通過測量干涉條紋的相位變化直接測位移；而外差測量法是采用雙頻 激光作為光源，基于多普勒效應，通過測量多普勒頻差測量被測件的運動速度而間接測位 移。外差激光測振儀（常稱多普勒激光測振儀）其信號處理本質上是進行頻率測量，系統 本身是動態交流系統，具有抗干擾能力強、測量結果受光強變化影響小等特點，缺點是非線 性誤差來源較多，修正比較復雜，具有較高的技術復雜度和技術難度。而零差激光測振儀技 術則較為成熟，具有結構簡單、測量精度高、動態范圍寬，非線性易于補償等優點。尤其近年 來，科學研宄與實驗提出了亞納米甚至皮米精度的振動測量需求，零差測量法又重新受到 了研宄人員的關注而成為本領域的研宄熱點。
[0003] 隨著干涉測量技術的發展，目前零差激光測振儀多采用先進的零差正交激光測振 方案，利用偏振光移相干涉技術，獲得兩路正交光電信號，通過反正切計算和連續相位解 調，實現振動的高分辨力測量。零差正交激光測振儀輸出的兩路信號在理想情況下應是等 幅值、無直流偏置、相位正交的簡諧信號，兩路信號的李薩如圖應是一標準圓；但實際由于 激光功率漂移、光學元器件不理想以及光學元件安裝位置誤差等因素，尤其是偏振分光鏡 PBS和偏振片等光學器件存在偏振泄漏，波片器件存在相位延遲誤差等因素，導致實際輸出 的兩路正交信號存在直流偏置、不等幅及非正交誤差，從而給測量結果帶來非線性誤差。現 有的零差正交激光測振儀非線性誤差可達幾納米、甚至幾十納米，雖然可在一定程度上通 過數學方法進行修正，但對采樣率和數字信號的處理速度提出了很高的要求，且要求兩路 信號的李薩如圖必須為完整的橢圓才能進行修正。修正運算一方面嚴重影響測量的實時 性，另一方面精度和效果也受到限制。因此，如何通過光路結構與原理上的創新，從原理上 避免非線性誤差產生的因素，是解決零差正交激光測振儀非線性誤差問題最有效的方法， 也是本領域研宄的熱點問題。
[0004] 零差正交激光測振儀的光路結構由干涉部分和探測部分兩大部分組成。現有技術 方案在于涉部分和/或探測部分，受光路結構、原理及光學器件本身特性不理想的限制，存 在難以克服的非線性誤差。對現有技術方案的優缺點及產生非線性誤差的原因分述如下：
[0005] (1)傳統經典的零差正交激光測振儀技術方案中，干涉部分采用偏振分光鏡PBS 分光，產生P分量的參考光和S分量的測量光；探測部分先經消偏振分光鏡NBS分光后一路 經偏振片后，被光電探測器接收，另一路先經四分之一波片變成圓偏振光，然后再經偏振片 被光電探測器接收。該技術方案中，干涉部分采用的偏振分光鏡PBS和探測部分采用的偏 振片消光比低（一般在1000 : 1量級），存在偏振泄漏現象，導致該光路非線性誤差顯著。
[0006] (2) 1999年，基于消偏振分光鏡NBS和渥拉斯特棱鏡分光的零差正交激光測振技 術方案，被寫入"IS016063-11激光干涉法振動絕對校準"標準中（IS016063-41"Methods forthecalibrationofvibrationandshocktransducers-Part41Calibration oflaservibrometers".）。該技術方案中，干涉部分激光光源輸出線偏振光，使線偏振 光的偏振方向與四分之一波片的快軸方向成45°夾角，線偏振光經過四分之一波片后變 成圓偏振光，采用消偏振分光鏡NBS對圓偏振光進行分光，參考臂上采用偏振片將參考光 的偏振態由圓偏振變成線偏振，而測量光始終為圓偏振光；探測部分參考光和測量光經渥 拉斯特棱鏡分光產生兩路正交的干涉信號。由于探測部分采用渥拉斯特棱鏡分光，渥拉斯 特棱鏡利用雙折射晶體自身的物理特性分離不同的偏振光，具有較大的消光比（可高于 100000 : 1)，因此探測部分可視為不存在偏振混疊現象。該技術方案存在的不足之處在 于：1)參考臂上放置偏振片導致參考光相對于測量光的光強大大降低，引入兩路輸出信號 的不等幅誤差；2)干涉部分采用偏振片產生線偏振光，偏振片消光比低，干涉部分存在偏 振混疊而引入非線性誤差。
[0007] (3)2009年，斯洛文尼亞的GPeter等提出了一種基于消偏振分光鏡NBS和 八分之一波片的零差正交激光測振儀（l.GPeter，TPozar，MJanez."Quadrature phase-shifterroranalysisusingahomodynelaserinterferometer"?Optics Express,2009,17(18) ： 16322-16331. 2.GPeter,TPozar,MJanez. ^Phase-shifterror inquadrature-detection-basedinterferometers" ?Proc.ofSPIE，2010,Vol. 7726 ： 77260X-1-77260X-10.)。該技術方案中，干涉部分激光源輸出偏振方向為45°方向的線偏 振光，米用消偏振分光鏡NBS進行分光，參考光折返兩次經過八分之一波片，偏振態由線偏 振變為圓偏振，而測量光偏振方向保持不變；參考光和測量光在探測部分采用偏振分光鏡 PBS分光產生兩路正交的干涉信號。該技術方案的光路較簡單，光學元件較少。其存在的 不足之處在于：1)八分之一波片器件精度較差，實際相移小于45°，線偏振參考光兩次經 過八分之一波片實際得到的是橢圓偏振光，導致實際輸出的兩路信號的非正交相移誤差較 大；2)探測部分采用PBS分光，存在偏振泄漏現象，引入較大的非線性誤差。
[0008] 該技術方案存在其他兩種改進形式：一是韓國的JeonghoAhn等在GPeter方 案光路的基礎上，采用角錐棱鏡取代GPeter方案中的平面參考鏡和測量鏡（Jeongho Ahn，"NonliearErrorCompensationandAlignmentErrorInsensitiveMethodfor ResolutionEnhancementofPreciseDisplacementMeasuringInterferometer''， 0〇(^〇四1也^&，2010)，在參考臂中，采用四分之一波片取代人/8波片，由于角錐參考鏡 反射前、后參考光存在橫向位移，因此可使參考光只經過一次四分之一波片，改進后的方 案可獲得較理想的圓偏振態參考光，但由于參考光的橫向位移較小，四分之一波片如采用 波片架固定會遮擋相鄰光束，因此實際通常是將四分之一波片貼于消偏振分光鏡NBS的 表面，會導致調整困難。二是匈牙利的DdnielI等采用渥拉斯特棱鏡取代了GPeter方 案中探測部分的偏振分光鏡PBS(D6nielI."Advancedsuccessivephaseunwrapping algorithmforquadratureoutputMichelsoninterferometers"?Measurement，2005， 37(2) :95-102.)，僅在一定程度上改善了探測部分的偏振泄漏問題。
[0009] 上述幾種零差正交激光測振技術方案在探測部分均采用雙通道探測技術，理想情 況下輸出的是兩路相位相差90°的正交光電信號，由于輸出信號是直流信號，激光的功率 漂移及其它共模干擾因素會引起兩路正交信號的直流偏置發生變化。根據信號處理的相位 解算公式"巾ztaday-iavafi。)]，其中ijpiy為正交光電信號，I。為直流偏置"可 知，直流偏置變化會直接影響相位解算結果，從而引入非線性誤差。在雙通道探測技術方案 中，激光功率漂移是非線性誤差的一個重要誤差源。有學者提出新的四通道探測技術方案， 思路是通過偏振移相，獲得四路相位分別為0°、90°、180°和270°的光電信號，使相位 相差180°的兩個信號相減，可有效消除直流偏置及其他共模干擾因素引入的誤差，提高系 統的抗干擾能力。
[0010] 探測部分作為零差正交激光測振儀光路的兩大組成部分之一，其性能和精度對零 差正交激光測振儀的非線性誤差大小和測量精度具有舉足輕重的作用。針對現有各種可用 于零差正交激光測振的四通道探測技術方案，對各自的優缺點及產生非線性誤差的原因 分述如下：
[0011] (1) 1995年，意大利學者Greco首次提出一種基于四分之一波片移相和偏振分 光鏡PBS分光的四通道探測技術方案（