基于波片偏航的高鲁棒性零差激光测振仪及四步调整法属于激光测振技术领域；采用消偏振分光镜分光形成参考臂和测量臂，在参考臂和测量臂上分别引入四分之一波片和二分之一波片，采用四步调整法调整两臂中波片的偏航角度，通过改变波片的相位延迟补偿消偏振分光镜的附加相移，使干涉部分输出的参考光和测量光为正交偏振光；本发明专利技术光路调整简单，减少了光路的非线性误差，提高了光路的鲁棒性，可满足实时测量的需求，可有效解决现有技术方案中由于偏振混叠和附加相移导致光路的波片旋转角度误差对非正交误差影响显著的问题，在超精密振动测量领域具有显著的技术优势。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光测振
，主要涉及一种基于波片偏航的高鲁棒性零差激光测振仪及四步调整法。
技术介绍
零差激光测振仪具有结构简单、测量精度高、动态范围宽，非线性易于补偿等优点，被广泛应用于位移动态测量、振动测量与监测、超精密装备与系统集成、科学研究与实验等领域。零差激光测振仪多采用四通道零差正交激光测振方案，利用偏振光移相干涉技术，获得两路正交光电信号，通过反正切计算和连续相位解调，实现位移、振动的高精度测量。由于激光功率漂移、光学元器件不理想以及光学元件安装位置误差等因素，尤其是偏振分光镜PBS和偏振片等光学器件存在偏振泄漏，消偏振分光镜NBS存在附加相移，波片器件存在相位延迟误差等因素，导致实际输出的两路正交信号存在直流偏置、不等幅及非正交误差，从而给测量结果带来非线性误差，其中直流偏置误差和不等幅误差可采用实时补偿算法消除，而非正交误差难以采用实时补偿算法消除。考虑零差激光测振仪的鲁棒性，光学元件尤其是波片的旋转轻微偏离指定角度不应该产生显著的测量误差。误差灵敏度是衡量零差激光测振仪鲁棒性的重要指标。波片的非正交误差灵敏度，即波片旋转轻微偏离指定角度对非正交误差的影响程度，制约了非正交误差的减小；波片的非正交误差灵敏度越大，零差激光测振仪的非正交误差越难以调整，其鲁棒性越差。因此，如何通过光路结构与原理上的创新，从原理上降低波片的非正交误差灵敏度，是解决零差激光测振仪同时兼顾亚纳米甚至皮米量级的非线性误差、实时测量以及高鲁棒性的问题最有效的方法。针对现有各种四通道零差正交激光测振测技术方案，对其各自的优缺点以及波片的非正交误差灵敏度较大的原因分述如下：(1)1995年，意大利学者Greco首次提出一种基于四分之一波片移相和偏振分光镜PBS分光的四通道零差正交激光测振测技术方案(GrecoV，MolesiniG，QuercioliF.”Accuratepolarizationinterferometer”.ReviewofScientificInstruments，1995，66(7)：3729-3734.)。该技术方案可用于零差正交激光测振仪的探测部分，如前级光路输出信号形式为两个偏振方向正交的线偏振光，记为P光和S光，使二分之一波片的快轴方向与P光或S光的偏振方向成22.5°夹角，则P光、S光经过二分之一波片后变成偏振方向为45°方向的两个正交线偏振光，再经消偏振分光镜NBS等比例分光，其中一路直接经偏振分光镜PBS得到两路相位为0°和180°的干涉信号，另一路先经快轴为45°方向的的四分之一波片变成圆偏振光，再经偏振分光镜PBS分光得到另外两路相位为90°和270°的干涉信号，最终得到四路相位相差90°的干涉信号。该方案受干涉部分、探测部分的偏振混叠以及探测部分的附加相移影响，探测部分二分之一波片的非正交误差的旋转灵敏度为1.5°/1°。(2)2015年，哈尔滨工业大学的胡鹏程等也提出了一种基于空间旋转渥拉斯特棱镜的四通道零差正交激光测振测技术方案(PengchengHu，et.al.“DC-offsethomodyneinterferometeranditsnonlinearitycompensation”.OpticsExpress，2015，23(7)：8399-8408)。该技术方案中，如干涉部分输出两个偏振方向正交的线偏振光，记为P光和S光，经消偏振分光镜NBS分成两束，一束直接经绕光束方向空间旋转45°的渥拉斯特棱镜分成两束，然后被两个光电探测器接收，另一束先经光轴与一个线偏振光的偏振方向一致的四分之一波片，再经另一绕光束方向空间旋转45°的渥拉斯特棱镜分成两束，然后被另两个光电探测器接收。最终得到四路相位相差90°的干涉信号。该方案同样受干涉部分的偏振混叠和探测部分的附加相移影响，探测部分四分之一波片的非正交误差旋转灵敏度为2.7°/1°。(3)2015年.哈尔滨工业大学的崔俊宁等提出了一系列基于消偏振分光镜和渥拉斯特棱镜分光的四通道零差正交激光测振测技术方案(1.崔俊宁，何张强，谭久彬.单路圆偏振干涉和单渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪，中国专利授权号：ZL201510340554.0；2.崔俊宁，何张强，谭久彬.双路圆偏振干涉和单渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪，中国专利授权号：ZL201510341864.4；3.崔俊宁，何张强，久元溦，姜宏蕾，谭久彬.单路线偏振干涉和单渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪，中国专利授权号：ZL201510340370.4；4.崔俊宁，何张强，谭久彬.双路线偏振干涉和单渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪，中国专利授权号：ZL201510340552.1)。这些技术方案中，干涉部分采用消偏振分光镜分光，通过在测量臂和参考臂中引入一个四分之一波片，使干涉部分输出两个偏振方向正交的线偏振光或圆偏振光，探测部分采用消偏振分光镜和渥拉斯特棱镜分光，产生四路相位相差90°的干涉信号。这些技术方案从原理上消除了偏振混叠，但是消偏振分光镜的附加相移使波片的非正交误差灵敏度增加的问题没有得到有效解决。综上，由于偏振分光镜的偏振混叠和消偏振分光镜的附加相移等因素，导致现有零差正交激光测振仪技术方案在干涉部分和探测部分，受光路结构、原理及光学器件本身特性不理想的限制，存在波片非正交误差灵敏度较大的问题，非正交误差灵敏度高达2°/1°左右，从而导致非线性误差很难调整到零，其值可达几nm甚至几十nm，难以满足实时、高精度测量，尤其是下一代亚纳米甚至皮米级精度、以及纳米级振幅等振动测量需求。因此，如何通过光路结构与原理上的创新，提供一种能从光路结构和原理上抑制非线性误差以及降低波片非正交误差灵敏度的零差正交激光测振技术方案，提高零差激光测振仪的鲁棒性，意义十分重大。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有零差正交激光测振技术方案在光路结构和原理上存在的波片非正交误差灵敏度较大的问题，提供一种基于波片偏航的高鲁棒性零差激光测振仪及四步调整法，通过光路结构与原理的创新，光路调整简单，使波片在指定安装角度位置非正交误差为零且波片的非正交误差灵敏度为零，减少了光路的非线性误差，提高了光路的鲁棒性，可满足实时测量的需求。本专利技术的技术解决方案是：一种基于波片偏航的高鲁棒性零差激光测振仪，由干涉部分和探测部分组成，所述干涉部分由激光器、光隔离器、第一消偏振分光镜、参考镜、第一四分之一波片、二分之一波片和测量镜组成；激光器发出线偏振光，经光隔离器后被第一消偏振分光镜分光，反射光作为参考光与第一四分之一波片、参考镜形成参考臂，透射光作为测量光与二分之一波片、测量镜形成测量臂，第一四分之一波片位于第一消偏振分光镜和参考镜之间，二分之一波片位于第一消偏振分光镜和测量镜之间；参考光经第一消偏振分光镜透射，测量光经第一消偏振分光镜反射，参考光与测量光合光形成干涉光；所述探测部分由第二消偏振分光镜、第二四分之一波片，第一渥拉斯特棱镜、第二渥拉斯特棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器组成；干涉光经第二消偏振分光镜透射形成第一光束和反射形成第二光束；第一光束经第一渥拉斯特棱镜分成第一o光、第一e光，分别被第一光电探测器、第二光电探测器接收；第二光束先经第二本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于波片偏航的高鲁棒性零差激光测振仪，由干涉部分(13)和探测部分(14)组成，其特征在于：所述干涉部分(13)由激光器(1)、光隔离器(2)、第一消偏振分光镜(3)、参考镜(4)、第一四分之一波片(25)、二分之一波片(5)和测量镜(6)组成；激光器(1)发出线偏振光，经光隔离器(2)后被第一消偏振分光镜(3)分光，反射光作为参考光(15)与第一四分之一波片(25)、参考镜(4)形成参考臂，透射光作为测量光(16)与二分之一波片(5)、测量镜(6)形成测量臂，第一四分之一波片(25)位于第一消偏振分光镜(3)和参考镜(4)之间，二分之一波片(5)位于第一消偏振分光镜(3)和测量镜(6)之间；参考光(15)经第一消偏振分光镜(3)透射，测量光(16)经第一消偏振分光镜(3)反射，参考光(15)与测量光(16)合光形成干涉光(17)；所述探测部分(14)由第二消偏振分光镜(20)、第二四分之一波片(26)，第一渥拉斯特棱镜(7)、第二渥拉斯特棱镜(8)、第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)、第三光电探测器(11)和第四光电探测器(12)组成；干涉光(17)经第二消偏振分光镜(20)透射形成第一光束(18)和反射形成第二光束(19)；第一光束(18)经第一渥拉斯特棱镜(7)分成第一o光(21)、第一e光(22)，分别被第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)接收；第二光束(19)先经第二四分之一波片(26)后，经第二渥拉斯特棱镜(8)分成第二o光(23)、第二e光(24)，分别被第三光电探测器(11)、第四光电探测器(12)接收；所述第一四分之一波片(25)和二分之一波片(5)具有一定的偏航角度。...
【技术特征摘要】
1.一种基于波片偏航的高鲁棒性零差激光测振仪，由干涉部分(13)和探测部分(14)组成，其特征在于：所述干涉部分(13)由激光器(1)、光隔离器(2)、第一消偏振分光镜(3)、参考镜(4)、第一四分之一波片(25)、二分之一波片(5)和测量镜(6)组成；激光器(1)发出线偏振光，经光隔离器(2)后被第一消偏振分光镜(3)分光，反射光作为参考光(15)与第一四分之一波片(25)、参考镜(4)形成参考臂，透射光作为测量光(16)与二分之一波片(5)、测量镜(6)形成测量臂，第一四分之一波片(25)位于第一消偏振分光镜(3)和参考镜(4)之间，二分之一波片(5)位于第一消偏振分光镜(3)和测量镜(6)之间；参考光(15)经第一消偏振分光镜(3)透射，测量光(16)经第一消偏振分光镜(3)反射，参考光(15)与测量光(16)合光形成干涉光(17)；所述探测部分(14)由第二消偏振分光镜(20)、第二四分之一波片(26)，第一渥拉斯特棱镜(7)、第二渥拉斯特棱镜(8)、第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)、第三光电探测器(11)和第四光电探测器(12)组成；干涉光(17)经第二消偏振分光镜(20)透射形成第一光束(18)和反射形成第二光束(19)；第一光束(18)经第一渥拉斯特棱镜(7)分成第一o光(21)、第一e光(22)，分别被第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)接收；第二光束(19)先经第二四分...
【专利技术属性】
技术研发人员：何张强，崔俊宁，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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