一种双频激光干涉仪分光镜分光特性检测方法与流程

本发明属于激光应用技术领域，特别是涉及一种双频激光干涉仪分光镜分光特性的检测方法。

背景技术：

在双频激光干涉仪中，由于激光源偏振态的不理想、光学元器件的性能不理想和光学元器件位置调整不精确，会造成干涉光路中存在两种不同频率的偏振光，产生频率混叠，使测到的相位变化附加了一个额外的周期性的相位变化，导致测量到的相位变化与被测量不再成线性关系，即产生了非线性误差。非线性误差是随被测量的变化以光波波长为周期进行变化的，在高性能的激光干涉仪中该误差可能有几纳米，而在一般的激光干涉仪中，非线性误差为10-20nm左右，甚至超过20nm。这对于纳米级测量系统而言，将会对测量的精度造成巨大的影响。在产生非线性误差的误差源中，激光源偏振态不理想是指双频激光源的椭圆极化现象和两个频率激光束的非正交；光学元器件性能不理想主要是指起偏器引入的相位延迟，以及偏振分光镜(PBS)、非偏振分光镜(NPBS)的分光性能不理想；光学器件位置调整不精确是指光源与光学器件之间，以及各光学器件之间的透光轴不重合导致的放置误差。其中，偏振分光镜和非偏振分光镜分光性能不理想引入的一系列误差是非常重要的非线性误差源，分光镜分光性能的优劣是衡量分光镜是否能够用来搭建高精度双频激光干涉仪的标准。

陈洪芳等人研究了偏振分光镜分光性能不理想对非线性误差的影响[陈洪芳，丁雪梅，钟志. 偏振分光镜分光性能非理想对激光外差干涉非线性误差的影响. 中国激光，2006，33(11): 1562-1566]：研究表明偏振分光镜的透射率和反射率越低即T_p和R_s越小，漏光现象越严重，测量结果的非线性误差越大，可达到纳米量级。

钟志等人研究了偏振分光镜旋转角度误差对双频激光干涉仪非线性的影响[钟志，杨刚，陈洪芳等. 偏振分光镜旋转角度误差的确定. 计量学报，2006，27(3A):73-76]：研究表明当偏振分光镜存在放置误差时，偏振分光镜的偏振透光方向与外差干涉系统的偏振方向不一致，从而引入非线性误差，而且放置误差越大，非线性误差越大，误差在亚纳米量级。

侯文玫等人研究了非偏振分光镜对双频激光干涉仪非线性的影响[侯文玫，张运波，许琦欣. 分光镜对外差激光干涉仪非线性的影响. 机械工程学报，2008，44(9): 163-168]：指出非偏振分光镜对非线性误差存在影响，并且通过一系列实验发现非偏振分光镜对双频激光干涉仪非线性误差的影响远比偏振分光镜严重。

为了降低分光镜对双频激光干涉仪的影响，需要对分光镜的分光特性进行检测。刘国凤在棱镜制作中采用如下方法检测分光镜分光透射系数和反射系数以及消光比[刘国凤，阎永志，刘彪等. 棱镜偏振分光镜. 压电与声光，1991，13(5): 46-49]：将光源发射的激光直接耦合到多模石英光纤内，光纤出射光经短程透镜准直垂直入射到格兰棱镜，通过聚焦透镜后入射到样品上，通过旋转格兰棱镜，检测出射光输出光强的变化得到透射系数和反射系数参数。测试过程要求有安静清洁的环境、尽量减少震动，消除外界自然光以及其他的背景光，并且格兰棱镜旋转时透射光强均匀一致。这种检测方法忽略了光源的波动误差及光源偏振误差，虽然可设法尽量减少误差，但会显著增加成本，且最终测试结果不可避免具有残余误差。

为了减小分光镜分光特性参数中光源引入的误差，奇瑞运等人采用引入圆偏振光的方式测量分光镜分光特性参数[奇瑞运，吴福全，王庆，郝殿中等. 大视场1/4对称膜系偏光分束镜的研究. 光电子•激光，2010，8(21): 1167-1170]：这种方法中激光经过格兰泰勒棱镜起偏后通过1/4波片形成圆偏振光，然后圆偏振光经过一个消光比较高的偏振片（如格兰汤普森棱镜）入射到待测的偏振分光镜上，旋转格兰汤普森棱镜一周，用高精度的光功率计检测偏振分光镜分出的两路光的光强。这种检测方法要求所用到的圆偏振光功率稳定，偏振态理想，然而实际中圆偏振光存在偏振态非理想的问题，导致测量结果存在误差。

综上所述，分光镜分光不理想对双频激光干涉仪测量产生较大的非线性误差，在其分光特性检测的现有方法中，只能尽量减小光源误差的基础上进行测量，并没有消除激光光源对测量结果的影响，而实际中光源非理想是存在的，故现有理论模型不完善，在技术上也还存在一些不足。

技术实现要素：

针对现有测量方法的不足，本发明提出了一种双频激光干涉仪分光镜分光特性检测方法，其目的是为分光镜分光特性参数测量提供一种高精度测量方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种双频激光干涉仪分光镜分光特性检测方法，其特征在于使双频激光依次经过偏振器和待测分光镜，通过旋转待测分光镜前的偏振器，使得待测分光镜分光后透射路和反射路输出光强发生变化，然后对两路光强变化同时测量，并对两路光强曲线分析处理实现分光镜分光特性参数的解算，方法具体包括以下步骤：

（1）将频率为 和、偏振椭圆化角为和、偏振非正交化角为且与分光镜旋转角度为的双频激光通过偏振器后形成光学拍频信号，其频率为，振幅为，其中为偏振器透光轴的方位角；

（2）步骤（1）所述的光学拍频信号通过待测分光镜分为两束光，透射路拍频信号频率为，振幅为，反射光束拍频信号频率为，振幅为，其中为分光镜P波透射系数，为分光镜S波透射系数，为分光镜P波反射系数，为分光镜S波反射系数；

（3）步骤（2）所述的光学拍频信号由光电探测电路转换为交流电压信号，其频率为，透射路电压信号峰值为，反射路电压信号峰值为，其中为光电探测电路的增益系数；

（4）步骤（3）所述的交流电压信号进入真有效值转换电路，并转换为输入交流信号的有效值，透射路输出为 ，反射路输出为，其电压输出有效值由AD采集电路测量得到；

（5）旋转偏振器改变透光轴方位角，测量两路光强变化对应的输出电压有效值并作比值得到，其中为分光镜能量透射率，为分光镜能量反射率；

（6）步骤（5）所述的比值曲线取两点不同的，如和₂，联立公式，，，求解即可计算出分光镜的透射率和反射率；

（7）对分光镜分出的两路光强求和并得到求和曲线，根据公式和即可计算出分光镜旋转角度误差与光源偏振非正交化角为，其中为求和曲线90°附近极小值对应的方位角，为求和曲线180°附近极小值对应的方位角。

本发明具有以下特点及良好的效果：

（1）本发明中的方法综合考虑了双频激光的偏振非正交化与偏振椭圆化两种非理想偏振特性，考虑了分光镜的透射率和反射率测量以及分光镜的放置误差，系统模型完整，所得到的分光镜特性参数是精确的解，而现有的方法均没有将光源误差考虑在内，得到的只是近似的解，所以在理论上本发明的方法具有更高的精度。

（2）本发明既能够实现分光镜分光特性参数的求解，又能完成光源非正交角的求解，能够在一次测量基础上同时求解多个参数。

（3）本发明中的方法完成了偏振分光镜与非偏振分光镜的统一测量模型，而且系统中双路同步测量，有效的避免了测量中光源波动对测量结果的影响。

附图说明

图1 分光镜分光特性测量方案原理图。

图2 非理想的双频激光源偏振特性示意图。

图3 偏振分光镜两路光强幅值。

图4 偏振分光镜两路光强幅值比。

图5 非偏振分光镜两路光强幅值。

图6 非偏振分光镜两路光强幅值比。

图7 两路光强之和曲线与、。

具体实施方式

下面参照附图和优选实施实例对本发明进行详细的描述：

图1为分光镜分光特性测量方案原理图，双频激光依次经过偏振器和待测分光镜，通过旋转待测分光镜前的偏振器，使得待测分光镜分光后透射路和反射路输出光强发生变化，同时用光电转换电路接收两路光强的变化，并由数据采集及控制电路记录数据，发送至上位计算机存储。后续对采集到的数据进行处理，即可计算得出分光镜的能量透射率、能量反射率和放置误差，以及反映双频激光光源非理想特性的非正交角、椭圆极化角。

图2为非理想的双频激光源偏振特性示意图，图中的双频激光包含两个不同频率和偏振态的光分量E₁和E₂，他们对应的频率分别记为和；实际应用中，由于各种非理想因素存在，E₁和E₂不是严格的线偏振光，而是具有偏振椭圆极化角和的椭圆偏振光，其中E₁为右旋椭圆偏振光，椭圆极化角为，E₂为左旋椭圆偏振光，椭圆极化角为。此外，E₁和E₂主轴的夹角也不是严格的90°，与分光镜透光轴也不重合，选取待测偏振分光镜PBS的P光透光轴作为X轴，S光透光轴为Y轴，记E₁与分光镜透光轴X的夹角为，E₂和X轴的夹角为，得到光源X轴和Y轴的琼斯矩阵表达式为：

上式中，a₁和a₂分别为E₁和E₂的振幅，非理想双频激光经过偏振器形成光学拍时，偏振器透光轴如图2中虚线所示，与X轴的夹角为，即为偏振器透光轴的方位角，则双频激光在其透光轴方向上的光场分布E可表示为：

光束通过分光镜分光后记为P波透射系数、为S波透射系数、为P波反射系数、为S波反射系数，得到出射分光镜后透射光路（P光路）的琼斯矩阵表达式为：

反射光路（S光路）的琼斯矩阵表达式为：

推导得到透射光路和反射光路的光强表达式为：

其中与即为输出两路光强的幅值，其表达式为：

式中：

在实际测量光路中，两束光学拍频信号经过光电采集电路转换为交流电压信号，则透射路电压信号峰值为

，反射路电压信号峰值为，其中为光电探测电路的增益。

交流电压信号进入交流有效值转换电路，转换电路输出电压为输入交流信号的有效值，即透射光路的测量电压值为，反射光路电压测量值为，其数值再由AD采集电路测量得到。

旋转偏振器，改变其透光轴方位角，交流有效值转换电路输出电压随角而变化，对两路测量电压做比值：

其中为分光镜能量透射率，为分光镜能量反射率。

取两点不同的，如和，根据下述公式联立求解即可得到透射率与反射率：

本发明实现了对偏振分光镜与非偏振分光镜检测的模型统一，对二者求解仅仅是求解方位角选取不同。对偏振分光镜PBS的求解而言，由图3的偏振分光镜两路光强幅值可以看出，极大值和极小值在测量中都很难得到，所以在测试中需要避开极值测量，根据图4偏振分光镜两路光强幅值比发现在在155°到165°之间分辨率较高，所以求解偏振分光镜时，在这段区间内求解；对非偏振分光镜NPBS而言，图5可以看出极值点可测，并且图6中两路比值曲线较平缓，故可以直接使用极大值和极小值点带入联立公式求解能量透射率和反射率。

本发明在求解出分光镜特性参数的同时也能完成对光源误差与分光镜放置误差的检测。图2描述了实际双频激光的偏振状态，由于存在放置旋转角度误差和双频激光源两个频率光分量非正交角，所以两个椭圆偏振光分量的椭圆长轴与分光镜的透光轴并不重合，存在夹角，其中。

对分光镜分出的两路光强求和可得： ，当均小于4°时，如图7所示，两路光强之和y曲线近似存在如下关系 ：

其中分别为的两个极小值对应的方位角的值，其中为求和曲线在90°附近极小值对应的方位角，为求和曲线在180°附近极小值对应的方位角。通过该公式就可把求解出来，进而将非正交角和分光镜旋转角度误差求解出来：

最后，还可根据Jiubin Tan在文献中（Jiubin Tan, Haijin Fu, Pengcheng Hu, et al. A laser polarization state measurement method based on the beat amplitude characteristic. Measurement Science and Technology, 2011, 22(8): 085302）提到方法求解激光光源椭圆极化角。

由上述实例可知，本发明中的方法综合考虑了双频激光光源的椭圆极化误差和非正交误差，分光镜的放置误差和偏振漏光误差，对所有参量的测量同时完成，所得到的透射率和反射率不包含光源误差，是精确的求解；本发明完成了偏振分光镜和非偏振分光镜分光特性求解模型的统一，实现了不同分光镜用统一模型和方法检测分光特性；此外，采用双路同步测量方式，有效的避免了测量中光源波动对测量结果的影响。