基于全光纤正交偏振光程匹配短相干光源的干涉测量方法

1.本发明属于光干涉测量技术领域，具体涉及一种基于全光纤正交偏振光程匹配短相干光源的干涉测量方法。


背景技术：

2.随着社会和科技的进步，光学在科学研究以及生产制造中都得到了广泛的应用，光学元件作为光学技术实现的载体也变得更加丰富和多样化。光学元件的多样化不仅需要依托高端的制造能力，还需要高精度的检测能力作为参考标准。光干涉测量技术的精度可达到纳米量级且具有非接触的特点，在光学检测领域得到了广泛认同和使用，通过对干涉条纹图像进行处理和解算，可以高效地得到元件的精准面型信息。
3.短相干光源的相干长度短，时间相干性差，由它产生的两束光波之间的非相干光程差极小，基本要在零光程差位置附近才能观察到干涉条纹，且条纹也只有为数不多的几条，利用这一特征，短相干干涉测量可以克服单色光条纹级次模糊的缺点，大大拓展了干涉检测的垂轴检测范围，使得一些单色光干涉测量中的难题得以解决，例如：大型拼接式望远镜子镜之间的piston误差检测。
4.在短相干干涉测量中，针对待测元件和标准元件之间的间距，尤其是难以通过移动待测镜来改变腔长的大型光源元件，在光源位置通过一定的方式进行光程匹配是一种更为快捷有效的方式；针对参考光束和测量光束光强不匹配带来的条纹对比度差问题，需要在光源位置加入有效的调节机构对相干光束的光强进行调节；与现有自由空间方案相比，全光纤光源结构抗干扰能力更强，具有更为灵活的结构和机动性，无需光学对准，在不失稳定和精度的前提下，可实现即连即用，搭建与操作更为简易，更适宜于产业化。本发明提出一种基于全光纤正交偏振光程匹配短相干光源的干涉测量方法，可适配不同结构的干涉仪完成短相干干涉测量，采用光纤延迟线和光纤可调衰减器，分别解决短相干干涉中光程匹配和光强匹配两大关键问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种装置高度集成、操作简易、抗干扰能力强并更适于产业化的基于全光纤正交偏振光程匹配短相干光源的干涉测量方法。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于全光纤正交偏振光程匹配短相干光源的干涉测量方法，步骤如下：
7.步骤1、将全光纤正交偏振光程匹配短相干光源与干涉仪连接。
8.所述全光纤正交偏振光程匹配短相干光源包括短相干激光器、第一保偏光纤、光纤偏振分束器、第二保偏光纤、光纤可调衰减器、第三保偏光纤、第四保偏光纤、光纤延迟线、第五保偏光纤、光纤偏振合束器、第六保偏光纤。
9.步骤2、将被测件置于干涉仪的测试光路中，控制干涉腔长为全光纤正交偏振光程匹配短相干光源中s光光路与p光光路长度差值的自由空间等效光程。
10.步骤3、打开短相干激光器，通过光纤延迟线调节正交偏振光束间光程差，观察干涉仪偏振相机所接收灰度图像的对比度变化，当发生突变，出现干涉条纹时即为光程匹配最佳位置附近，进一步调节，当干涉条纹最为清晰，对比度最佳则为光程匹配最佳位置即零光程位置。
11.步骤4、通过光纤可调衰减器调节正交偏振光束间光强差，直至干涉条纹对比度最佳。
12.步骤5、通过干涉仪偏振相机采集短相干干涉条纹图，并用四步移相算法进行解算。
13.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
14.(1)光源装置为高度集成的全光纤结构，结合动态干涉仪，可抗环境振动和气流干扰，对环境要求低，具有更为灵活的结构和机动性，装置安装无需繁琐地光学对准，在不失稳定和精度的前提下，可实现即连即用，相较于自由空间方案更适宜于产业化；
15.(2)光源装置本身即可生成一对光程差可调且光强匹配的短相干正交线偏振光，无需移动被测件改变干涉仪腔长即可得到清晰的干涉条纹；
16.(3)采用短相干光源，可以避免系统内杂散条纹对测量结果的影响；
17.(4)采用已在通信行业得到广泛使用和验证的光纤延迟线调控光程差，方案可靠性强；
18.(5)测试过程简单，调节方便。
附图说明
19.图1为本发明基于全光纤正交偏振光程匹配短相干光源的干涉测量方法流程图。
20.图2为本发明一种全光纤正交偏振光程匹配短相干光源的结构示意图。
21.图3为光纤延迟线光程延迟原理示意图。
22.图4为被测件表面不同高度轮廓在扫描过程中干涉波包的形成示意图。
23.图5为光纤可调衰减器原理示意图。
24.图6为本发明应用于泰曼
·
格林型动态干涉仪的光路结构示意图。
25.图7为本发明应用于斐索型动态干涉仪的光路结构示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明进行进一步的详细描述。
27.结合图1和图2，一种基于全光纤正交偏振光程匹配短相干光源的干涉测量方法，包括以下步骤：
28.步骤1、将全光纤正交偏振光程匹配短相干光源与干涉仪8通过光纤接头7连接。
29.所述全光纤正交偏振光程匹配短相干光源包括：短相干激光器1、第一保偏光纤2-1、光纤偏振分束器3、第二保偏光纤2-2、光纤可调衰减器4、第三保偏光纤2-3、第四保偏光纤2-4、光纤延迟线5、第五保偏光纤2-5、光纤偏振合束器6、第六保偏光纤2-6。
30.进一步地，短相干激光器1通过第一保偏光纤2-1与光纤偏振分束器3连接，光纤偏振分束器3将光路分为两路，即p光光路和s光光路；其中p光光路依次布置第二保偏光纤2-2、光纤可调衰减器4和第三保偏光纤2-3；s光光路依次布置第四保偏光纤2-4、光纤延迟线5
和第五保偏光纤2-5；光纤偏振合束器6将光路再次合为一路，并通过第六保偏光纤2-6与光纤接头7连接。
31.进一步地。所述短相干激光器1输出光为宽光谱线偏振激光，激光频率及功率稳定性满足干涉测量条纹稳定性要求。
32.步骤2、将被测件9置于干涉仪8的测试光路中，控制干涉腔长为全光纤正交偏振光程匹配短相干光源中s光光路与p光光路长度差值的自由空间等效光程。
33.步骤3、打开短相干激光器1，此时，短相干激光器1输出的宽光谱线偏振光延第一保偏光纤2-1慢轴输入光纤偏振分束器3的第一输入端口(port3)，第一保偏光纤2-1慢轴方向与光纤偏振分束器3分光方向呈45
°
对准，使短相干激光器1输出的宽光谱线偏振光将按光强比1:1分为两束偏振方向正交的线偏振光，即延纸面振动的p光和垂直于纸面振动的s光，分别由第一输出端口(port1)即p光输出端口和第二输出端口(port2)即s光输出端口输出，并延p光光路和s光光路传播；在p光光路中，p光延第二保偏光纤2-2输入光纤可调衰减器4，再经第三保偏光纤2-3输入光纤偏振合束器6的第二输入端口(port1)即p光输入端口，第三保偏光纤2-3慢轴方向与第二保偏光纤2-2相同，以确保p光偏振态不发生改变。在s光光路中，s光延第四保偏光纤2-4输入至光纤延迟线5，后第五保偏光纤2-5将s光输入至光纤偏振合束器6的第三输入端口(port2)即s光输入端口，与p光进行合束，第五保偏光纤2-5慢轴方向与第四保偏光纤2-4相同，以确保s光偏振态不发生改变；在光纤偏振合束器6中，两束光最终形成一对具有一定光程差的正交线偏振光，经第三输出端口(port3)进入第六保偏光纤2-6并传输至光纤接头7，由光纤接头7输出至干涉仪8测量光路中。其中第六保偏光纤2-6慢轴方向与第三保偏光纤2-3相同，则其快轴方向与第五保偏光纤2-5慢轴方向相同，使得p光与s光分别延其慢轴和快轴保偏传输。
34.结合图3，所述光纤延迟线5包括光纤耦合输入口10、光纤耦合输出口11、角锥棱镜12、螺杆13和调节螺母14。s光由第四保偏光纤2-4传输至光纤耦合输入口10，后以准直光束形式经自由空间传输至角锥棱镜12中，由于角锥棱镜12入射光和出射光平行的性质，s光被平行反射回自由空间，并产生一定的径向偏移量，最终被与光纤耦合输入口11间隔等于角锥棱镜12入、反射光束径向偏移量的光纤耦合输出口11接收，由第五保偏光纤2-5输出；转动调节螺母14可带动螺杆13使角锥棱镜12平移，以调节s光光程延迟量。
35.结合图4，调节光纤延迟线5对被测件9表面高度形貌进行扫描，被测件9表面不同高度轮廓在扫描过程中会形成干涉波包，干涉仪8偏振相机上不同水平位置上的像素点在调节过程中会获得相应干涉波包的明暗变化，观察干涉仪8偏振相机所接收灰度图像的对比度变化，当发生突变，出现干涉条纹时即为光程匹配最佳位置附近，进一步调节，当干涉条纹最为清晰，对比度最佳则为光程匹配最佳位置即干涉波包的峰值位置。
36.进一步地，所述光纤延迟线5调节精度远小于短相干激光器1所输出宽光谱线偏振激光相干长度，且调节范围远大于被测件9表面形貌高度差的最大值。
37.步骤4、通过光纤可调衰减器4调节正交偏振光束间光强差，直至干涉条纹对比度最佳。
38.结合图5，所述光纤可调衰减器4由输入光纤2-2、准直透镜15、聚焦透镜16、阻挡装置17和输出光纤2-3组成；输入光纤2-2和输出光纤2-3即第二保偏光纤2-2和第三保偏光纤2-3。准直透镜15将p光由光纤空间扩束准直至自由空间，转动调节螺钉，可使阻挡装置17移
动到光束路径中，阻挡部分自由空间光束，然后，聚焦透镜16将光耦合到输出光纤2-3中，以手动改变耦合效率，直到获得所需的衰减即干涉条纹对比度最佳，此时经过光纤可调衰减器4的p光与经过光纤延迟线5的s光光强匹配。
39.步骤5、通过干涉仪8偏振相机采集短相干干涉条纹图，并用四步移相算法进行解算。
40.实施例1
41.结合图6，为本发明基于全光纤正交偏振光程匹配短相干光源的干涉测量方法应用于泰曼
·
格林型动态干涉仪8-1的光路结构示意图。
42.步骤1、将全光纤正交偏振光程匹配短相干光源与泰曼
·
格林型动态干涉仪8-1通过光纤接头7连接。
43.步骤2、将被测件9置于检测光路中，控制被测件9与偏振分束器19间距和标准件21与偏着分束器18间距差值即干涉腔长为全光纤正交偏振光程匹配短相干光源中s光光路与p光光路长度差值的自由空间等效值。
44.步骤3、打开短相干激光器1，全光纤正交偏振光匹配短相干光源输出的具有一定光程差的光强大小匹配的一对正交线偏振光经扩束镜17扩束准直后，被偏振分束器19分束，其中，光程较长的s光将作为参考光束被偏振分束器19反射至标准件21，后被反射回偏振分束器19，过程中来回两次经过第一λ/4波片20-1后，偏振方向旋转90
°
变为p光，透过偏振分束器19入射至成像光路；光程较短的p光则作为测试光束透过偏振分数器18入射至被测件9，后被反射回偏振分束器19，同理，过程中p光两次经过第二λ/4波片20-2后变为s光，被偏振分束器19反射至成像光路；在成像光路中，携带被测件9表面形貌信息的正交偏振光束经第三λ/4波片20-3变为旋转方向相反的圆偏振光，再由偏振相机22进行偏振移相形成4副等相位差间隔的干涉图。
45.使用光纤延迟线5调节全光纤正交偏振光程匹配短相干光源中s光与p光之间的光程差，当两光束光程差与干涉腔长相等时，即零光程差位置，偏振相机22将接收到干涉条纹。
46.步骤4、调节光纤可调衰减器4，可对两相干光束进行光强匹配，以提高条纹对比度，最终得到清晰的、对比度最佳的短相干干涉条纹。
47.步骤5、记录待测面上不同点产生相应干涉条纹峰值光程差的位置，并通过四步移相算法对偏振相机22生成的移相干涉图进行解算，就可以获得被测件9的表面高度形貌。
48.实施例2
49.结合图7，将本发明基于全光纤正交偏振光程匹配短相干光源的干涉测量方法应用于斐索型动态干涉仪8-2的光路结构示意图。
50.步骤1、将全光纤正交偏振光程匹配短相干光源与斐索型动态干涉仪8-2通过光纤接头7连接。
51.步骤2、将被测件9置于检测光路中，控制被测件9与标准件26间距即干涉腔长为全光纤正交偏振光程匹配短相干光源中s光光路与p光光路长度差值的自由空间等效值。
52.步骤3、打开短相干激光器1，全光纤正交偏振光匹配短相干光源输出的具有一定光程差的光强大小匹配的一对正交线偏振光经负透镜23扩束后经分光棱镜24一半透射，一半反射，其中透射光经过准直透镜25准之后，经标准件26后表面和被测件9前表面各反射回
一束光，两束光经过分光棱镜24后，再次一半透射，一半反射，其中反射光将透过成像透镜27，经λ/4波片28后，在偏振相机29靶面上成像，调节光纤延迟线5改变s光与p光光程差，当标准件26后表面反射回的s光与被测件9前表面反射回的p光满足零光程差条件时，偏振相机29将接收到干涉条纹。
53.步骤4、调节光纤可调衰减器4，使得s光和p光光强匹配，干涉条纹对比度将达到最佳。
54.步骤5、记录待测面上不同点产生相应干涉条纹峰值光程差的位置，并通过四步移相算法对偏振相机29生成的移相干涉图进行解算，就可以获得被测件9的表面高度形貌。
55.综上所述，本发明可应用于不同结构干涉仪，无需改变干涉仪腔长即可得到清晰的短相干干涉条纹，在保障干涉条纹稳定性的同时，提高了短相干干涉测量的装置集成度、简易性和抗干扰能力，更适宜于产业化。