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短相干光源偏振移相Fizeau 干涉仪的实验研究

2014/11/13 21:35:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  徐 晨,陈 磊,左 芬

  (南京理工大学 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094)

  摘要:研究了一种偏振移相Fizeau 干涉仪,以中心波长为650 nm 的多纵模半导体激光器作为光源,利用光源短相干特性和一套偏振延迟装置分出一对偏振方向正交参考光和测试光,采用巴比列-索列尔补偿器作为偏振移相器,采集四幅移相干涉图按照传统移相算法图,测试了一块平行平板的前表面面形。PV 值为0.068 2 λ,RMS 值为0.012 7 λ。该方法的优点是移相精度高,移相时无须推动参考镜,可适用于大口径系统的干涉测试,同时消除了多表面干涉杂散条纹的影响。

  0 引 言

  基于Fizeau 型式的移相干涉仪广泛用于光学元件的面形、平行度、折射率均匀性以及光学系统的波像差测量,通常都是采用PZT 实现移相,随着干涉仪的口径逐渐增大,特别口径大于600 mm 时,这种传统的机电式移相法已不再适应大口径干涉仪的发展需求,需要研究新的移相方式。除了变波长移相[1]外,偏振移相是目前大口径干涉仪一种很有效的移相手段。Fizeau 型干涉仪是一种准共光路的干涉仪,因此和Twyman-Green 型分光路干涉仪相比,有诸多优点,比如结构简单,抗干扰能力强、只需要参考镜加工成高精度等,然而正因为参考光和测试光共光路,很难像分光路干涉仪那样,分别改变两束光的偏振态,实现偏振式的Fizeau 干涉仪。Sanjib Chatterjee[2]提出了一种插入1/4 波片法,通过在Fizeau 干涉仪干涉腔中插入一个1/4 波片,测试光两次通过1/4 波片,左旋偏振光变成右旋偏振光,然后通过旋转偏振元件实现了Fizeau 干涉仪的偏振移相,该方法需要在干涉腔中插入一块和参考镜大小相当的1/4 波片,制造大口径的1/4 波片比较困难,而且需要消除波片本身精度对测试结果的影响。渥拉斯棱镜分光倾斜参考镜法[3,4]需要让参考镜倾斜一定的角度,破坏了Fizeau干涉仪的共光路特性。Kimbrough[5]和Ai[6]等人曾利用短相干光源的干涉仪测量了平行平板面形。设计了一种新的光路并搭建了实验平台,以多纵模半导体激光器作为光源,利用光源的相干性辅以一套偏振延迟系统,分出一对正交的参考光和测试光,通过巴比列-索列尔补偿器实现偏振移相,保持了Fizeau 干涉仪的共光路特性。

  1 原 理

  实验原理如图1 所示,波长为650 nm 的红光半导体激光器发出的线偏振光可以分为平行于纸面振动的p 光和垂直于纸面振动的s 光,经过偏振分光棱镜(PBS)时,s 光反射,p 光透射,因为p 光和S光两次通过光轴45°方向1/4 波片时,偏振方向旋转90°,所以经反射镜A 和反射镜B 反射后,原来反射的s 光变成p 光透过PBS,原来透射的p 光变成s 光在PBS 上反射。因此,从PBS 出射的是一对正交偏振光,反射镜固定在一个直线导轨上,可以改变p光、s 光的延迟量。图中反射镜B 和反射镜的镜像A’距离为ΔL,那么s 光滞后p 光2ΔL。空间滤波器、准直物镜构成扩束系统。p 光、s 光先后分别在参考镜R 和被测镜T 反射,设干涉腔长为ΔL,反射光中分为4 种光,分别是R 反射的p 光Rp、R 反射的s光Rs、T 反射的p 光Tp、T 反射的s 光Ts,在偏振片光轴方向投影后可以干涉的组合是:RpRs、RpTp、RpTs、RsTp、RsTs、TpTs,分析他们之间的光程差:组合:RpRs RpTp RpTs RsTp RsTs TpTs程差:2ΔL 2ΔL 4ΔL 0 2ΔL 2ΔL所采用的半导体激光器工作在阈值电流以下,相干长度约为800 μm,远小于2 ΔL,可见只有Rs 和Tp 的光程差满足相干条件。而Rp 和Ts 非相干叠加作为背景。小孔光阑前检偏器的透光轴与P 光成45°角。巴比列-索列尔补偿器光轴和s 光平行,设待测镜的面行误差为δz,补偿器引入的相位为β,则光强表达式可以表示为:

  调整补偿器的精密测微丝杠,使得p 光、s 光之间的相位延迟量β 分别取0°、90°、180°、270°,则4幅干涉图的光强表达式为:

  根据四步移相算法可以得到包裹相位为:

  按照一定的解包算法可以得到待测面形误差为:

  2 实 验

  2.1 巴比涅-索列尔补偿器的标定

  如图2 所示,将补偿器置于正交尼科尔棱镜之间,旋转补偿器到消光位置,此时补偿器晶轴方向与第一个尼科尔棱镜透光轴重合,将补偿器旋转45°,调节测微丝杠可得到两个消光位置,分别对应于补偿器在该波长位相延迟为0 和2π 处,表1 为5 次标定的结果,那么补偿器0°、90°、180°、270°位相延迟所对应刻度分别为4.986 mm、8.454 mm、11.921 mm、15.389 mm。带游标的测微丝杠最小读数为0.001mm,最小刻度所对应的相位延迟为λ/13 870,可见和传统的机电式的PZT 移相法相比,偏振移相法的精度非常之高。

  2.2 测量及结果

  实际测量了一块平行度很好的平行平板样品,材料为K9 ,厚度为13 mm,口径为50 mm。图3 是激光器单纵模输出时的干涉条纹,它是参考面、样品前后表面三光束的相干叠加形成的。调节半导体激光器的工作电流到阈值电流之下,此时激光器发出的光是多纵模的,相干长度短,调整可变导轨,使得反射镜B 与反射镜镜像A’间的距离和样品前表面与参考面之间的距离相等,此时因相干长度不够,后表面反射的光与前表面和参考面反射光非相干叠加。干涉条纹仅仅为前表面和参考面反射光干涉形成。调整补偿器测微丝杠,分别引入90°、180°、270°的相移,图4为4 幅移相干涉图,根据4 步移相算法,得到前表面的面形误差,如图5,PV 值为0.068λ,RMS 值为0.013λ。

  3 结 论

  在共光路的Fizeau 干涉仪上实现了偏振移相,采用巴比涅-索列尔补偿器作为偏振移相器,精度高,无须移动参考镜,为大口径干涉仪的研制提供了一个很好的移相方案,短相干光源的使用还可以消除干涉系统中杂散条纹的影响,可用于平行平板玻璃、硬盘基片、CCD 保护玻璃等平行平板型光学元件的面形以及均匀性的测试。同时,旋转激光器后的1/2 波片,可以调整参考光和测试光的比例,因此该干涉仪理论上可以测试任意反射率光学表面的面形质量,拓展了干涉仪的功能。

  参考文献:

  [1] DECK L L, SOOBISKY J A. Phase-shifting via wavelength tuning invery large aperture interferometers[C]//Proceeding of SPIE, OpticalManufacturing and Testing Ⅲ, 1999, 3782: 432-442.

  [2] CHATTERJEE S, KUMAR Y P, BHADURI B. Measurement of surfacefigure of plane optical surfaces with polarization phase-shifting Fizeauinterferometer[J]. Optica and Laser Technology, 2007, 39:268-274.

  [3] KIICHEL M. Interferometer for measuring optical phase differences[P].U S Patent, 4, 872, 755, 1989.

  [4] MILLERD J E., WYANT J C. Simultaneous Phase-Shifting FizeauInterferometer[P]. U S Patent, 7, 057, 738, 2006.

  [5] KIMBROUGH B, MILLERD J, WYANT J, et al. Low-coherencevibration insensitive Fizeau interferometer [C]//Proceeding of SPIE,Interferometry XIII: Techniques and Analysis, 2006, 6292: 1-12.

  [6] AI C. Multimode laser Fizeau interferometer for measuring the surfaceof a thin transparent plate[J] . Applied Optics,1997, 36(31): 8135-8138.

  [7] SCHWIDER J. White-light Fizeau interferometer[J]. Applied Optics,1997, 36(7): 1433-1437.

  [8] SCHWIDER J. Superposition fringes for profiling applications[C]//Proceeding of SPIE, Optical Measurement Systems for IndustrialInspection V, 2007, 6616: 1-11.

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