CN104035196B - 一种用于移相干涉技术的平行棱镜移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于移相干涉技术的平行棱镜移相器。本发明包括平行棱镜、步进电机、高反镜和分束器。五个平行棱镜相对于入射光束以不同的偏移角度固定在步进电机的平台上，每个棱镜的偏移角度由其所要引起的p光和s光的相位差决定，入射光经过分束器分成两束光，一束入射到平行棱镜上，光经过平行棱镜的全内反射后到达高反镜，调节高反镜使其与出射光路垂直，经过高反镜反射后的光按照原路返回，并最终从分束器分离出去成为已调制的出射光。本发明结构装置简单，稳定性高，调制效果精度高，成本低，使用寿命长。

Description

一种用于移相干涉技术的平行棱镜移相器

技术领域

本发明属于传统光学、光子学和工程检测学交叉技术领域，具体涉及一种应用于移相干涉技术中的棱镜移相器。

背景技术

移相干涉技术(Phase-Shifting Interferometry，以下简称PSI)可以用来从干涉图样中提取出信号光和参考光的相位差信息。本发明利用这一原理设计出棱镜移相器来检测系统的相位差。

发明内容

本发明针对移相干涉技术的移相器对实验环境要求高、实验稳定度低等缺点，发明了一种全新的棱镜移相器。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括平行棱镜、步进电机、高反镜和分束器。

五个平行棱镜相对于入射光束以不同的偏移角度固定在步进电机的平台上，每个棱镜的偏移角度由其所要引起的p光和s光的相位差决定，入射光经过分束器分成两束光，一束入射到平行棱镜上，光经过平行棱镜的全内反射后到达高反镜，调节高反镜使其与出射光路垂直，经过高反镜反射后的光按照原路返回，并最终从分束器分离出去成为已调制的出射光。

调节好每个平行棱镜与入射光之间的夹角，固定锁紧，通过计算机控制步进电机平台带动平行棱镜的连续移动，从而将五个平行棱镜分别引入光路中，从而实现p光和s光的五个不同的相位改变。

本发明具有的有益效果是：本发明是基于五个不同入射角的平行棱镜的移相器，可用于移相干涉技术中，测出系统中的相位差。其结构装置简单，稳定性高，调制效果精度高，成本低，使用寿命长，有着很大的发展前景和市场发展空间。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

平行棱镜移相器原理：

根据麦克斯韦理论和菲涅尔定律，当激光以大于临界角θ_c的入射角θ从玻璃向空气发射时，会在玻璃-空气界面上发生全反射，此时反射光的p光和s光的相位会发生不同的改变，称p光和s光的相位改变值之差为入射角θ下的相位调制角。相位调制角大小与玻璃折射率、入射角θ和全反射次数有关。当其他参数固定时，改变入射角就可以改变相位调制角的大小。

p光和s光的干涉光强为：

I(p,s)＝I_a+I_bcos[θ(p,s)]，

另一种表达形式为：

I(p,s,δ)＝I_avg[1+γcos[φ+δ(p,s)]]。

其中，φ表示系统的相位差，δ(p,s)表示p光和s光的相位改变值之差。

将其展开为：

I(p,s,δ)＝I_avg+I_avgγcos[δ(p,s)]cos[φ]-I_avgγsin[δ(p,s)]sin[φ]，

令a₀＝I_avg，a₁＝I_avgγcos[φ]，a₂＝I_avgγsin[φ]，

则干涉光强为I(p,s,δ)＝a₀+a₁cos[δ(p,s)]-a₂sin[δ(p,s)]，其中，a₁、a₂、a₃均为未知量。则最少需要有三个不同的δ(p,s)得到三个不同的I(p,s,δ)，分别求出a₁、a₂、a₃，得到系统的相位差φ。

根据上述原理，可以通过改变不同的入射角，得到不同的δ(p,s)，从而求出 $\tan \mathrm{\φ}=-\frac{a_2}{a_1}.$

如图1所示，本实施例以5点式棱镜移相为例，即通过5个不同的δ(p,s)得出系统的相位差φ。5个平行棱镜进行p光和s光的相位差的调制，则5个调制点分别为0，-0.4π，-0.8π，-1.2π，-1.6π。

若用n个平行棱镜进行p光和s光的相位调制，则n个调制点为0， $-\frac{4\mathrm{\π}}{n},$ …， $-\frac{2(n-1)\mathrm{\π}}{n}.$

最终得出的系统的相位差是n的值越大，最终调制效果越精确，分辨率越高。但是，n的值越大，其调制的装置越复杂。最终，本实施例采用n＝5进行调制

取5个不同的δ(p,s)，δ₁(p,s)＝-0π，δ₂(p,s)＝-0.4π，δ₃(p,s)＝-0.8π，δ₄(p,s)＝-1.2π，δ₅(p,s)＝-1.6π，得到5个不同的干涉光强，I(1)，I(2)，I(3)，I(4)，I(5)，最终求出 $\tan \mathrm{\φ}=-\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}I\left(i\right)\sin (-i\×0.4\mathrm{\π})}{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}I\left(i\right)\cos (-i\×0.4\mathrm{\π})}.$

一个平行棱镜最大可以产生的p光和s光的相位差δ(p,s)＝-π。因此δ₄(p,s)＝-1.2π和δ₅(p,s)＝-1.6π需要通过两个平行棱镜耦合在一起实现。

本实施例中的平行棱镜的材料为BK7，光学面抛光处理，要求面形λ/4，光洁度IV级。采用的步进电机为Thorlabs MTS50A-Z8。步进电机控制器采用的驱动为Thorlabs TDC001。高反镜直径25.4mm，镀介质膜，在671nm波长处的反射率大于99％。光分束器直径25.4mm，671nm波长的激光以45°入射角入射时，反射光强和透射光强之比为1:1。

综上所述，本发明的平行棱镜有效的实现了对光路相位差的探测，并且光强的细微波动对本发明最终的探测结果影响不大。

Claims (1)

1.一种用于移相干涉技术的平行棱镜移相器，包括平行棱镜、步进电机、高反镜和分束器，其特征在于：

五个平行棱镜相对于入射光束以不同的偏移角度固定在步进电机的平台上，每个平行棱镜的偏移角度由其所要引起的p光和s光的相位差决定，入射光经过分束器分成两束光，一束入射到平行棱镜上，光经过平行棱镜的全内反射后到达高反镜，调节高反镜使其与从平行棱镜出射的光束垂直，经过高反镜反射后的光按照原路返回，并最终从分束器分离出去成为已调制的出射光；

调节好每个平行棱镜与入射光束之间的夹角，固定锁紧，通过计算机控制步进电机平台带动平行棱镜的连续移动，从而将五个平行棱镜分别引入光路中，从而实现p光和s光的五个不同的相位差改变；

所述的5个平行棱镜进行p光和s光的相位差调制值分别为0，-0.4π，-0.8π，-1.2π，-1.6π。