CN110030921B - 剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置及方法。本发明所公开的装置和方法使用两个渥拉斯顿棱镜代替Nomarski棱镜和透镜，移动第二渥拉斯顿棱镜可使光束剪切量在一定范围内可调，以便适应不同情况被测相位物体的测量需求；且采用双频激光作为光源，相干性更强，形成的干涉图案更清晰。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置及方法。
背景技术
二十世纪中期发明了微分干涉相衬显微技术，其在观察材料表面形貌和透明物体的相位信息方面有着独特的效果。六十年代中期，Nomarski对棱镜进行了改进，使得其能够用在高倍测量领域。在之后几十年中，Delbert、Hartman等提出了完整的量化测量理论，使微分干涉相衬技术实现了定量测量。近年来，随着CCD、采集卡等相应技术的提高，微分干涉相衬测量技术得到了广泛的应用。
典型的微分干涉相衬测量技术采用Nomarski棱镜，将白炽灯光源发出并经起偏器后形成的线偏振光分成两条振动方向互相垂直、传播方向之间有微小夹角的P、S偏振光，再通过透镜形成平行的、分离量(即剪切量)略小于透镜空间分辨率的两束光，然后通过相位物体。由于两束光略有分离，因此投射在物体的不同位置，造成两束光的光程不一致。两束光在重新合并后经过检偏器发生干涉。由于两束光的剪切量很小，不会形成类似迈克尔逊干涉仪的多个干涉条纹，而是会把物体相位信息变化以明暗变化的方式表现出来，形成相衬效果的干涉图像，从而敏锐地表现出物体相位分布。最后通过算法从中得到相位物体的信息。
在上述方案中，被Nomarski棱镜分离的两束光在通过透镜后变成平行光束，这样两束光在通过被测相位物体时沿着光线前进方向的剪切量始终不变，便于定量测量和标定。为此，Nomarski棱镜的分光面位于透镜的前焦面，也使得两束光的剪切量固定不可调节。然而，在实际应用中，由于被测相位物体情况各异，测量时希望能对剪切量进行适当调节，以获得最优的干涉图像。
为实现剪切量可调的目的，本发明提出一种剪切量可调的透射式双激光微分剪切干涉光路以解决上述问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置及方法，其能实现光束剪切量在一定范围内的可调。
为解决上述技术问题，本发明是按如下方式实现的：一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置，其包括：双频激光器，双频激光器的输出光路上从左到右依次设置有第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜、待测样品、第一反射镜，第一反射镜的反射光路从右到左依次经过第二渥拉斯顿棱镜、第一渥拉斯顿棱镜，最终被第二反射镜反射，第二反射镜的反射光路从上到下依次设置有四分之一波片、偏振片和CCD探测器。
进一步的，所述第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜规格相同，组合方式如图1所示，第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜上所画的双竖线“||”和双圆点“··”代表光轴方向。
进一步的，所述第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜的楔角为0.28°。
进一步的，所述第二渥拉斯顿棱镜与第一渥拉斯顿棱镜间距离的调节范围为10～20mm。
本发明的另一目的还在于提供一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量方法，其包括如下步骤：
步骤一：打开双频激光器，使双频激光器发出一对具有互相正交的P、S线偏振光；
步骤二：通过前后移动第二渥拉斯顿棱镜来调节如步骤一所述的P、S线偏振光穿过第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜后得到的两束平行光的剪切量；
步骤三：使用CCD探测器记录干涉图案；
步骤四：旋转偏振片，对原P偏振光和S偏振光的相位差进行调制，使用CCD探测器分别不同偏振方向的干涉图案，提取出被测相位，采用相移算法进行还原获得待测样品的折射率分布。
进一步的，四分之一波片的快轴方向与P、S偏振方向夹角为45°。
进一步的，步骤四中选择五种不同的偏振方向，偏振片的方位角分别为-90°、-45°、0°、45°、90°。
本发明所公开的一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置与方法的工作原理是：
双频激光器发出一对相互正交的线偏振光，即一束光含有P、S两个偏振分量，二者具有一定数值的频率差。该光束经过第一渥拉斯顿棱镜，第一渥拉斯顿棱镜的楔角很小，因此光束的P、S分量以一个微小角度被分开，然后再经过第二渥拉斯顿棱镜。第二渥拉斯顿棱镜和第一渥拉斯顿棱镜规格相同但按晶体光轴方向相对放置，其作用是将以微小角度分离的P、S偏振光变为相互平行重叠的两束光。由于渥拉斯顿棱镜的楔角很小，因此两束光的分离量(即剪切量)非常小，而且剪切量大小可以通过前后移动第二渥拉斯顿棱镜进行调节。该两束平行重叠的光束通过待测样品后入射到第一反射镜上并被反射，反射光与入射光方向平行反向并平移一段距离。反射光再依次通过第二渥拉斯顿棱镜和第一渥拉斯顿棱镜后重新合并为一束光，被第二反射镜反射后再经过四分之一波片。四分之一波片的快轴方向与P、S偏振方向夹角为45°，其作用是将从第二反射镜反射的光束中的P、S偏振光分别转化为左、右旋圆偏振光。然后光束通过偏振片，在沿偏振片的偏振方向上发生干涉，用CCD探测器记录下干涉图案。偏振片可旋转，旋转偏振片可对原P偏振光和S偏振光的相位差进行调制，从而获得不同的干涉图案，最后经算法还原可得到待测样品的相位信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
①用两个渥拉斯顿棱镜代替Nomarski棱镜和透镜，移动第二渥拉斯顿棱镜可使光束剪切量在一定范围内可调，以便适应不同情况被测相位物体的测量需求；
②采用双频激光作为光源，相干性更强，形成的干涉图案更清晰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施方案1所述剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置的结构示意图。
图2是本发明实施方案2所述剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量方法用于测量光纤折射率分布得到的其中一幅干涉图案。
图3是本发明实施方案2所述剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量方法用相移算法进行还原获得待测样品的折射率分布的测量结果。
101、双频激光器；102、第一渥拉斯顿棱镜；103；第二渥拉斯顿棱镜；104、待测样品；105、第一反射镜；106、第二反射镜；107、四分之一波片；108、偏振片；109、CCD探测器
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
需要进一步说明的是，本发明中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如相应附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
实施例1
参照图1，本发明优选实施例1提供一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置，其包括以下部件：
双频激光器101：选用频差为3MHz的横向塞曼稳频双频He-Ne激光器，可发出一对偏振相互正交的波长为633nm的线偏振光，即光束中同时含有p、s偏振分量，光束直径约Ф4mm；
第一渥拉斯顿棱镜102和第二渥拉斯顿棱镜103：楔角为0.28°；
第一反射镜105、第二反射镜106、四分之一波片107、偏振片108和CCD探测器109采用市场通用的高精度器件；
待测样品104采用普通多模光纤，光纤直径为125μm，芯层直径大约为60μm，使用前先将光纤表面的塑料外层和保护层剥除，为减小光束通过光纤带来的光线偏折，将光纤浸泡在与其折射率相近的甘油中。
上述部件的结构关联如下：
双频激光器的输出光路上从左到右依次设置有第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜、待测样品、第一反射镜，第一反射镜的反射光路从右到左依次经过第二渥拉斯顿棱镜、第一渥拉斯顿棱镜，最终被第二反射镜反射，第二反射镜的反射光路从上到下依次设置有四分之一波片、偏振片和CCD探测器。
所述第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜规格相同，组合方式如图1所示，第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜上所画的双竖线“||”和双圆点“··”代表光轴方向；本发明所述的第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜的组合方式为《光学技术》杂志2003年06期发表的《渥拉斯顿棱镜在不同方式组合下的光路特性分析》一文中图1(b)中两个渥拉斯顿棱镜的组合方式。
实施例2
参照图1，本发明优选实施例2提供一种基于实施例1所述装置的剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量的方法，其包括下述步骤：
步骤一：打开双频激光器，使双频激光器发出一对具有互相正交的P、S线偏振光；
步骤二：通过前后移动第二渥拉斯顿棱镜来调节如步骤一所述的P、S线偏振光穿过第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜后得到的两束平行光的剪切量；
步骤三：使用CCD探测器记录干涉图案；
步骤四：旋转偏振片，对原P偏振光和S偏振光的相位差进行调制，使用CCD探测器分别不同偏振方向的干涉图案，提取出被测相位，采用相移算法进行还原获得待测样品的折射率分布。
进一步的，P、S偏振方向与实施例1中所述装置的四分之一波片的快轴方向夹角为45°。
进一步的，步骤四中选择五种不同的偏振方向，偏振片的方位角分别为-90°、-45°、0°、45°、90°。
具体的，本实施例所述的剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量的方法如下：由双频激光器(101)发出的相互正交的线偏振态光频差为3MHz，波长为633nm，直径约Ф6mm。该光束经过第一渥拉斯顿棱镜(102)，第一渥拉斯顿棱镜(102)的楔角为0.28°，经计算可得光束分离角约为0.005°。光束的P、S分量以0.005°的分离角被分开，然后再经过第二渥拉斯顿棱镜(103)。第二渥拉斯顿棱镜(103)和第一渥拉斯顿棱镜(102)规格相同但按晶体光轴方向相对放置，通过第二渥拉斯顿棱镜(103)的P、S偏振光变为相互平行重叠的两束光。第二渥拉斯顿棱镜(103)可移动，与第一渥拉斯顿棱镜(102)距离的调节范围为10～20mm，计算可知两束光的分离量(剪切量)可调范围为0.87～1.75um。该两束平行重叠的光束通过浸在甘油中的待测光纤样品(104)的横截面后入射到第一反射镜(105)上并被反射，反射光与入射光方向平行反向并平移一小段距离。反射光再依次通过第二渥拉斯顿棱镜(103)和第一渥拉斯顿棱镜(102)后重新合并为一束光，被第二反射镜(106)反射后再经过四分之一波片(107)。四分之一波片(107)的快轴方向与P、S偏振方向夹角为45°，其作用是将从第二反射镜(106)反射的光束中的P、S偏振光分别转化为左、右旋圆偏振光。然后光束通过可旋转方位的偏振片(108)，在沿偏振片(108)的偏振方向上发生干涉，用CCD探测器(109)记录下干涉图案。CCD探测器(109)获得的干涉图案中包含相位差，不仅与被测样品因光程变化产生的相位有关，还与偏振片(108)的方位角成线性关系。旋转偏振片(108)可对原P偏振光和S偏振光的相位差进行调制，并提取出被测相位。本实施例采用五步相位法进行测量。当偏振片(108)旋转至-90°,-45°,0°,45°,90°时，对应光强分别为I1～I5，并获得5幅相应的干涉图像，其中的一幅干涉图像如附图2所示。然后采用相移算法进行还原获得待测光纤样品(104)的折射率分布，测量结果如附图2所示。经过系统不确定度分析，测量精度优于10-3。
Claims (8)
1.一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置，其特征在于，其包括双频激光器，双频激光器的输出光路上从左到右依次设置有第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜、待测样品、第一反射镜，第一反射镜的反射光路从右到左依次经过第二渥拉斯顿棱镜、第一渥拉斯顿棱镜，最终被第二反射镜反射，第二反射镜的反射光路从上到下依次设置有四分之一波片、偏振片和CCD探测器。
2.如权利要求1所述的一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置，其特征在于，双频激光器的频差为3MHz。
3.如权利要求1所述的一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置，其特征在于，第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜规格相同。
4.如权利要求1所述的一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置，其特征在于，所述第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜的楔角为0.28º。
5.如权利要求1所述的一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量装置，其特征在于，所述第二渥拉斯顿棱镜与第一渥拉斯顿棱镜间距离的调节范围为10~20mm。
6.一种基于权利要求1所述装置的剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：打开双频激光器，使双频激光器发出一对具有互相正交的P、S线偏振光；
步骤二：通过前后移动第二渥拉斯顿棱镜来调节如步骤一所述的P、S线偏振光穿过第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜后得到的两束平行光的剪切量；
步骤三：使用CCD探测器记录干涉图案；
步骤四：旋转偏振片，对原P偏振光和S偏振光的相位差进行调制，使用CCD探测器分别不同偏振方向的干涉图案，提取出被测相位，采用相移算法进行还原获得待测样品的折射率分布。
7.如权利要求6所述的一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量方法，其特征在于，P、S偏振方向与四分之一波片的快轴方向的夹角为45º。
8.如权利要求6所述的一种剪切量可调的透射式双频激光微分干涉测量方法，其特征在于，步骤四中选择五种不同的偏振方向，偏振片的方位角分别为-90º、-45º、0º、45º、90º。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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