CN111006582A - 一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法，包括：空间调制型干涉仪形成的干涉条纹光场经过偏振片后入射至普通分光棱镜，其中反射光经第一平面反射镜反射后沿原光路返回，再次经过普通分光棱镜后，透过偏振分光棱镜入射至阵列探测器上，形成一组干涉条纹分布；透射光先后经两次反射后入射至偏振分光棱镜，经反射后入射至阵列探测器上，形成另一组条纹取向相反的干涉条纹分布。调节第三平面反射镜，使阵列探测器上的两组干涉条纹之间存在夹角，形成莫尔条纹。当干涉条纹发生相移时，莫尔条纹将发生明显的位移。本发明基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法具有普适性，可有效提高空间调制型干涉仪器的测量灵敏度。

Description

一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法
技术领域
本发明属于干涉仪器设计领域，特别涉及一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法。
背景技术
干涉测量技术是光学技术领域中的一个重要分支，它是以光波干涉为基础的测量技术，用干涉条纹的形式将待测目标的信息记录下来，通过对干涉条纹的相位进行分析处理，得到所需测量的物理量，在光学检测领域有着广泛的应用。
在利用干涉测量技术进行多普勒测速的应用领域中，常需要对干涉条纹的相移进行精确测量。目前，用于对多普勒速度进行测量的干涉仪主要有Fabry-Perot干涉仪、迈克尔逊干涉仪、固定延迟干涉仪和非对称空间外差干涉仪等仪器。
Fabry-Perot干涉仪利用多光束干涉后产生极其细锐的干涉条纹，通过读取干涉条纹峰值移动的距离，并根据目标物速度与条纹峰值变化的关系反演出多普勒速度，具有高分辨率、高灵敏度的优点。然而，Fabry-Perot干涉仪的视场较小，制作工艺要求高，加工难度极大。
迈克尔逊干涉仪采用四强度法对干涉相移进行计算，从而实现对多普勒速度的反演，但由于系统中需要采用纳米步进电机控制一臂的动镜，实现对不同光程差的采样，因此对系统的稳定性要求极高，其探测精度受环境影响较大。
固定延迟干涉仪是在迈克尔逊干涉仪基础之上使其中一臂的反射镜倾斜放置而形成的一种空间型干涉仪。系统中无需动镜对光程差进行调制，而是通过反射镜倾斜而使阵列探测器不同位置对应不同的光程差，从而在探测器上形成空间分布的干涉条纹。通过解算干涉条纹的相移量即可反演出目标光源的多普勒速度。
非对称空间外差干涉仪结合了空间外差光谱仪和迈克尔逊干涉仪的优点，同时具备高光谱分辨率和高相位灵敏度，可实现宽谱段、高精度的多普勒测速。利用非对称空间外差干涉仪测量多普勒速度时，也需要通过解算阵列探测器上干涉条纹相移量来反演目标光源的多普勒速度。固定延迟干涉仪和非对称空间外差干涉仪的测速灵敏度均与两干涉臂之间的光程差偏置量有关，且光程差偏置量越大，仪器的灵敏度越高。然而，光程差偏置量受到目标谱线半高全宽的影响，当目标谱线半高全宽较宽时，光程差偏置量只能取较小的值，此时，仪器的灵敏度较低，难以检出较小多普勒速度引起的干涉条纹相移。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对固定延迟干涉仪和非对称空间外差干涉仪光程差偏置量较小，干涉相移灵敏度不够的问题，提出一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法。该方法能够对干涉相移进行放大，提高仪器的灵敏度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法，包括：空间调制型干涉仪形成的干涉条纹光场1经偏振片2后垂直入射至普通分光棱镜3，其中一束光被普通分光棱镜3反射后，经第一平面反射镜4反射后沿原光路返回，再次经过普通分光棱镜3后，透过偏振分光棱镜7入射至阵列探测器8上，形成一组干涉条纹分布；另一束光从普通分光棱镜3透射后，分别经第二平面反射镜5和第三平面反射镜6反射后入射至偏振分光棱镜7，经偏振分光棱镜7反射后入射至阵列探测器8上，形成另一组条纹取向相反的干涉条纹分布。调节第三平面反射镜6，使阵列探测器8上的两组干涉条纹之间存在夹角，形成莫尔条纹。当干涉条纹发生相移时，莫尔条纹将发生明显的位移。
进一步的，所述空间调制型干涉仪输出干涉条纹光场1为空间分布的一维周期条纹。
进一步的，所述偏振片2，用于使干涉条纹光场1起偏，且偏振方向与竖直方向成45°角，保证p偏振分量与s偏振分量光强相等。
进一步的，所述普通分光棱镜3，用于对干涉条纹光场进行分光，分光比为1：1，无偏振选择特性。
进一步的，所述第二平面反射镜5和第三平面反射镜6组合后，用于对普通分光棱镜3透射光路的干涉条纹光场进行反射，并使这一组干涉条纹光场的取向发生倒转。
进一步的，所述偏振分光棱镜7，有偏振选择特性，p偏振与s偏振的分光比例为1：1，用于对第一平面反射镜4和第三平面反射镜6反射的两组干涉条纹光场进行偏振选择，使阵列探测器8上接收的两组干涉条纹的偏振态相互垂直，相互之间不发生干涉，而是形成莫尔条纹。
进一步的，沿光轴旋转第三平面反射镜6可以微调干涉条纹光场的取向，使探测器上两组干涉条纹的取向夹角在160°～170°范围。
进一步的，当两组干涉条纹取向夹角为θ，干涉条纹的移动量为a时，则形成莫尔条纹的移动量为
Figure BDA0002305288130000021
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)现有干涉相移灵敏度的增强方法主要是针对干涉条纹相位提取算法进行改进，提升余地有限。而本发明所述的一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法，是利用莫尔条纹的放大效应，使微小的干涉条纹相移转化为明显的莫尔条纹移动，能大大提升仪器对干涉相移的灵敏度，且具有兼容性好的优点，可通用于各种空间型干涉仪。
(2)与现有莫尔条纹提高位移灵敏度的方法相比，本发明所述的一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法使两组干涉条纹的取向成较大的钝角，当干涉条纹发生相移时，两组干涉条纹的移动方向接近相反，使莫尔条纹的移动相对传统方法提高近一倍，进一步提高了仪器对干涉相移的灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例1中的一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法的光路示意图；
图中：1为干涉条纹光场；2为偏振片；3为分光棱镜；4为第一平面反射镜；5为第二平面反射镜；6为第三平面反射镜；7为偏振分光棱镜；8为阵列探测器。
图2是本发明实施例1中固定延迟干涉仪输出的干涉条纹光场分布示意图；
图3是本发明实施例1中两组干涉条纹重叠形成的莫尔条纹；
图4是本发明实施例2中的一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法的光路示意图；
图中：1为干涉条纹光场；23为分光棱镜；34为第一平面反射镜；45为第二平面反射镜；56为第三平面反射镜；67为偏振分光棱镜；78为阵列探测器。
图5是本发明实施例2中非对称空间外差干涉仪输出的干涉条纹光场分布示意图；
图6是本发明实施例2中两组干涉条纹重叠形成的莫尔条纹。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1：
本发明实施例1，是利用莫尔条纹提高固定延迟干涉仪器的干涉相移灵敏度增强方法。
如图1所示，固定延迟干涉仪输出的干涉条纹光场1由波长为633nm的激光产生，干涉条纹光场口径为25mm，条纹的取向及光场的偏振方向均为竖直方向，所形成的干涉条纹周期为260μm，如图2所示，则根据公式
Figure BDA0002305288130000041
可得，干涉条纹光场的发散角约为1.2mrad，类似一束携带干涉条纹分布的平行光束。该平行光束首先经过偏振片2，使干涉条纹光场1的偏振方向与竖直方向成45°，保证p偏振分量与s偏振分量光强相等，然后垂直入射到普通分光棱镜3上，其中被分光棱镜3反射后的光场垂直入射至第一平面反射镜4后沿原光路返回，再次经过普通分光棱镜3后，透过偏振分光棱镜7入射至阵列探测器8上，形成一组干涉条纹分布；从普通分光棱镜3透射后的光场分别经第二平面反射镜5和第三平面反射镜6反射后入射至偏振分光棱镜7，经偏振分光棱镜7反射后入射至阵列探测器8上，形成另一组干涉条纹分布。调节第三平面反射镜6，使阵列探测器8上的两组干涉条纹取向的夹角为160°，则两组干涉条纹重叠形成的莫尔条纹如图3所示。当干涉条纹的相移为1×10-4rad时，对应干涉条纹的移动量仅约为4nm，利用现有的算法难以解算干涉条纹的相移量，而此时形成的莫尔条纹移动量将达到23nm，相对于干涉条纹移动量放大了约6倍，大大提高了仪器对干涉相移的灵敏度。
实施例2
本发明实施例2，是利用莫尔条纹提高非对称空间外差干涉仪的干涉相移灵敏度增强方法。
如图4所示，非对称空间外差干涉仪输出的干涉条纹光场1由波长为557.7nm的氧原子绿线产生，干涉条纹光场口径为10mm，条纹的取向为竖直方向，所形成的干涉条纹周期为200μm，如图5所示，则根据公式
Figure BDA0002305288130000042
可得，干涉条纹光场的发散角约为1.4mrad，类似一束携带干涉条纹分布的平行光束。由于光源为自然光，无偏振特性，且相干长度很短，探测器上形成的两组干涉条纹之间不可能发生干涉，因此，光路中无需添加偏振片。该平行光束垂直入射到普通分光棱镜23上，其中被分光棱镜23反射后的光场垂直入射至第一平面反射镜34后沿原光路返回，再次经过普通分光棱镜23后，透过偏振分光棱镜67入射至阵列探测器78上，形成一组干涉条纹分布；从普通分光棱镜23透射后的光场分别经第二平面反射镜45和第三平面反射镜56反射后入射至偏振分光棱镜67，经偏振分光棱镜67反射后入射至阵列探测器78上，形成另一组干涉条纹分布。调节第三平面反射镜56，使阵列探测器78上的两组干涉条纹取向的夹角为170°，则两组干涉条纹重叠形成的莫尔条纹如图6所示。当干涉条纹的相移为1×10-4rad时，对应干涉条纹的移动量仅约为3nm，利用现有的算法难以解算干涉条纹的相移量，而此时形成的莫尔条纹移动量将达到34.48nm，相对于干涉条纹移动量放大了约11倍，大大提高了仪器对干涉相移的灵敏度。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法，其特征在于：该方法包括：空间调制型干涉仪形成的干涉条纹光场(1)经偏振片(2)后入射至普通分光棱镜(3)，其中一束光被普通分光棱镜(3)反射后，经第一平面反射镜(4)反射后沿原光路返回，再次经过普通分光棱镜(3)后，透过偏振分光棱镜(7)入射至阵列探测器(8)上，形成一组干涉条纹分布；另一束光从普通分光棱镜(3)透射后，分别经第二平面反射镜(5)和第三平面反射镜(6)反射后入射至偏振分光棱镜(7)，经偏振分光棱镜(7)反射后入射至阵列探测器(8)上，形成另一组条纹取向相反的干涉条纹分布，调节第三平面反射镜(6)，使阵列探测器(8)上的两组干涉条纹之间存在夹角，形成莫尔条纹，当干涉条纹发生相移时，莫尔条纹将发生明显的位移。
2.根据权利要求1所述的一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法，其特征在于：所述空间调制型干涉仪输出干涉条纹光场(1)为空间分布的一维周期条纹。
3.根据权利要求1所述的一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法，其特征在于：所述偏振片(2)，用于使干涉条纹光场(1)起偏，且偏振方向与竖直方向成45°角，保证p偏振分量与s偏振分量光强相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法，其特征在于：所述普通分光棱镜(3)，用于对干涉条纹光场进行分光，分光比为1：1，无偏振选择特性。
5.根据权利要求1所述的一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法，其特征在于：所述第二平面反射镜(5)和第三平面反射镜(6)组合后，用于对普通分光棱镜(3)透射光路的干涉条纹光场进行反射，并使这一组干涉条纹光场的取向发生倒转。
6.根据权利要求1所述的一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法，其特征在于：所述偏振分光棱镜(7)，有偏振选择特性，p偏振与s偏振的分光比例为1：1，用于对第一平面反射镜(4)和第三平面反射镜(6)反射的两组干涉条纹光场进行偏振选择，使阵列探测器(8)上接收的两组干涉条纹的偏振态相互垂直，相互之间不发生干涉，而是形成莫尔条纹。
7.根据权利要求1所述的一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法，其特征在于：沿光轴旋转第三平面反射镜(6)可以微调干涉条纹光场的取向，使探测器上两组干涉条纹的取向夹角在160°～170°范围。
8.根据权利要求1所述的一种基于莫尔条纹的干涉相移灵敏度增强方法，其特征在于：
当两组干涉条纹取向夹角为θ，干涉条纹的移动量为a时，则形成莫尔条纹的移动量为
Figure FDA0002305288120000021
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