CN111562009A - 一种共光路角镜干涉仪及干涉方法 - Google Patents

一种共光路角镜干涉仪及干涉方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光谱测量技术中所使用的共光路角镜干涉仪，具体涉及一种大光程差高稳定性的共光路角镜干涉仪及干涉方法，克服了传统的干涉仪容易受到环境干扰以及光束能量利用率低的缺陷。干涉仪采用非对称直角角镜共光路分光结构，包括：半透半反分束器、平面反射镜、第一直角角镜、第二直角角镜、光程差元件，入射光被分为透射的第一光束和反射的第二光束，两光束分别经过平面反射镜和直角角镜多次反射后，被再次分光，其中两路光束沿垂直于入射光入射方向干涉输出，另外两路光束沿平行于入射光入射方向干涉输出。同时，本发明还提出了基于上述干涉仪的干涉方法。

Description

一种共光路角镜干涉仪及干涉方法
技术领域
本发明涉及一种光谱测量技术中所使用的角镜干涉仪，具体涉及一种大光程差高稳定性的共光路角镜干涉仪及干涉方法。
背景技术
干涉仪是利用波的叠加性来获得波的相位信息，从而获得实验所关心的物理量。干涉仪在天文学、光学、工程测量、海洋学、波谱分析、遥感、雷达等精密测量领域都有广泛的应用。
干涉仪本身是极其敏感的部件，即便在几乎完全无震动的环境，微小的空气扰动或应力变化都会使得干涉条纹有较明显的抖动。传统的干涉仪包括非共光路干涉仪和共光路干涉仪。非共光路干涉仪如Michelson干涉仪、M-Z干涉仪，容易受到外界热力学变化的干扰，造成光程差的变化，进而造成干涉条纹的移动和相位的不稳定，由此会带来较大的仪器误差，使得测量不准确。共光路干涉仪如Sagnac干涉仪、点衍射干涉仪等，在环境适应性方面的性能一般比非共光路干涉仪更优越，获取的干涉条纹更加稳定、对比度更高。共光路干涉仪可以用于光学器件的面型检测，光谱图像信息的获取，也可以作为陀螺仪的核心部件。传统的基于分振幅的共光路干涉仪主要是Sagnac干涉仪，Sagnac干涉仪主要由分束器和2-3片平面反射镜组成，能够使得产生干涉的两路光路径几乎完全相同。理论上，因环境压强、温度变化同时作用于共光路干涉仪分出的两路光，因此造成的局部热力学变形和机械支撑件线膨胀引起的光程差误差将互相抵消，而形成非常稳定的干涉条纹。但是，光路中的光学元件反射平面镜本身因环境干扰产生的位置变化却无法消除，从而使光路产生微小变化，降低了干涉仪的稳定性。而且，在传统的干涉仪中，一般只利用一路干涉输出，光束能量利用率低。
发明内容
本发明的目的是提出一种共光路角镜干涉仪，以克服传统Sagnac干涉仪稳定性容易受到外部环境影响，以及光束能量利用率低的缺陷。本发明用直角角镜(也称为角锥棱镜)代替传统干涉仪中的平面反射镜，减小了环境干扰对稳定性的影响，容易实现精准的角度对准；而且，干涉仪采用共光路非对称分光结构，可以使输出的两路干涉光全部得到利用，极大地提高了能量利用率。
本发明所采用的技术方案是：一种共光路角镜干涉仪，其特殊之处在于，包括半透半反分束器、平面反射镜、第一直角角镜、第二直角角镜和光程差元件；
所述半透半反分束器将入射光分成透射的第一光束和反射的第二光束；
所述平面反射镜相对于半透半反分束器垂直设置；
所述第一直角角镜和第二直角角镜非对称设置于半透半反分束器的两侧，且第一直角角镜的基面与入射光入射方向平行，第二直角角镜的基面与入射光入射方向垂直；本发明中直角角镜的基面为光束入射面；
所述第一光束依次经过平面反射镜、第一直角角镜、平面反射镜、第二直角角镜、平面反射镜后，返回半透半反分束器，被分为第一透射光束和第一反射光束；
所述第二光束依次经过平面反射镜、第二直角角镜、平面反射镜、第一直角角镜、平面反射镜后，返回半透半反分束器，被分为第二反射光束和第二透射光束；
所述第一反射光束和第二透射光束与入射光平行；
所述光程差元件设置在第二光束从半透半反分束器反射后至返回到半透半反分束器光路的任意位置，或者设置在第一光束从半透半反分束器透射后至返回到半透半反分束器光路的任意位置，使第一光束与第二光束之间产生光程差。
进一步地，上述第一直角角镜和第二直角角镜相对于半透半反分束器非对称结构中，所述第一直角角镜和第二直角角镜相对于半透半反分束器的距离不等。
进一步地，上述第一直角角镜和第二直角角镜相对于半透半反分束器非对称结构中，所述第一直角角镜和第二直角角镜相对于平面反射镜的距离不等。
进一步地，上述共光路角镜干涉仪中，为了光学系统设计灵活，所述第一直角角镜和第二直角角镜均为二面直角角镜或者均为三面直角角镜。
进一步地，为了有效地改变光程差，所述光程差元件为棱镜或者反射镜组合。
同时，本发明中还提供了一种基于上述共光路角镜干涉仪的干涉方法，其特殊之处在于：
入射光以平行光或者会聚光进入到共光路角镜干涉仪，使入射光入射方向与第一直角角镜的基面平行，与第二直角角镜的基面垂直；
入射光经过半透半反分束器分成透射的第一光束和反射的第二光束；
所述第一光束第一次入射到平面反射镜后被反射到第一直角角镜，经第一直角角镜反射后第二次入射到平面反射镜，再次反射后进入第二直角角镜，通过第二直角角镜反射后第三次入射到平面反射镜，经反射后到达半透半反分束器；
所述第二光束第一次入射到平面反射镜后被反射到第二直角角镜，经第二直角角镜反射后第二次入射到平面反射镜，再次反射后进入第一直角角镜，通过第一直角角镜反射后第三次入射到平面反射镜，经反射后到达半透半反分束器；
所述第一光束在到达半透半反分束器之前经过光程差元件，或者所述第二光束在到达半透半反分束器之前经过光程差元件；
所述第一光束经半透半反分束器再次分为第一透射光束和第一反射光束；所述第二光束经半透半反分束器再次分为第二反射光束和第二透射光束；
所述第一透射光束和第二反射光束沿垂直于入射光入射方向叠加，形成干涉条纹；所述第一反射光束和第二透射光束沿平行于入射光入射方向叠加，形成干涉条纹。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用共光路分光技术，外界热力学变化同时作用于干涉仪分出的两路光，因此产生的光程差可以相互抵消，形成的干涉条纹也更加稳定；同时，本发明用直角角镜代替传统干涉仪中的平面反射镜，进一步降低了环境干扰对稳定性的影响，具有很好的抗振性能，而且减小了光路调节难度，使光束无论以任何角度入射到直角角镜上，出射光都与入射光平行，容易实现精准的角度对准，从而达到近乎理想的光学性能；
(2)本发明中非对称结构共光路角镜干涉仪输出的两路干涉光全部得到利用，相比传统干涉仪中只利用一路干涉输出的情况，在很大程度上提高了能量利用率，提高了系统的灵敏度；
(3)本发明在入射光分为两路光束中的一路中加入改变光程的元件，如棱镜或者反射镜组合，可在两路光束之间产生大光程差；
(4)本发明的共光路角镜干涉仪光学系统设计灵活，输入光源可以有多种形式，可以是点光源或者面光源，可以是平行光也可以是会聚光；直角角镜可以为二面直角角镜或者三面直角角镜，入射光经分束器后形成的平面与出射光经分束器后形成的平面可以不在一个平面内。
附图说明
图1是本发明中采用直角角镜代替平面反射镜的光路示意图；
图2是本发明中提供的几种光程差元件改变光程示意图，其中，(a)为方形棱镜，(b)为梯形棱镜，(c)、(d)、(e)均为平面反射镜组合；
图3是本发明实施例一共光路角镜干涉仪的光路示意图；
图4是本发明实施例二共光路角镜干涉仪的光路示意图。
附图标记说明：
1-入射光，2-半透半反分束器，3-第一直角角镜，4-第二直角角镜，5-平面反射镜，6-光程差元件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明采用共光路直角角镜干涉分光方法替代传统的共光路Sagnac分光方法，提高了干涉仪系统的稳定性。采用直角角镜代替传统的平面反射镜，具有很好的振动免疫性能，同时减小了光路调节难度，光束无论以何种角度入射到直角角镜上，均可保证其入射方向和出射方向的几何平行，实现精准的角度对准。在图1给出的光路示意图中，入射光1通过半透半反分束器2分成透射光束和反射光束，两光束分别通过平面反射镜5、第一直角角镜3、第二直角角镜4等光学元件实现光路传输，最终在垂直于入射光入射方向产生两束出射光。本发明中，将共光路设计改进为非对称结构，使得返回的光束(即返回入射光入射方向的光束)不再与入射光束重合，而是在空间上平行分离，这样可以将平行于入射光入射方向的两束出射光束也能加以利用，提高光束的利用率。另外，采用改变光束介质或者改变光束路径的方式改变光程，例如将分光后的两路光束的一路中加入改变光程的光学器件(光程差元件)，则该路光束会产生光程变化，从而与另一路光束产生了光程差。
本发明在图2中给出了光程差元件改变光程的示意图，列举了几种棱镜和几种反射镜组合，其中，(a)为方形棱镜，采用光束通过棱镜介质的方式来改变光程；(b)为梯形棱镜，采用光束通过棱镜介质和延长光束在棱镜中传播路径两种方式来改变光程；(c)、(d)、(e)均为平面反射镜组合，采用反射镜组合经过多次反射来延长光束传播路径的方式改变光程。
实施例一
本实施例中，如图3所示的共光路角镜干涉仪采用大光程差非对称直角角镜共光路分光结构，包括半透半反分束器2、第一直角角镜3、第二直角角镜4、平面反射镜5、光程差元件6。在本实施例中，光程差元件6选用棱镜，直角角镜均为二面直角角镜。
本实施例的共光路角镜干涉仪非对称结构体现在第一直角角镜3和第二直角角镜4相对于半透半反分束器2的距离不等。
入射光1以平行或者会聚光进入到共光路角镜干涉仪，其工作过程为：
入射光1经过半透半反分束器2分成透射的第一光束和反射的第二光束；
第一光束第一次入射到平面反射镜5后被反射到第一直角角镜3，经第一直角角镜3反射后，第二次入射到平面反射镜5，再次反射后进入第二直角角镜4，通过第二直角角镜4反射后，第三次入射到平面反射镜5，经反射后到达半透半反分束器2；
第二光束第一次入射到平面反射镜5后被反射到第二直角角镜4，经第二直角角镜4反射后，第二次入射到平面反射镜5，再次反射后进入第一直角角镜3，通过第一直角角镜3反射后，第三次入射到平面反射镜5，再经过棱镜(光程差元件6)后到达半透半反分束器2；
第一光束经半透半反分束器2再次分为第一透射光束和第一反射光束；第二光束经半透半反分束器2再次分为第二反射光束和第二透射光束；
第一透射光束和第二反射光束沿垂直于入射光入射方向叠加，形成干涉条纹；第一反射光束和第二透射光束沿平行于入射光入射方向叠加，形成干涉条纹。
在其它实施例中，光程差元件6也可以选用其它类型的棱镜或者平面镜组合；光程差元件6可以放置在透射光束再次到达半透半反分束器2之前的任意光路上以改变透射光束的光程，或者，放在在反射光束再次到达半透半反分束器2之前的任意光路上以改变反射光束的光程。
在其它实施例中，直角角镜也可以为三面直角角镜。
实施例二
如图4所示，本实施例与上述实施例一的不同之处在于：共光路角镜干涉仪非对称结构体现在第一直角角镜3和第二直角角镜4相对于平面反射镜5的距离不等。

Claims (6)

1.一种共光路角镜干涉仪，其特征在于：包括半透半反分束器(2)、平面反射镜(5)、第一直角角镜(3)、第二直角角镜(4)和光程差元件(6)；
所述半透半反分束器(2)将入射光(1)分成透射的第一光束和反射的第二光束；
所述平面反射镜(5)相对于半透半反分束器(2)垂直设置；
所述第一直角角镜(3)和第二直角角镜(4)非对称设置于半透半反分束器(2)的两侧，且第一直角角镜(3)的基面与入射光入射方向平行，第二直角角镜(4)的基面与入射光入射方向垂直；
所述第一光束依次经过平面反射镜(5)、第一直角角镜(3)、平面反射镜(5)、第二直角角镜(4)、平面反射镜(5)反射后，返回半透半反分束器(2)，被分为第一透射光束和第一反射光束；
所述第二光束依次经过平面反射镜(5)、第二直角角镜(4)、平面反射镜(5)、第一直角角镜(3)、平面反射镜(5)反射后，返回半透半反分束器(2)，被分为第二反射光束和第二透射光束；
所述第一反射光束和第二透射光束与入射光(1)平行；
所述光程差元件(6)设置在第二光束从半透半反分束器(2)反射后至返回到半透半反分束器(2)光路的任意位置，或者，设置在第一光束从半透半反分束器(2)透射后至返回到半透半反分束器(2)光路的任意位置，使第一光束与第二光束之间产生光程差。
2.根据权利要求1所述的一种共光路角镜干涉仪，其特征在于：所述第一直角角镜(3)和第二直角角镜(4)相对于半透半反分束器(2)的距离不等。
3.根据权利要求1或2所述的一种共光路角镜干涉仪，其特征在于：所述第一直角角镜(3)和第二直角角镜(4)相对于平面反射镜(5)的距离不等。
4.根据权利要求1或2所述的一种共光路角镜干涉仪，其特征在于：所述第一直角角镜(3)和第二直角角镜(4)均为二面直角角镜或者均为三面直角角镜。
5.根据权利要求4所述的一种共光路角镜干涉仪，其特征在于：所述光程差元件(6)为棱镜或者反射镜组合。
6.一种权利要求1-5任一所述共光路角镜干涉仪的干涉方法，其特征在于：
入射光(1)以平行光或者会聚光进入到共光路角镜干涉仪，使入射光入射方向与第一直角角镜(3)的基面平行，与第二直角角镜(4)的基面垂直；
入射光(1)经过半透半反分束器(2)分成透射的第一光束和反射的第二光束；
所述第一光束第一次入射到平面反射镜(5)后被反射到第一直角角镜(3)，经第一直角角镜(3)反射后，第二次入射到平面反射镜(5)，再次反射进入第二直角角镜(4)，通过第二直角角镜(4)反射后，第三次入射到平面反射镜(5)，经反射后到达半透半反分束器(2)；
所述第二光束第一次入射到平面反射镜(5)后被反射到第二直角角镜(4)，经第二直角角镜(4)反射后，第二次入射到平面反射镜(5)，再次反射进入第一直角角镜(3)，通过第一直角角镜(3)反射后，第三次入射到平面反射镜(5)，经反射后到达半透半反分束器(2)；
所述第一光束在到达半透半反分束器(2)之前经过光程差元件(6)，或者，所述第二光束在到达半透半反分束器(2)之前经过光程差元件(6)；
所述第一光束经半透半反分束器(2)再次分为第一透射光束和第一反射光束；所述第二光束经半透半反分束器(2)再次分为第二反射光束和第二透射光束；
所述第一透射光束和第二反射光束沿垂直于入射光入射方向叠加，形成干涉条纹；所述第一反射光束和第二透射光束沿平行于入射光入射方向叠加，形成干涉条纹。
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