CN112378346B - 一种大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿方法 - Google Patents

一种大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿方法，该方法使用的模块包括：相干光源模块、菲索干涉模块、偏振移相模块。具体步骤为：相干光源模块产生一对正交线偏振光，进入菲索干涉模块；两束光经过1/4波片，形成一对正交圆偏振光，在参考镜与测试镜的表面反射后，通过偏振像差建模的波片模型，其组合光为椭圆偏振光，进入偏振移相模块；组合光经过成像透镜与微偏振阵列在CCD相机的靶面成像，得到一组关于干涉光强的偏振移相干涉图，根据偏振像差产生的相位延迟与干涉光强之间的关系式，借助偏振移相干涉图求解该相位延迟，实现对大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿。该方法实施简单，可行性强、补偿精度高。

Description

一种大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿方法
技术领域
本发明属于偏振测量技术领域，具体涉及一种大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿方法。
背景技术
随着大口径平面光学元件在大口径天文望远镜与激光核聚变装置等众多的领域中开始扮演十分重要的角色，其高精度的检测方法成为领域内的难点和热点。使用干涉测量的方法检测大口径光学元件是目前比较常用也比较有效的方法，相比于传统方法，灵敏度和精度都得到了很大的提升。
移相干涉法在干涉测量方法中属于比较常用的方法，主要分为时间移相干涉法与动态移相干涉法。时间移相干涉法由于在测量过程中容易受环境振动和空气扰动的影响，难以在干扰较大的环境进行，而动态移相法可以在同一时刻获得全部的移相干涉图，能够有效避免这一问题。
目前比较主流的动态干涉仪是偏振移相干涉仪，大口径偏振移相干涉仪对偏振有严格要求，但大口径元件由于自身重力影响，内部折射率不均匀，透过大口径元件的光线会产生较为严重的偏振像差，进而导致偏振移相算法中的相位计算不再准确。在大口径偏振移相菲索干涉仪中，产生偏振像差最严重的是偏振片等偏振器件以及大口径参考镜，因此解决偏振像差问题是大口径偏振移相菲索干涉仪应用的一个基本问题。
目前，国内学者主要借助琼斯矢量、斯托克斯矢量或偏振矢量来表示光线的传播特征，借助琼斯矩阵、Mueller矩阵或偏振光线追迹矩阵来表示光学器件对光线的偏振态的作用，以此建立仿真模型，求解偏振像差。上述两种方法仿真过程较为复杂，且对于大口径元件的仿真模型较难确定，具有较大的误差。
发明内容
本发明的目的是实现对大口径偏振移相菲索干涉仪应用中偏振片等偏振器件以及大口径参考镜的偏振像差的相位补偿，提出一种大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿方法。
一种大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿方法，使用的装置包括：相干光源模块、菲索干涉模块和偏振移相模块；所述相干光源模块包括相干激光器、起偏器、半波片、偏振分光棱镜、第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、精密平移台、第一1/4波片和第二1/4波片；所述菲索干涉模块包括第三1/4波片、分光棱镜、准直透镜、参考镜和测试镜；所述偏振移相模块包括成像透镜、微偏振阵列和CCD相机。
该方法具体步骤如下：
步骤一：相干激光器发射的激光束通过起偏器和半波片后形成线偏振光，经过偏振分光棱镜后，s光反射，p光透射；s光通过第一1/4波片，再经过第一角锥棱镜的反射，再次通过第一1/4波片，其偏振方向旋转90°，然后透射穿过偏振分光棱镜；p光通过第二1/4波片，再经过第二角锥棱镜的反射，再次通过第二1/4波片，其偏振方向旋转90°，然后反射通过偏振分光棱镜；两光经偏振分光棱镜合束后，形成一对正交线偏振光，进入菲索干涉模块；
步骤二：进入菲索干涉模块的一对正交线偏振光，经过第三1/4波片，形成一对正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，再经过分光棱镜，其透射光经过准直透镜准直，并在参考镜与测试镜的表面反射；将模块的偏振像差对光线造成的相位延迟建模为一个延迟为
Figure BDA0002752268030000021
的波片，反射后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过偏振像差建模的波片，再经过分光棱镜，组合光反射进入偏振移相模块；
步骤三：组合光进入成像透镜，经过微偏振阵列在CCD相机的靶面成像，获得一组关于干涉光强的偏振移相干涉图，推导偏振像差产生的相位延迟
Figure BDA0002752268030000022
与干涉光强之间的关系式，借助偏振移相干涉图求解该相位延迟
Figure BDA0002752268030000023
最终实现对大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿；
优选地，所述微偏振阵列每相邻的四个微偏振元构成一组移相单元，每组移相单元偏振片的透振方向ω分别为0、45°、90°、135°，对应的移相量分别为0、π/2、π、3π/2。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：大口径光学元件由于自重的影响，内部折射率不均匀，透过大口径元件的光线会产生较为严重的偏振像差，进而导致偏振移相算法中的相位计算不再准确；使用大口径偏振移相菲索干涉仪进行面型测量时，大口径参考镜具有较大的偏振像差，影响偏振移相菲索干涉仪的测量精度，且大口径参考镜的偏振像差处处不同，建模较为困难。本发明公开的方法不需要借助计算机对大口径参考镜进行建模与仿真，可以直接利用偏振干涉图的光强信息得到系统总的偏振像差对相位的影响，实施简单，可行性强、补偿精度高。
附图说明
图1为本发明所述的大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿方法的装置仿真光路图。
图2为本发明所述的局部坐标系与全局坐标系的关系图。
图3为本发明所述的根据组合光定义的θ和ψ与微偏振阵列移相单元的透振方向ω之间的角度关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，本方法所应用的装置包括：相干光源模块1、菲索干涉模块2和偏振移相模块3；所述相干光源模块1包括相干激光器11、起偏器12、半波片13、偏振分光棱镜14、第一角锥棱镜15、第二角锥棱镜16、精密平移台17、第一1/4波片18和第二1/4波片19；所述菲索干涉模块2包括第三1/4波片21、分光棱镜22、准直透镜23、参考镜24和测试镜25；所述偏振移相模块3包括成像透镜31、微偏振阵列32和CCD相机33。
大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿方法步骤如下：
步骤一：在相干光源模块1中，相干激光器11选用波长为650nm的红光半导体激光器，精密平移台17可以前后调整角锥棱镜16的位置；相干激光器11发射的激光束通过起偏器12和半波片13后形成线偏振光，经过偏振分光棱镜14后，s光反射，p光透射；s光通过第一1/4波片18，再经过第一角锥棱镜15的反射，再次通过第一1/4波片18，其偏振方向旋转90°，然后透射穿过偏振分光棱镜14；p光通过第二1/4波片19，再经过第二角锥棱镜16的反射，再次通过第二1/4波片19，其偏振方向旋转90°，然后反射通过偏振分光棱镜14；两光经偏振分光棱镜14合束后，形成一对正交线偏振光，进入菲索干涉模块2；
步骤二：在菲索干涉模块2与偏振移相模块3中，对于参考光与测试光而言，所有的透射光学元件是共光路的，但由于偏振像差的存在，共光路的光学元件对通过的光线产生相位偏差，其中大口径参考镜24的偏振像差尤为严重；进入菲索干涉模块2的一对正交线偏振光，经过第三1/4波片21，形成一对正交的左旋圆偏振光TG和右旋圆偏振光RG；将这对正交圆偏振光处于同相位的坐标系定义为全局坐标系XG-YG；
在全局坐标系中，TG与RG的琼斯矢量满足：
Figure BDA0002752268030000031
将共光路光学元件的偏振像差对光线造成的相位延迟建模为一个延迟为
Figure BDA0002752268030000032
的波片，以该波片的快轴为X轴建立一个局部坐标系XT-YT，设XT轴与全局坐标系XG轴夹角为α，如图2所示；在局部坐标系中，偏振像差建模波片的琼斯矩阵BT如下：
Figure BDA0002752268030000041
将左旋圆偏振光TG和右旋圆偏振光RG的琼斯矩阵变换到波片BT的局部坐标系中，变换后的左旋圆偏振光TT和右旋圆偏振光RT的琼斯矩阵如下：
Figure BDA0002752268030000042
左旋圆偏振光TT和右旋圆偏振光RT透射通过分光棱镜22，经过准直透镜23准直，并在参考镜24与测试镜25的表面反射，得到四束反射光；通过相干光源模块的精密平移台17调整角锥棱镜16的位置，改变p光与s光的光程差来匹配斐索干涉腔的长度，因为相干激光器11的相干长度很短，四束反射光只有光程差为0的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光可以发生干涉，作为参考光与测试光，其余两束光成为背景光；参考光与测试光通过偏振像差建模的波片，其琼斯表达式如下：
Figure BDA0002752268030000043
其中,2γ是没有偏振像差时参考光与测试光之间的相位差；两光再次经过分光棱镜22，合束后的组合光的琼斯表达式如下：
Figure BDA0002752268030000044
组合光可视为一束椭圆偏振光，设其长轴与X轴的夹角为ψ；随后组合光进入偏振移相模块3；
步骤三：微偏振阵列32每相邻的四个微偏振元构成一组移相单元，每组移相单元的透振方向ω(透射轴与X轴的夹角)分别为0、45°、90°、135°，对应的移相量分别为0、π/2、π、3π/2；透振方向为ω的移相单元的琼斯表达式P如下：
Figure BDA0002752268030000045
定义一个θ如下：
Figure BDA0002752268030000046
各角度关系如图3，满足下式：
Figure BDA0002752268030000051
组合光经过透振方向为ω的移相单元，电场Etrans的琼斯表达式如下：
Figure BDA0002752268030000052
由电场Etrans的琼斯表达式推导干涉光强I的表达式如下：
Figure BDA0002752268030000053
Figure BDA0002752268030000054
微偏振阵列32移相单元的透振方向ω分别为0、45°、90°、135°时，干涉光强I的表达式如下：
Figure BDA0002752268030000055
其中：
Figure BDA0002752268030000056
由干涉光强I的表达式推导可得：
Figure BDA0002752268030000057
联立方程组：
Figure BDA0002752268030000061
解得偏振像差产生的延迟大小
Figure BDA0002752268030000062
满足下式：
Figure BDA0002752268030000063
其中：
Figure BDA0002752268030000064
组合光经过成像透镜31与微偏振阵列32后，在CCD相机33的靶面成像，获得一组
关于干涉光强I的偏振移相干涉图，并借助上述表达式求解系统偏振像差产生的相位延迟
Figure BDA0002752268030000065
大
小，实现对大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿。
经过偏振像差的相位补偿后大口径偏振移相菲索干涉仪的测试镜面型测量结果与波长移相干涉仪的测量结果进行对比，对比结果如表1所示。
表1
PV RMS
补偿后的偏振移相结果 0.1411λ 0.0121λ
波长移相结果 0.1026λ 0.0133λ
综上所述，本发明公开了一种大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿方法，主要阐述了算法的原理与步骤。相干光源模块产生一对正交线偏振光，进入菲索干涉模块；两束光经过1/4波片，形成一对正交圆偏振光，在参考镜与测试镜的表面反射后，通过偏振像差建模的波片模型，其组合光为椭圆偏振光，进入偏振移相模块；组合光经过成像透镜与微偏振阵列在CCD相机的靶面成像，得到一组关于干涉光强的偏振移相干涉图，根据偏振像差产生的相位延迟与干涉光强之间的关系式，借助偏振移相干涉图求解该相位延迟，实现对大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿。大口径光学元件由于自重的影响，内部折射率不均匀，透过大口径元件的光线会产生较为严重的偏振像差，进而导致偏振移相算法中的相位计算不再准确；使用大口径偏振移相菲索干涉仪进行面型测量时，大口径参考镜具有较大的偏振像差，影响偏振移相菲索干涉仪的测量精度，且大口径参考镜的偏振像差处处不同，建模较为困难。本发明公开的方法不需要借助计算机对大口径参考镜进行建模与仿真，可以直接利用偏振干涉图的光强信息得到系统总的偏振像差对相位的影响，实施简单，可行性强、补偿精度高。

Claims (2)

1.一种大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿方法，其特征在于，使用的装置包括：相干光源模块(1)、菲索干涉模块(2)和偏振移相模块(3)；所述相干光源模块(1)包括相干激光器(11)、起偏器(12)、半波片(13)、偏振分光棱镜(14)、第一角锥棱镜(15)、第二角锥棱镜(16)、精密平移台(17)、第一1/4波片(18)和第二1/4波片(19)；所述菲索干涉模块(2)包括第三1/4波片(21)、分光棱镜(22)、准直透镜(23)、参考镜(24)和测试镜(25)；所述偏振移相模块(3)包括成像透镜(31)、微偏振阵列(32)和CCD相机(33)；
该方法具体步骤如下：
步骤一：相干激光器(11)发射的激光束通过起偏器(12)和半波片(13)后形成线偏振光，经过偏振分光棱镜(14)后，s光反射，p光透射；s光通过第一1/4波片(18)，再经过第一角锥棱镜(15)的反射，再次通过第一1/4波片(18)，其偏振方向旋转90°，然后透射穿过偏振分光棱镜(14)；p光通过第二1/4波片(19)，再经过第二角锥棱镜(16)的反射，再次通过第二1/4波片(19)，其偏振方向旋转90°，然后反射通过偏振分光棱镜(14)；两光经偏振分光棱镜(14)合束后，形成一对正交线偏振光，进入菲索干涉模块(2)；
步骤二：进入菲索干涉模块(2)的一对正交线偏振光，经过第三1/4波片(21)，形成一对正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，再经过分光棱镜(22)，其透射光经过准直透镜(23)准直，并在参考镜(24)与测试镜(25)的表面反射；将模块的偏振像差对光线造成的相位延迟建模为一个延迟为
Figure FDA0003439664650000011
的波片，反射后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过偏振像差建模的波片，再经过分光棱镜(22)，组合光反射进入偏振移相模块(3)；
步骤三：组合光进入成像透镜(31)，经过微偏振阵列(32)在CCD相机(33)的靶面成像，获得一组关于干涉光强的偏振移相干涉图，推导偏振像差产生的相位延迟
Figure FDA0003439664650000012
与干涉光强之间的关系式，借助偏振移相干涉图求解该相位延迟
Figure FDA0003439664650000013
最终实现对大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿。
2.根据权利要求1所述大口径偏振移相菲索干涉仪偏振像差的相位补偿方法，其特征在于，所述的微偏振阵列(32)每相邻的四个微偏振元构成一组移相单元，每组移相单元偏振片的透振方向分别为0°、45°、90°、135°，对应的移相量分别为0、π/2、π、3π/2。
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