CN116294983B - 基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一套对波阵面为平面的电磁波进行波阵面分割、并对分割后的两束光进行转折导向到不同的空间向量对向量信号进行采集后再合束检测、并在尽可能不产生色散的情况下设计出两有效光束等效光程相等的结构、去解决闭合路径的环路波长增量或频率增量始终为0的问题；从而解决欧式几何体系下的被测对象各向异性参数的有效测量问题，尤其适合浸入式物理对象，如液体、气体、等离子体等对象的空间各向异性参数测量。

Description

基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪

技术领域

本申请属于光电检测、测量设备领域，特别涉及波阵面分割干涉仪、双频激光干涉仪、多频激光干涉仪、白光干涉仪、白激光干涉仪。

背景技术

利用电磁波的干涉原理能制造出精度非常高的检测仪器，如激光陀螺仪、波长测量计、位移测量计、倾角测量仪、激光干涉测距仪、傅里叶红外光谱仪、折射率测量仪等，但在已经公开的各种干涉仪中，由于干涉仪对光源的相干性要求较高、故而大都采用对同一束小截面光束进行振幅分割后、分别构成参考光束和测量光束的办法来实现干涉测量，但这种方式在最终干涉叠加时又要求它们具有相同的作用空间才可能产生干涉叠加场，故而会导致光学路径必然封闭的结果，而任意闭合路径的环路波长增量或频率增量必然为0(基于转动检测的塞格纳克干涉仪除外，但塞格纳克干涉仪仅能用于转动检测、并不适合物理对象在欧氏几何空间中所表现出的各向异性特征进行测量)，因为它们无法为各向异性参数测量提供必要的原理支撑；即便像杨氏双缝干涉/劳埃德镜这样的波阵面分割干涉装置，也因为光信号的同源问题形成互补抵消、且两光束的向量夹角太小也不适合用于检测对象的各向异性参数的测量；一种可选的办法是采用两台自由振荡但同频的光源来克服，但这样的一对光源是很难制造出来的，而使用频率不同的高稳频激光器因为存在的合频或分频本身就是一个时变量，而同时又要掌握它们的相对相位变化量难度也会非常高。为此，本申请提供了一套对大光束直径的平面波进行波阵面分割、并通过对参考信号进行延迟匹配且进行正交合束或对向合束的差动叠加方式来实现等光程设计的方法克服此问题，这是因为大光束直径的平面波本质上是基于惠更斯原理中波面方向必然由电磁激励势的相位选择决定，因此使用大光束直径的平面波光源能够克服闭合路径的环路波长增量或频率增量为0，原因就在于不同位置的电磁激发势之间没有因果或传递关系（碟片激光器主要是因为基横模的选择性激励的原理决定，而星光则是由于距离非常远以至于波阵面的结构受限于基本的几何原理约束）。

发明内容

本申请要解决的技术问题主要是对物理对象的空间各向异性参数进行测量，采用了对波阵面为平面的电磁波进行波阵面分割、并对分割后的两束光进行转折导向到不同的空间向量对向量信号进行采集后再合束检测、并在尽可能不产生色散的情况下设计出两有效光束等效光程相等的结构、去解决闭合路径的环路波长增量或频率增量始终为0的问题（从另一个角度来说该装置是在惠更斯原理下的相位选择原理构成的各点独立且同步的开环式光路结构，等效于各点源同相的合成波阵面——即平面波源，那么这里提到的光学环路的某增量积分实则也为两相干光束实际通过路径的速度积分），从而解决欧式几何体系下的被测对象各向异性参数的有效测量问题，尤其适合浸入式物理对象（如液体、气体、等离子体等对象的空间各向异性参数测量）。

本申请的发明内容是：采用波阵面为平面的平行光作为光源，在对该光源出射的光束波阵面进行分割后执行分束转向传播、从而构成不同行光路径的两束光，同时将这不同行光路径中的有效测量光束设计成单次单向传播的形式，且在尽可能不产生色散的情况下、用尽可能少的光学元件设计出各路光束等效光程相等的结构、最后再将两束光汇集于干涉镜或干涉结果检测器组件上(在使用阵列式图像传感器、显微镜或像屏作为干涉结果检测器时，可由它们直接代替原光路合束镜，而无需合束镜及其后的相关元器件)，从而解决光学环路波长增量或频率增量始终为0的问题，为设备测量物理对象的各向异性参数提供原理上的保证；当被测目标的空间特征向量分别与有效测量光束方向完全平行和垂直时，就能获得与被测特征量成等比线性换算的相位差值。为了实现这一目的，本申请提供了四种可选的实现结构原理，接下来进行逐一介绍。

第一种是基于平面光学结构设计的差分型波阵面分割干涉仪装置(参见图1)，使用波阵面为平面波的平行光作为第一平行光源(101)；该光源发出的平行光束的其中一部分在经过一个转折角度为90°的作为光路转折器的测量光束一主反射镜(102)后进入有效测量光束一工作区、另一部分在经过一个转折角度为90°的作为光路转折器的测量光束二反射镜(104)后进入有效测量光束二工作区、这两有效工作区的长度需要被调整为相等的关系、即Lm1=Lm2，作为光路转折器的测量光束一主反射镜(102)与作为光路转折器的测量光束二反射镜(104)需设置成相对光源不同的距离、且对其中一路有效测量光束最多进行1次转折后便能与另一有效测量光束进行合束，在经过这两个光路转折器之前的部分波面光束在本申请里分别被称作第一测量光束一（111）和第一测量光束二（112），而这两部分光束通过的空间区域被称作第一测量光束通道和第二测量光束通道，而在经过这两个光路转折器之后的光束在本申请里分别被称作有效测量光束一（113）和有效测量光束二（114），而这两束光通过的空间区域被称作第一有效测量光束通道和第二有效测量光束通道；在与作为光路转折器的测量光束一主反射镜(102)有相同的光源相对距离下、且处于第一测量光束一（111）和第一测量光束二（112）的中间（即光源轴心线位置）设置有转折角度为90°的作为光路转折器的测量光束一副反射镜（103）、用于将有效测量光束一（113）再次执行90°的转折、使转折后的测量光束一延展段（115）能与有效测量光束二（114）保持正交关系、使得它们可以相汇于第一半透半反相干合束镜（105）；在与光源距离等于作为光路转折器的测量光束二反射镜(104)的距离下的光源轴心线上还设置有用于干涉合束的第一半透半反相干合束镜（105）；合束后的其中一组干涉叠加光、即第一主干涉光束集（116）通往设置在该光束行进前方的第一干涉结果检测器组件(106)进行测量、得到两有效测量光束的相位差，另一组干涉叠加光、即第一次干涉光束集（117）通往设置在该光束行进前方的第一辅助探测器组件（107）对两束相干光的光束方向、及光谱成分进行测量，作为自动较准、修正装配误差、参数漂移的参考信号，也可用于对光束质量、波前畸变进行监测，评估检测结果的有效性。

第二种是基于平面光学结构设计的、具有预先交叉区域和弯折式单程-双程-共模组合光路结构的波阵面分割干涉仪装置，使用波阵面为平面波的平行光作为第二平行光源(201)；该光源发出的平行光束的其中一部分在经过一个转折角度为90°的作为光路转折器的第二测量光束反射镜(204)后进入有效测量光束工作区；该光源发出的平行光束的另一部分在经过另一个转折角度为90°的作为光路转折器的参考光束反射镜一(202)后进入参考光束共模区，在经过作为光路转折器的参考光束反射镜一(202)之前的第二参考光束（211）与第二有效测量光束（214）的交汇区设置有样品载台（208）；在共模参考光束（213）行进的方向上设置有转折角度为90°的作为光路转折器的参考光束反射镜二（203）、使再次转折后的参考光束能与第二有效测量光束（214）保持正交关系；同时设置测量光路作为光路转折器的第二测量光束反射镜(204)与参考光路作为转折器的参考光束反射镜一（202）和参考光束反射镜二（203）的垂直距离Lzr为有效测量光束长度Lzm的一半、实现等光程设计；在第二有效参考光束二（215）与第二有效测量光束（214）的交汇处设置有第二半透半反相干合束镜（205）；合束后的干涉光束其中一组形成第二主干涉光束集（216）通往第二干涉结果检测器组件(206)进行测量、得到有效测量光束与有效参考光束之间的相位差。另一组形成第二次干涉光束集（217）通往设置在该光束行进前方的第二辅助探测器组件（207）对两束相干光的光束方向、及光谱成分进行测量，作为自动较准、修正装配误差和参数漂移的参考信号,也可用于对光束质量、波前畸变进行监测，评估检测结果的有效性。

第三种是基于平面光学结构设计的、采用偏振分光/合束及旋光处理参考光束并原路返回的单程-双程组合光路结构的波阵面分割干涉仪装置，使用波阵面为平面波的线偏振平行光作为偏振平行光源(301)；该光源发出的平行光束的其中一部分在经过一个转折角度为90°的作为光路转折器的第三测量光束反射镜(304)后进入有效测量光束工作区；在该光源发出的平行光束的另一部分行光路径上、且距离光源的垂直距离与作为光路转折器的第三测量光束反射镜(304)相同的位置上安装有一薄片式(<10λ)偏振分光镜作为PBS分光/合束镜（305），并调整光源出射光束的振动矢量与透过PBS分光/合束镜（305）要求的偏振方向保持一致的位置；在第三有效参考光束一（317）继续行进的路径中还安装有一薄片式(<10λ)1/4λ玻片作为1/4λ玻片（307）、且将该玻片的偏振矢量（快轴或慢轴不限）调整为与入射光束的偏振矢量呈45°的关系；在有效参考光束通过1/4λ玻片后还安装有一平面结构的前表面反射镜作为参考光束反射镜(308)、且设置该反射镜的镜面与有效参考光束的波阵面为平行关系、同时设置有效参考光束通过的空间长度Lmr+Ls/2的等效光程为有效测量光程Lmx+Ls/2的一半、即2Lmr+Ls/2=Lmx；在合束后的第三干涉光束集（316）行进路径上安装有一第三干涉结果检测器组件(306)，用以测量有效测量光束与有效参考光束之间的相位差；为保证尽可能低的色散和散射，这里的偏振分光合束镜应尽可能选用薄片式偏振分光器、或超低色散基材制作的偏振分光立方体并尽可能在通光面上镀增透膜。

第四种是基于平面光学结构设计的采用偏振分光合束及旋光处理参考光束并原路返回和带有色散补偿的单程-双程组合光路结构组成的波阵面分割干涉仪装置(参见图3)，是在第三种解决方案的基础之上，将薄片式偏振分光镜替换为玻璃或晶体基材的偏振分光镜（如格兰棱镜）、并将薄片式1/4λ玻片替换为常见的带光学基材的1/4λ玻片，并在测量光束通道增设了一对厚度和材质与参考光束中的1/4λ玻片一致的前端1/2λ玻片(302)和后端1/2λ玻片(303)、和一个与PBS分光/合束镜（305）参数完全一致的PBS分束镜（309）作为色散补偿组件，两个1/2λ玻片分别置于 PBS分束镜（309）的光路前方和后方、并使玻片偏振矢量与入射光束的振动矢量保持45°的关系， PBS分束镜（309）的透过偏振矢量应与其入射光束的偏振矢量保持一致，并调整因此带来的光程不对等的参考光束反射镜位置、使光源发出的同一波阵面到达合束镜或干涉结果检测器表面的时间保持一致，即要保证说明书附图4中的2kLmr=Lmx,其中k取决于1/4λ玻片的材质和厚度带来的对整个有效参考光束等效光程改变的比值。

在前述四种方案里，为保证尽可能低的色散和散射，所有全反光反射镜应尽可能的采用低热膨胀率的基材上制作的无保护膜结构的平面结构前表面反射镜，半透半反合束镜采用具有纵向对称结构的多层硬质介质膜复镀实现的薄片式（<10λ）元件、或者采用同种材质且等厚的光学基材夹心半反膜的半透半反合束镜。

在前述四种方案里，所述干涉结果检测器可为像屏、毛玻璃、光电探测器、图像传感器等可用于干涉结果测量的任意器件；作为优选，应采用光电探测器或阵列式图像传感器，使参考光束和测量光束的叠加场光强信号转变为电信号，用于将信号通过现有的传统电路处理采样后送入电子计算机进行计算分析。当干涉结果检测器为阵列式图像传感器时，需将图像传感器的受光面与合束后的干涉光波阵面调整为不严格平行的姿态、或将有效参考光束的波阵面调整为与有效测量光束波阵面不严格垂直的姿态，使其可以获得0级以上的干涉结果。

在前述四种方案里，所述波阵面为平面波的平行光源的光谱成分可为单频激光、单色光、白光、白激光、双频或多频激光、双色或多色自发辐射光。为了测量结果的稳定性和准确性，优选复色光作为光源，通过检测0级干涉在干涉结果检测器上的位移、或各频点的相移小数部分联立求解合频的相移值使其获得更稳定更精确的结果和更大的量程(参见Tilford C R. Analytical procedure for determing lengths from frac2 tionalfringes[J ]. Applied Optics , 1987 ,16(7))；当采用复色光源时，干涉结果检测器可在其内前置一个波分解复用器、以避免使用光电探测器作为干涉结果检测器时发生叠加响应的问题;除了使用波阵面分割的方法获得相干光，也可以通过使用两台频率相同、或频差稳定且频差不超过100MHZ的两台激光器分别作为有效参考光束的光源和有效测量光束的光源，并取代前述方案的平行光源和光路转折器，并分别保持有效参考光束和有效测量光束的方向和等效光程长度不变，实现同样的目的。

在前述四种方案里，可将光路转折器和半透半反镜安装于可沿有效光束轴心线方向前后移动的运动机构上，以及将所述非闭合光路波阵面分割干涉仪安装于经纬仪这样的二维转台上，使该装置具备测量空间波长、测量空间姿态、交换参考/测量通道、自标定、自校正、检寻当前相位、执行自动测量和目标跟踪等功能。

在前述方案一、二的应用中，可在半透半反镜相干合束后的次干涉光束集的行波光路上，安装一套辅助探测器对参考光束和测量光束的光束方向、光束质量、波前畸变、及光谱成分等参数进行监测，作为自动较准、修正装配误差和参数漂移的参考信号；实现这个目的可以通过对参考光束和测量光束进行聚焦成像，并用面阵式图像传感器、四象限探测器等进行光束倾角的探测，可用于自校正、日光或星光追踪等目的；用日光或星光替代本申请里的平行光源，可实现更高精度的测量(因测量精度与有效测量光束的长度成正比，而系统集成的光源很难做到大光束直径的同时保证小的波前畸变)。

基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪的典型使用方法，预先将装置调节在与被测量无关的姿态上、并读取装置的初始相位差，然后通过填充或安装待测光各向异性光传播介质于样品载台、或有效参考工作区和有效测量工作区、或调节装置姿态使待测向量与测量光束/参考光束保持平行/垂直关系，使得有效参考光束和有效测量光束的相位差不同于初始状态，通过捕获该相位差的变化量去求出被测对象各向异性参数的方法。当作为运动和流体检测时，应调整干涉仪的姿态使有效测量光束与运动/流动向量保持平行关系。

术语定义：在本申请里，参考光束与测量光束相遇后至干涉合束前垂直通过的空间区域被称作有效参考光束工作区、而这段光束被称作有效参考光束;测量光束在经过光路转折器后至相遇参考光束前通过的空间区域被称作有效测量光束工作区、而这段光束被称作有效测量光束；这两个光束工作区被合称为有效工作区，而这两段光束被合称为有效光束。除此以外在本发明里所用数学或几何关系的术语(如平面波、正交、平行、同时、相等……等用语)均以工程实用的标准进行量度，而并非没有任何偏差的理想数学或几何关系，一般而言只要高于相关具体器件或组件的分辨率一倍以上即可。在本发明里，初始状态并没有做特别的限制，源于不同的测试对象需要有不同的初始状态才能得到最合适的结果，但也有一些测量是需要限定初始状态的，比如运动和流体测量，初始状态应是静止、或有效光束构成的平面与被测量向量成正交关系的初始状态才是最佳初始状态。

附图说明

图1是差分型波阵面分割干涉仪实现原理图；

图2是具有预先交叉区域和弯折式单程-双程-共模组合光路结构的波阵面分割干涉仪实现原理图；

图3是采用偏振分光/合束及旋光处理参考光束并原路返回的单程-双程组合光路结构的波阵面分割干涉仪实现原理图；

图4是采用偏振分光合束及旋光处理参考光束并原路返回和带有色散补偿的单程-双程组合光路结构组成的波阵面分割干涉仪实现原理图。

在图1中：101）第一平行光源，102）测量光束一主反射镜，103）测量光束一副反射镜，104）测量光束二反射镜，105）第一半透半反相干合束镜，106）第一干涉结果检测器组件，107）第一辅助探测器组件，111）第一测量光束一，112）第一测量光束二，113）有效测量光束一，114）有效测量光束二，115）测量光束一延展段，116）第一主干涉光束集，117）第一次干涉光束集。

在图2中：201）第二平行光源，202）参考光束反射镜一，203）参考光束反射镜二，204）第二测量光束反射镜，205）第二半透半反相干合束镜，206）第二干涉结果检测器组件，207）第二辅助探测器组件，208）样品载台，211）第二参考光束，212）第二测量光束，213）共模参考光束，214）第二有效测量光束，215）第二有效参考光束二，216）第二主干涉光束集，217）第二次干涉光束集。

在图3中：301）偏振平行光源，304）第三测量光束反射镜，305）PBS分光/合束镜，306）第三干涉结果检测器组件，307）1/4λ玻片，308）参考光束反射镜，311）第三参考光束，312）第三测量光束一，315）第三有效测量光束，316）第三干涉光束集，317）第三有效参考光束一，318）第三有效参考光束二。

在图4中：301）偏振平行光源，302）前端1/2λ玻片，303）后端1/2λ玻片，304）第三测量光束反射镜，305）PBS分光/合束镜，306）第三干涉结果检测器组件，307）1/4λ玻片，308）参考光束反射镜，309）PBS分束镜，311）第三参考光束，312）第三测量光束一，313）第三测量光束二，314）测量光束四，315）第三有效测量光束，316）第三干涉光束集，317）第三有效参考光束一，318）第三有效参考光束二，319）测量光束三。

具体实施方式

实施例一（参见图1），差分型波阵面分割干涉仪的详细实施步骤包括：

零部件选型,选取大直径碟片激光器并进行非线性倍频后产生的多谱线激光作为第一平行光源(101)；选取45°安装的镀银前表面反射镜作为光路转折器，具体包括测量光束一主反射镜（102）、测量光束一副反射镜（103）、测量光束二反射镜（104），并分别为其选取一个45度斜面安装的光学调整架作为安装基础；选取外表面镀有增透膜45°安装、且两面等厚、且同种材质的、光学基材夹心半反膜的半透半反镜作为第一半透半反相干合束镜（105），并为其选取一个不遮挡四个通光面的光学调整架作为安装基础；选取自带波分解复用器的多路光电探测器作为第一干涉结果检测器组件(106)；选取带有内部分光装置和成像镜头的光谱仪/波长计及摄像机组件作为第一辅助探测器组件（107），用作光束倾角测量和光谱测量用；除此以外，还需一个定制加工、且符合原理图布局的基台作为各部件和组件安装的基础，和一套能安装该基台的各轴都可360度连续旋转无死角的二维经纬转台以便调整基台（整套测量组件）的姿态；

参数要求，上述光学元件的通光面尺寸之间需要匹配，并尽量选取12.7mm、20mm、25mm这样的标准尺寸以方便找到匹配的安装支架，碟片激光器的光束直径一般要求＞3倍有效光束的设计通光孔径；如无特殊说明所有元件（含基台）的光轴中心设计制造位置容差为±0.1mm、角度容差为±2′；作为光路转折器的测量光束一主反射镜（102）和测量光束二反射镜（104）的前表面与光源出射的波阵面为45度±2’关系、或图1所标注的θ112和θ114需满足45°±2’（当采用光屏或阵列式图像传感器时容差范围为±1°,后同）；作为光路转折器的测量光束一副反射镜（103）的前表面与有效测量光束一（113）的波阵面为45度±2’关系、或图1所标注的θ113需满足45°±2’；第一半透半反相干合束镜（105）的反射膜面与两有效测量光束轴心线的夹角同为45度±2’、即图1中所标注的θ115和θ116需要满足45°±2’；两有效测量光束的光程长度需要一致、容差至少需要<±λ/16（当采用激光作为光源时没有此要求）,在本实施例中Lm1=Lm2=38.5mm、重复相位精度不低于λ/16，如需提高测量精度则需要加大Lm1和Lm2并同时提供更大光束直径的平行光源;

装调过程，将前述所有部件和组件按照设计原理图安装到位以后，首先需要把与测量相关的所有光束调整到同一平面高度，并锁定除平面转动外的所有自由量；再调整θ112和θ114角度和公差在45°±2’以内；再调整θ113的角度和公差范围在45°±2’；在调整θ115和θ116的角度和公差范围在45°±2’；再将整个装置放入暗室或避光的腔体内；将第一干涉结果检测器组件(106)的各路输出连接到多通道相位计上；将第一辅助探测器组件（107）连接至采集卡并监视入射光束的夹角大小、并启动平行光源在线调整前述角度、使角度偏差范围尽可能的小，并监视光源的光谱谱线宽度是否超标；先将第一干涉结果检测器组件(106)的有效光束平面调整为与被测向量无关(一般为垂直)的位姿，待第一干涉结果检测器组件(106)的各路光电探测器的相位示值稳定以后，通过微调作为光路转折器的测量光束一副反射镜（103）在有效测量光束一轴心线上的前后位置、使得光电探测器的各谱线的干涉相位全部相等（当采用激光作为光源时没有此要求）即为设备的初始0相位（一般而言光源出射光各路经过的反射次数相同时0级干涉为光电传感器的最大值、不同时取决于偶数余值为1时光电传感器输出最小值），并分别记录它们更加精准的相位初始值，联和各谱线的相位值求出和频/分频的相位值（如果信号需要更大量程的情况下）；

最后，将试样装填在有效工作区(如果有)、或调整装置的姿态使被测场等强度面与有效测量光束波阵面平行、或被测运动/流动向量与有效测量光束保持平行关系，然后重新记录各路光电探测器的相位示值或频移值，先通过联立方程组求解出和频/分频的相位值，再根据被测量与其的物理关联数学公式、解析出该相位变化量或频率变化量与被测物理量的映射值，实现测量标的物各向异性特征参数的目的。作为优选，应将这些物理关联的数学公式编制成应用程序，以便进行自动化的计算和输出各种相关报告。

实施例二（参见图2），具有预先交叉区域和弯折式单程-双程-共模组合光路结构的波阵面分割干涉仪的详细实施步骤包括：

零部件选型,同实施例一(零件品类同实施例一、部件番号参见图2)；此外本实施例还可选取一个样品载台（208）来安放被测量物体，具体选型取决于样品是液体、气体、还是固体以及压力大小；除此以外还需一个定制加工、且符合本原理图布局（图2）的基台作为各部件和组件安装的基础；

参数要求，同实施例一；

装调过程，同实施例一。

实施例三（参见图3），采用偏振分光/合束及旋光处理参考光束并原路返回的单程-双程组合光路结构的波阵面分割干涉仪的详细实施步骤包括：

零部件选型,选取大直径线偏振输出的碟片激光器并进行非线性倍频后产生的多谱线-线偏振激光作为偏振平行光源(301)；选取45°安装的镀银前表面反射镜作为光路转折器、即第三测量光束反射镜(304)，并为其选取一个45度斜面安装的光学调整架作为安装基础；选取一个5um厚度左右的薄片式偏振分光镜作为PBS分光/合束镜（305），并为其选取一个四面通光的安装支架作为安装基础；选取一个5um厚度左右的薄片式1/4λ玻片作为1/4λ玻片（307），并为其选取一个可沿光轴旋转的中空结构玻片安装调整支架组件作为安装的基础；选取0度安装的镀银前表面反射镜作为参考光束反射镜(308)，并为其选取一个平面安装的光学调整架作为安装基础；干涉结果检测器组件和辅助探测器组的选型参见实施例一（部件番号参见图3）;以外，还需一个定制加工、且符合原理图布局（图3）的基台作为各部件和组件安装的基础；

参数要求，同实施例一；

装调过程，在所有元件都安装到位以后先调整光源出射光束的振动矢量与透过PBS分光/合束镜（305）要求的偏振方向保持一致；将1/4λ玻片（307）的偏振矢量（快轴或慢轴不限）调整为与入射光束的偏振矢量呈45°的关系；之后再按照实施例一的装调步骤和方法进行调整。

实施例四（参见图4），采用偏振分光合束及旋光处理参考光束并原路返回和带有色散补偿的单程-双程组合光路结构组成的波阵面分割干涉仪的详细实施步骤包括：

零部件选型,偏振平行光源(301)、作为光路转折器的第三测量光束反射镜(304)、参考光束反射镜(308)和第三干涉结果检测器组件(306)的选型同实施例三；PBS分光/合束镜（305）和本实施例新增的色散补偿用PBS分束镜（309）需要采用完全一样的型号，这里我们采用了25.4mm规格的PBS光立方作为偏振分光/合束用，并分别为其选取一个不遮挡四个通光面的光学调整架作为安装基础；选取一个标准厚度(0.3mm~3mm)的1/4λ玻片作为1/4λ玻片（307），并为其选取一个可沿光轴旋转的中空结构玻片支架组件作为安装的基础；除此以外还要增加一对基材厚度和材质与参考光束中的1/4λ玻片一致的前端1/2λ玻片(302)和后端1/2λ玻片(303)，并为其分别选取一个可沿光轴旋转的中空结构玻片安装调整支架组件作为安装的基础；以外，还需一个定制加工、且符合原理图布局（图4）的基台作为各部件和组件安装的基础；

参数要求，同实施例三；

装调过程，参见实施例3，并在执行实施例一的装调步骤前，还需将前端1/2λ玻片(302)和后端1/2λ玻片(303)的偏振矢量调整为与入射光束偏振矢量成45°的关系；此外PBS分束镜（309）的透过偏振矢量需要调整为入射光束的偏振矢量一致；之后再进行实施例一中的各项调整。

前述四种实施例的具体实施方式，同种功能不同类型的器件在不同的实施例中是可以任意调换的，具体实施方式没有记载的用料和装调方法，也可根据相应器件的功能和公知技术、以及发明内容一节记载的方法和用料进行实现，并不作为实施中的用料和实现方法限定。比如，经过激光器调校好的光路，对于高可靠性测量的场合可能更适合换用日光、星光、自发辐射光作为光源，可避免使用激光时出现的量程越界等问题；而使用两台同频激光或频差锁定的激光器组成的极简系统结构、又能避免波前畸变等影响带来的测量误差等负面结果。因此作为本行业的研究人员也无需按照发明人的具体实施方式作为实现本发明内容的唯一途径，在不侵犯发明人相关权利的基础上、本行业人员应根据相关产业的最新成果、以及自己的技术特长和资源优势选择合适的方式进行研究实现。

Claims (10)

1.基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪，其特征在于：为一种基于平面光学结构设计的差分型波阵面分割干涉仪装置，使用波阵面为平面波的平行光作为第一平行光源(101)；该光源发出的平行光束的其中一部分在经过一个转折角度为90°的作为光路转折器的测量光束一主反射镜(102)后进入有效测量光束一工作区、另一部分在经过一个转折角度为90°的作为光路转折器的测量光束二反射镜(104)后进入有效测量光束二工作区、这两有效工作区的长度具有相等的关系，将作为光路转折器的测量光束一主反射镜(102)与作为光路转折器的测量光束二反射镜(104)设置成相对光源不同的距离、使其中一路有效测量光束在进行1次转折后能与另一有效测量光束进行合束而不发生机械干涉；在与作为光路转折器的测量光束一主反射镜(102)有相同的光源相对距离下、且处于第一测量光束一（111）和第一测量光束二（112）的中间设置有转折角度为90°的作为光路转折器的测量光束一副反射镜（103）、用于将有效测量光束一（113）再次执行90°的转折、使转折后的测量光束一延展段（115）能与有效测量光束二（114）保持正交关系、使得它们可以相汇于第一半透半反相干合束镜（105）；在与光源距离等于作为光路转折器的测量光束二反射镜(104)的距离下的光源轴心线上还设置有用于干涉合束的第一半透半反相干合束镜（105）；合束后的干涉光束其中一组干涉叠加光、即第一主干涉光束集（116）通往设置在该光束行进前方的第一干涉结果检测器组件(106)进行测量、得到两有效测量光束的相位差。

2.基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪，其特征在于：为一种基于平面光学结构设计的、具有预先交叉区域和弯折式单程-双程-共模组合光路结构的波阵面分割干涉仪装置，使用波阵面为平面波的平行光作为第二平行光源(201)；该光源发出的平行光束的其中一部分在经过一个转折角度为90°的作为光路转折器的第二测量光束反射镜(204)后进入有效测量光束工作区；该光源发出的平行光束的另一部分在经过另一个转折角度为90°的作为光路转折器的参考光束反射镜一(202)后进入参考光束共模区，在经过作为光路转折器的参考光束反射镜一(202)之前的第二参考光束（211）与第二有效测量光束（214）的交汇区设置有样品载台（208）；在共模参考光束（213）行进的方向上设置有转折角度为90°的作为光路转折器的参考光束反射镜二（203）、使再次转折后的参考光束能与第二有效测量光束（214）保持正交关系；设置测量光路作为光路转折器的第二测量光束反射镜(204)与参考光路作为转折器的参考光束反射镜一（202）和参考光束反射镜二（203）的垂直距离Lzr为有效测量光束长度Lzm的一半实现等光程设计；在第二有效参考光束二（215）与第二有效测量光束（214）的交汇处设置有第二半透半反相干合束镜（205）；合束后的干涉光束其中一组形成第二主干涉光束集（216）通往第二干涉结果检测器组件(206)进行测量、得到有效测量光束与有效参考光束之间的相位差。

3.基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪，其特征在于：为一种基于平面光学结构设计的、采用偏振分光-合束及旋光处理参考光束并原路返回的单程-双程组合光路结构的波阵面分割干涉仪装置，使用波阵面为平面波的线偏振平行光作为偏振平行光源(301)；该光源发出的平行光束的其中一部分在经过一个转折角度为90°的作为光路转折器的第三测量光束反射镜(304)后进入有效测量光束工作区；在该光源发出的平行光束的另一部分行光路径上、且距离光源的垂直距离与作为光路转折器的第三测量光束反射镜(304)相同的位置上安装有一薄片式偏振分光镜作为PBS分光合束镜（305），并调整光源出射光束的振动矢量与透过PBS分光合束镜（305）要求的偏振方向保持一致的位置；在第三有效参考光束一（317）行进的路径中还安装有一薄片式1/4λ玻片作为1/4λ玻片（307）、且将该玻片的偏振矢量调整为与入射光束偏振矢量呈45°的关系；在有效参考光束通过1/4λ玻片后还安装有一平面结构的前表面反射镜作为参考光束反射镜(308)、且设置该反射镜的镜面与有效参考光束的波阵面为平行关系、同时设置有效参考光束通过的空间长度Lmr+Ls/2的等效光程为有效测量光程Lmx+Ls/2的一半、即2Lmr+Ls/2=Lmx；在合束后的第三干涉光束集（316）行进路径上安装有一第三干涉结果检测器组件(306)，用以测量有效测量光束与有效参考光束之间的相位差。

4.根据权利要求3所述的基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪，其特征在于：将薄片式偏振分光镜替换为玻璃或晶体基材的偏振分光镜、并将薄片式1/4λ玻片替换为常见的带光学基材的1/4λ玻片，并在测量光束通道增设了一对厚度和材质与有效参考光束中的1/4λ玻片一致的前端1/2λ玻片(302)和后端1/2λ玻片(303)、和一个与PBS分光合束镜（305）参数完全一致的PBS分束镜（309）作为色散补偿组件，两个1/2λ玻片分别置于PBS分束镜（309）的光路前方和后方、并使玻片偏振矢量与入射光束的振动电矢量保持45°的关系， PBS分束镜（309）的透过偏振矢量应与其入射光束的偏振矢量保持一致，并调整因此带来的光程不对等的参考光束反射镜位置、使光源发出的同一波阵面到达合束镜或干涉结果检测器表面的时间保持一致。

5.根据权利要求1-4之一的所述基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪,其特征在于：所述干涉结果检测器为光电探测器，使参考光束和测量光束的叠加场光强信号转变为电信号。

6.根据权利要求1-4之一的所述基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪，其特征在于：所述干涉结果检测器为阵列式图像传感器，并将图像传感器的受光面与合束后的干涉光波阵面调整为不严格平行的姿态、或将有效参考光束的波阵面调整为与有效测量光束波阵面不严格垂直的姿态，使其可以获得0级以上的干涉结果。

7.根据权利要求1-2之一的所述基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪，其特征在于：在使用半透半反镜相干合束后的次干涉光束集的行波光路上，安装一套辅助探测器对光束方向、光束质量、波前畸变、及光谱成分进行监测，作为自动较准、修正装配误差和参数漂移的参考信号;也可用于对光束质量、波前畸变进行监测，评估检测结果的有效性。

8.根据权利要求1-4之一的所述基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪，其特征在于：将光路转折器和半透半反镜安装于可沿有效光束轴心线方向前后移动的运动机构。

9.根据权利要求8所述的基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪，其特征在于：将所述非闭合光路波阵面分割干涉仪安装于经纬仪二维转台上。

10.根据权利要求1-4之一所述的基于平面光路设计的非闭合光路波阵面分割干涉仪测量各向异性参数的方法，其特征在于：预先将装置调节在与被测量无关的姿态上、并读取装置的初始相位差，然后通过填充或安装待测光各向异性光传播介质于有效参考工作区和有效测量工作区、或调节装置姿态使待测向量与测量光束保持平行关系或与参考光束保持垂直关系，使得有效参考光束和有效测量光束的相位差不同于初始状态，通过捕获该相位差的变化量去求出各向异性参数的方法。