CN1702428A - 改善周期非线性的差分干涉仪 - Google Patents

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CN1702428A CNA2005100645638A CN200510064563A CN1702428A CN 1702428 A CN1702428 A CN 1702428A CN A2005100645638 A CNA2005100645638 A CN A2005100645638A CN 200510064563 A CN200510064563 A CN 200510064563A CN 1702428 A CN1702428 A CN 1702428A
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Abstract

本发明公开了一种改善周期非线性的差分干涉仪。干涉仪系统包括平面镜干涉仪、旋转镜、具有可以被调节并随后被固定的延迟片的延迟片组件、以及回射器。光束在包括平面镜干涉仪、旋转镜、延迟片组件和回射器的光路中行进。延迟片组件可以包括多个轴承、被安放在轴承上的环、被安装到环上的延迟片、以及将环推压抵靠轴承的柱塞。在确定了在系统中产生很少偏振泄漏的方向之后，延迟片通过粘接剂被固定。

Description

改善周期非线性的差分干涉仪
技术领域
本发明涉及改善周期非线性的干涉仪系统及其使用的延迟片组件，以及用于降低偏振泄漏的方法。
背景技术
在例如美国专利No.4,930,894(“Baldwin”)和4,693,605所描述的差分干涉仪中，由于进出测量光路的参考束的偏振泄漏而产生周期非线性。在这些干涉仪中偏振劣化(即不希望的偏振变化)从而泄漏的原因包括不良的偏振涂层、不良的延迟片和通过镀银立方角回射器的偏振变形。
在图1中示出由Baldwin描述的一种干涉仪中，1/8波非线性的主要原因出现在“差分适配器”中，该差分适配器由旋转镜150、四分之一波片14和镀银立方角回射器13组成。四分之一波片14被定向以将入射线性偏振光在去往镀银立方角13时转换为圆偏振光。由于其构造，镀银立方角13使圆偏振劣化并输出椭圆偏振光，该椭圆偏振光的主轴旋转以使得当光返回而第二次穿过四分之一波片14时，输出光不是被完全地线性偏振。光现在具有与所期望的偏振状态正交的线性偏振分量。该分量是导致周期非线性误差的偏振泄漏。
因此，需要一种装置和方法，用于解决差分干涉仪系统中的偏振泄漏，具体地说，解决在到镀银立方角的光路中由四分之一波片引起的偏振泄漏。
发明内容
在本发明的一个实施例中，干涉仪系统包括平面镜干涉仪、旋转镜、具有可以被调节并随后被固定的延迟片的延迟片组件、以及回射器。光束在包括平面镜干涉仪、旋转镜、延迟片组件和回射器的光路中行进。在一个实施例中，延迟片组件包括多个轴承、被安放在轴承上的环、被安装到环上的延迟片、以及将环推压抵靠轴承的柱塞。在一个实施例中，在确定了在系统中产生很少偏振泄漏的方向之后，延迟片通过粘接剂被固定。
附图说明
图1图示了传统的差分干涉仪系统。
图2和图3图示了本发明一个实施例中的差分干涉仪系统。
图4、图5和图6图示了本发明一个实施例中图2和图3的干涉仪系统中的延迟片组件，该延迟片组件允许精确原位调节延迟片。
图7是本发明一个实施例中的用于调节差分干涉仪系统中的延迟片组件以减小偏振泄漏的方法的流程图。
图8图示了本发明另一个实施例中的差分干涉仪系统。
在不同的图形中，使用相同的标号表示类似或者等同的元件。
具体实施方式
图2和图3图示了本发明一个实施例中的差分干涉仪系统200。激光头202产生相干的准直光束，该光束由两个正交偏振的频率分量构成。一个频率分量fA(例如，具有P偏振的测量束)进入系统测量光路，而另一个频率分量fB(例如，具有S偏振的参考束)进入系统参考光路。
在测量光路中，偏振分束器204将频率分量fA传输到安装于移动台上的测量平面镜206。因为频率分量fA穿过四分之一波片208，所以回程偏振被旋转了90度，并且新的S偏振频率分量fA被偏振分束器204反射到立方角回射器210。立方角210再次将频率分量fA导向偏振分束器204，偏振分束器204再次将频率分量fA反射到测量平面镜206。同样，因为频率分量fA穿过四分之一波片208，所以回程偏振被旋转了90度，并且新的P偏振频率分量fA经过偏振分束器204被传输到旋转镜212。
旋转镜212将频率分量fA导向经过延迟片组件216(在图4、图5和图6中更详细示出)到镀银立方角回射器214上，回射器214将频率分量fA返回至镜212。因为频率分量fA穿过组件216中的四分之一波片，所以回程偏振理想上(并非实际上)被旋转了90度。镜212然后将新的S偏振频率分量fA返回至偏振分束器204，偏振分束器204将频率分量fA反射到立方角回射器218。立方角218将频率分量fA返回至偏振分束器204，偏振分束器204将频率分量fA反射到接收器220。注意，旋转镜212被用于使得系统200更紧凑。如果构建较大的系统200，则可以去除旋转镜212，并将立方角214直接放置在偏振分束器204之后，组件216位于其间。
在传统设置中，组件216中的四分之一波片的快(或慢)轴将被定向为与偏振矢量成45°，以便将入射线性偏振光转换为圆偏振光。不幸的是，在这样的设置中，镀银立方角回射器214将会使输入束中的圆偏振光变形，而使得输出束中的光是椭圆偏振的。当这种椭圆偏振光被返回以第二次穿过组件216中的四分之一波片时，输出将不处于希望的线性偏振状态，即沿着与输入束偏振正交的方向的完全线性偏振的状态。而是，输出将具有与希望的线性偏振状态正交的线性偏振分量。
因此，当圆偏振光相继穿过镀银立方角时，用于将线性偏振转换为圆偏振的四分之一波片的快轴的理想对准(即，与偏振矢量成45°)并不理想。利用光路中的镀银立方角，存在利用了镀银立方角的偏振变形效应的快轴的旋转“扫点(sweep spot)”。该扫点不从经过四分之一波片的第一次穿过中产生完全圆偏振光。但是，该扫点使得镀银立方角输出椭圆偏振状态，在经过四分之一波片返回之后，其具有较小的与希望的线性偏振状态正交的线性偏振分量。结果是，在返回穿过四分之一波片之后，初始线性偏振状态基本上保留了，但是当然被旋转了90°。而这又产生较少的偏振泄漏，因而在干涉测量中有较小的周期非线性。
通常，在差分干涉仪系统200中，可以根据立方角上银涂层的特性来选择延迟片，使得被定向在其“扫点”的该延迟片与镀银立方角回射器的组合相比于四分之一波片与镀银立方角的组合，给出甚至更小的与希望的偏振状态正交的线性偏振分量。例如，当与镀银立方角组合时，具有90.189°延迟角的线性延迟片，给出比四分之一波片(延迟角＝90°)更小的不希望的线性分量。类似地，延迟片可以被选择用于具有另一类型涂层的立方角，使得该延迟片与立方角的组合使与希望的线性偏振状态正交的线性偏振分量最小化。
图4、图5和图6图示了本发明一个实施例中允许精确原位旋转调节四分之一波片的延迟片组件216。四分之一波片302利用粘接剂固定到环304上。在一个实施例中，四分之一波片302由石英制成，环304由黄铜制成。环304被形成“V型块轴承”的两个轴承销306可运动地支撑。在一个实施例中，轴承销306由Delrin AF制成。通过在V型块接触线中被安装到壳体310上的弹簧加力柱塞308，迫使环304进入V型块轴承。在一个实施例中，柱塞308由Delrin AF制成。
壳体310包括面322，该面322定义用于接纳环304的圆形凹陷324。沿着圆形凹陷324的圆周是用于接纳轴承销306的槽323(图6)。镀银立方角214可以在面322上被安装到壳体310上。旋转镜212可以在被定向为与面322成45°的面328上被安装到壳体310上。孔325和326被定义在面322与328之间，以提供旋转镜212与立方角210之间的偏移光路。
平面镜干涉仪230(由分束器204、立方角210和218以及四分之一波片208组成)可以在被定向为与面322正交的面330上被安装到壳体310上。孔被定义在面328与330之间，以提供旋转镜212与平面镜干涉仪230之间的偏移光路。壳体310的面上设置有通向圆形凹陷324的胶孔332。
利用双球杠杆312，实现对环304(和四分之一波片302)的精细旋转位置控制。小球314(在大球318的顶上)与环304中的径向孔316中的一个孔啮合。大球318与支点孔320啮合，并用作第一类杠杆的支点。支点孔320和柱塞安装孔334(图6)位于壳体310的面321上，并且接通到圆形凹陷324。
环304与轴承销306之间的低摩擦力和高杠杆效率的结合允许四分之一波片快轴的扫点被精确对准到偏振矢量。一旦杠杆312移动，弹簧加力柱塞308就保持四分之一波片302的位置。然后通过胶孔332注入粘接剂，以固定环304的位置。
返回参考图2和图3，在参考光路中，偏振分束器204将频率分量fB反射到立方角218。立方角218将频率分量fB返回至偏振分束器204，该偏振分束器204将频率分量fB反射到镜212。镜212将频率分量fB导向至镀银立方角214，该镀银立方角214将频率分量fB返回至镜212。因为频率分量fB穿过四分之一波片216，所以回程偏振被旋转了90度。
镜212将新的P偏振频率分量fB导向至偏振分束器204，该偏振分束器204将频率分量fB传输到可以移动的参考镜222。因为频率分量fB穿过四分之一波片208，所以返程偏振被旋转了90度，并且新的S偏振频率分量fB被偏振分束器204反射到立方角210。立方角210将频率分量fB返回至偏振分束器204，该偏振分束器204再次将频率分量fB反射到参考镜222。同样，因为频率分量fB穿过四分之一波片208，所以回程偏振被旋转了90度，并且P偏振频率分量fB经过偏振分束器204被传输到接收器220上。
图7是本发明一个实施例中用于搜索干涉仪系统200中的四分之一波片快轴的扫点的方法700的流程图。
在步骤702中，测量束和参考束都被打开，以传播经过装配好的干涉仪系统200中的测量光路和参考光路。
在步骤704中，测量来自被重新组合的测量束和参考束的脉动信号(beat signal)的幅度(以后称为“第一幅度”)。
在步骤706中，中断(例如挡住)一种束(测量束或者参考束)。理论上，如果没有偏振泄漏，则脉动信号将停止。但是，如果有偏振泄漏，则将保留可检测的脉动信号(具有初始拍频)。
在步骤708中，再次测量初始拍频的脉动信号的幅度(以后称为“第二幅度”)。
在步骤710中，判断偏振泄漏是否低于阈值，低于阈值则意味着已经找到了组件216中的四分之一波片302的快轴的扫点。在一个实施例中，偏振泄漏被定义为第二幅度对第一幅度的比例。如果偏振泄漏不小于阈值，则步骤710之后是步骤712。否则，步骤710之后是步骤714。
在步骤712中，调节组件216中的四分之一波片302的快轴。如上面参考图4、图5和图6所描述的，使用杠杆312来调节四分之一波片302的快轴。步骤712之后是步骤708，并且重复该过程，直到找到了四分之一波片302的快轴的扫点。
在步骤714中，固定四分之一波片302的快轴。如上面参考图4、图5和图6所描述的，通过壳体310的胶孔332注入粘接剂，以固定环304和四分之一波片302的朝向。
图8图示了本发明一个实施例中的差分干涉仪系统800。系统800类似于系统200，除了延迟片组件216被输入光路中的输入半波片组件816A和输出光路中的输出半波片组件816B代替，并且镀银立方角214被未涂覆的TIR(全内反射)立方角发射器814代替。已经确定，适当定向的TIR立方角814保持了传输中的正交线性(水平/垂直)偏振，如果它们在输入处(向立方角内看去)被逆时针旋转13.7°。输出偏振保持线性，但是在向立方角内看去的相反方向上被旋转了13.7°。13.7°的旋转角取决于立方角材料的特性。对于普通光学玻璃BK-7，旋转角接近13.7°。
输入半波片组件816A被原位调节，以将对TIR立方角814的线性偏振输入旋转13.7°。输出半波片组件816B被原位调节，以将得到的线性偏振输出旋转13.7°+/-90°，使得对于频率分量fA和fB中的每个，回程束是沿着与输入束的偏振方向正交的方向线性偏振的。系统800消除了完全由镀银立方角引起的不希望的偏振变形。此外，它改善了回射效率，以及垂直偏振光到水平偏振光和水平偏振光到垂直偏振光的偏振转换。在一个实施例中，组件816A和816B与图4、图5和图6中的组件216类似地构建，其中用半波片取代四分之一波片。
上述方法700可以被修改以减小系统800的偏振泄漏。代替步骤712中调节单个四分之一波片，两个半波片被调节以搜索偏振泄漏低于阈值的扫点。
所公开实施例的特征的各种其他组合和改装都在本发明的范围之内。虽然所图示的实施例使用平面镜和立方角回射器，但是也可以使用其他反射、折射、衍射和全息元件来代替。此外，在轴承销306的接触线之间居中的单个弹簧加力柱塞308可以被用来代替两个弹簧加力柱塞308。此外，代替镀银立方角214，可以使用涂覆了其他材料的立方角。这些实施例中所描述的机械轴承属于使用减摩材料的稳定的运动学设计。明显地，可以使用较不稳定的低效轴承来代替，例如由在圆形凹陷324中运转的环304组成的简单轴颈轴承。此外，可以使用真正的运动学设计，例如三个轴承滚珠支撑环304。所附权利要求涵盖了许多实施例。
本申请涉及题为“偏振维持回射器装置”的代理卷号10031255-1的美国专利申请，以及题为“使用偏振维持回射器的系统”的代理卷号10040352-1的美国专利申请，以上申请同时递交、共同转让，并通过引用结合于此。

Claims (22)

1.一种延迟片组件，包括：
多个轴承；
被安放在所述轴承上的环；
被安装到所述环上的延迟片；和
将所述环推压抵靠所述轴承的柱塞。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述延迟片是从由四分之一波片和半波片组成的组中选择的。
3.根据权利要求1所述的组件，还包括：
杠杆，所述杠杆所包括的一端具有大球和在所述大球上的小球；
壳体，所述壳体包括：
第一面，所述第一面定义用于接纳所述环的圆形凹陷；
第二面，所述第二面定义连通到所述圆形凹陷的支点孔；
其中，所述大球与所述支点孔啮合，并且所述小球与所述环上的径向孔啮合，所述大球用作所述杠杆旋转所述环的支点。
4.根据权利要求3所述的组件，其中，所述轴承是销轴承，并且所述圆形凹陷还包括用于接纳所述销轴承的槽。
5.根据权利要求3所述的组件，其中，所述壳体还定义了到所述圆形凹陷的胶孔。
6.根据权利要求3所述的组件，其中，所述第二面还定义连通到所述圆形凹陷的柱塞安装孔，所述柱塞安装孔接纳所述柱塞。
7.根据权利要求3所述的组件，其中，所述壳体还包括被定向成与所述第一面成45°的第三面，所述第三面接纳旋转镜。
8.根据权利要求7所述的组件，其中，所述壳体还包括被定向为与所述第一面正交的第四面，所述壳体还定义了所述第一面与所述第三面之间以及所述第三面与所述第四面之间的孔。
9.根据权利要求8所述的组件，其中，所述第四面接纳平面镜干涉仪。
10.一种干涉仪系统，包括：
平面镜干涉仪；
延迟片组件，具有可以被调节并随后被固定的延迟片；
回射器；
其中，光束在包括所述平面镜干涉仪、所述延迟片组件和所述回射器的光路中行进。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括位于所述光路中的所述平面镜干涉仪与所述延迟片组件之间的旋转镜。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述延迟片组件包括：
多个轴承；
被安放在所述轴承上的环；
被安装到所述环上的所述延迟片；和
将所述环推压抵靠所述轴承的柱塞。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述干涉仪包括经涂覆的立方角，所述延迟片包括四分之一波片，并且所述光路还包括所述延迟片组件、所述旋转镜和所述平面镜干涉仪。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述经涂覆的立方角包括涂覆银的立方角。
15.根据权利要求10所述的系统，还包括具有可以被调节并随后被固定的另一个延迟片的另一个延迟片组件，其中，所述回射器包括全内反射立方角，所述延迟片和所述另一个延迟片包括半波片，并且所述光路还包括所述另一个延迟片组件、所述旋转镜和所述平面镜干涉仪。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述延迟片的快轴或者慢轴被定向成将到达所述全内反射立方角的光旋转13.7°，并且所述另一个延迟片的另一个快轴或者慢轴被定向成将来自所述全内反射立方角的光的偏振旋转13.7°+/-90°。
17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述回射器包括经涂覆的立方角，并且所述延迟片是基于所述经涂覆立方角的涂覆材料而选择的。
18.一种用于降低偏振泄漏的方法，包括：
基于测量束和参考束，测量具有拍频的脉动信号的第一幅度，其中，所述测量束和所述参考束中的至少之一在从延迟片到回射器的光路中行进；
中断所述测量束和所述参考束中的一个；
测量具有所述拍频的所述脉动信号的第二幅度；以及
如果所述第二幅度对所述第一幅度的比例小于阈值，则固定所述延迟片的快轴。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述测量束和所述参考束中的所述至少之一还从所述回射器行进到所述延迟片，所述延迟片包括四分之一波片，并且所述回射器包括经涂覆的立方角，所述方法还包括：
如果所述比例大于所述阈值，则调节所述延迟片的所述快轴。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述经涂覆的立方角包括涂覆银的立方角。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述测量束和所述参考束中的所述至少之一还从所述回射器行进到另一个延迟片，所述延迟片和所述另一个延迟片包括半波片，并且所述回射器包括全内反射立方角，所述方法还包括：
如果所述第二幅度对所述第一幅度的所述比例大于阈值，则调节所述延迟片的所述快轴和所述另一个延迟片的另一个快轴。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述调节所述快轴的步骤使得到达所述全内反射立方角的所述测量束和所述参考束中的所述至少之一的偏振旋转了13.7°，并且所述调节所述另一个快轴的步骤使得来自所述全内反射立方角的所述测量束和所述参考束中的所述至少之一的偏振旋转了13.7°+/-90°。
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