[发明专利]无正交误差的单路线偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪

说明书

技术领域

本发明属于激光干涉测量领域，主要涉及一种无正交误差的单路线偏振干涉和双渥拉斯特棱镜分光式零差激光测振仪。

背景技术

激光测振仪作为能够将振动量值溯源到激光波长的超精密测量仪器，被广泛应用于位移动态测量、振动测量与监测、超精密装备与系统集成、科学研究与实验等领域。基于激光干涉法的激光测振仪按照原理可分为零差和外差两大类，二者在工作原理、光路结构和技术特点上具有显著区别。零差测量法采用单频激光作为光源，基于经典或改进的迈克尔逊激光干涉原理，通过测量干涉条纹的相位变化直接测位移；而外差测量法是采用双频激光作为光源，基于多普勒效应，通过测量多普勒频差测量被测件的运动速度而间接测位移。外差激光测振仪(常称多普勒激光测振仪)其信号处理本质上是进行频率测量，系统本身是动态交流系统，具有抗干扰能力强、测量结果受光强变化影响小等特点，缺点是非线性误差来源较多，修正比较复杂，具有较高的技术复杂度和技术难度。而零差激光测振仪技术则较为成熟，具有结构简单、测量精度高、动态范围宽，非线性易于补偿等优点。尤其近年来，科学研究与实验提出了亚纳米甚至皮米精度的振动测量需求，零差测量法又重新受到了研究人员的关注而成为本领域的研究热点。

随着干涉测量技术的发展，目前零差激光测振仪多采用先进的零差正交激光测振方案，利用偏振光移相干涉技术，获得两路正交光电信号，通过反正切计算和连续相位解调，实现振动的高分辨力测量。零差正交激光测振仪输出的两路信号在理想情况下应是等幅值、无直流偏置、相位正交的简谐信号，两路信号的李萨如图应是一标准圆；但实际由于激光功率漂移、光学元器件不理想以及光学元件安装位置误差等因素，尤其是偏振分光镜PBS和偏振片等光学器件存在偏振泄漏，波片器件存在相位延迟误差等因素，导致实际输出的两路正交信号存在直流偏置、不等幅及非正交误差，从而给测量结果带来非线性误差。现有的零差正交激光测振仪非线性误差可达几纳米、甚至几十纳米，虽然可在一定程度上通过数学方法进行修正，但对采样率和数字信号的处理速度提出了很高的要求，且要求两路信号的李萨如图必 须为完整的椭圆才能进行修正。修正运算一方面严重影响测量的实时性，另一方面精度和效果也受到限制。因此，如何通过光路结构与原理上的创新，从原理上避免非线性误差产生的因素，是解决零差正交激光测振仪非线性误差问题最有效的方法，也是本领域研究的热点问题。

零差正交激光测振仪的光路结构由干涉部分和探测部分两大部分组成。现有技术方案在干涉部分和/或探测部分，受光路结构、原理及光学器件本身特性不理想的限制，存在难以克服的非线性误差。对现有技术方案的优缺点及产生非线性误差的原因分述如下：

(1)传统经典的零差正交激光测振仪技术方案中，干涉部分采用偏振分光镜PBS分光，产生P分量的参考光和S分量的测量光；探测部分先经消偏振分光镜NBS分光后一路经偏振片后，被光电探测器接收，另一路先经四分之一波片变成圆偏振光，然后再经偏振片被光电探测器接收。该技术方案中，干涉部分采用的偏振分光镜PBS和探测部分采用的偏振片消光比低(一般在1000∶1量级)，存在偏振泄漏现象，导致该光路非线性误差显著。

(2)1999年，基于消偏振分光镜NBS和渥拉斯特棱镜分光的零差正交激光测振技术方案，被写入“ISO16063-11激光干涉法振动绝对校准”标准中(ISO16063-41“Methods for the calibration of vibration and shock transducers--Part 41：Calibration of laser vibrometers”.)。该技术方案中，干涉部分激光光源输出线偏振光，使线偏振光的偏振方向与四分之一波片的快轴方向成45°夹角，线偏振光经过四分之一波片后变成圆偏振光，采用消偏振分光镜NBS对圆偏振光进行分光，参考臂上采用偏振片将参考光的偏振态由圆偏振变成线偏振，而测量光始终为圆偏振光；探测部分参考光和测量光经渥拉斯特棱镜分光产生两路正交的干涉信号。由于探测部分采用渥拉斯特棱镜分光，渥拉斯特棱镜利用双折射晶体自身的物理特性分离不同的偏振光，具有较大的消光比(可高于100000∶1)，因此探测部分可视为不存在偏振混叠现象。该技术方案存在的不足之处在于：1)参考臂上放置偏振片导致参考光相对于测量光的光强大大降低，引入两路输出信号的不等幅误差；2)干涉部分采用偏振片产生线偏振光，偏振片消光比低，干涉部分存在偏振混叠而引入非线性误差。