[發明專利]抗偏振混疊的單路圓偏振干涉和單渥拉斯特棱鏡分光式零差激光測振儀

有效

• 申請號: 201510340554.0
• 申請日: 2015-06-12
• 公開（公告）號: CN104913838A
• 公開（公告）日: 2015-09-16
• 發明（設計）人: 崔俊寧;何張強;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于激光干涉測量領域，主要涉及一種抗偏振混疊的單路圓偏振干涉和單渥拉斯特棱鏡分光式零差激光測振儀。

背景技術

激光測振儀作為能夠將振動量值溯源到激光波長的超精密測量儀器，被廣泛應用于位移動態測量、振動測量與監測、超精密裝備與系統集成、科學研究與實驗等領域。基于激光干涉法的激光測振儀按照原理可分為零差和外差兩大類，二者在工作原理、光路結構和技術特點上具有顯著區別。零差測量法采用單頻激光作為光源，基于經典或改進的邁克爾遜激光干涉原理，通過測量干涉條紋的相位變化直接測位移；而外差測量法是采用雙頻激光作為光源，基于多普勒效應，通過測量多普勒頻差測量被測件的運動速度而間接測位移。外差激光測振儀(常稱多普勒激光測振儀)其信號處理本質上是進行頻率測量，系統本身是動態交流系統，具有抗干擾能力強、測量結果受光強變化影響小等特點，缺點是非線性誤差來源較多，修正比較復雜，具有較高的技術復雜度和技術難度。而零差激光測振儀技術則較為成熟，具有結構簡單、測量精度高、動態范圍寬，非線性易于補償等優點。尤其近年來，科學研究與實驗提出了亞納米甚至皮米精度的振動測量需求，零差測量法又重新受到了研究人員的關注而成為本領域的研究熱點。

隨著干涉測量技術的發展，目前零差激光測振儀多采用先進的零差正交激光測振方案，利用偏振光移相干涉技術，獲得兩路正交光電信號，通過反正切計算和連續相位解調，實現振動的高分辨力測量。零差正交激光測振儀輸出的兩路信號在理想情況下應是等幅值、無直流偏置、相位正交的簡諧信號，兩路信號的李薩如圖應是一標準圓；但實際由于激光功率漂移、光學元器件不理想以及光學元件安裝位置誤差等因素，尤其是偏振分光鏡PBS和偏振片等光學器件存在偏振泄漏，波片器件存在相位延遲誤差等因素，導致實際輸出的兩路正交信號存在直流偏置、不等幅及非正交誤差，從而給測量結果帶來非線性誤差。現有的零差正交激光測振儀非線性誤差可達幾納米、甚至幾十納米，雖然可在一定程度上通過數學方法進行修正，但對采樣率和數字信號的處理速度提出了很高的要求，且要求兩路信號的李薩如圖必須為完整的橢圓才能進行修正。修正運算一方面嚴重影響測量的實時性，另一方面精度和效果也受到限制。因此，如何通過光路結構與原理上的創新，從原理上避免非線性誤差產生的因素，是解決零差正交激光測振儀非線性誤差問題最有效的方法，也是本領域研究的熱點問題。

零差正交激光測振儀的光路結構由干涉部分和探測部分兩大部分組成。現有技術方案在干涉部分和/或探測部分，受光路結構、原理及光學器件本身特性不理想的限制，存在難以克服的非線性誤差。對現有技術方案的優缺點及產生非線性誤差的原因分述如下：

(1)傳統經典的零差正交激光測振儀技術方案中，干涉部分采用偏振分光鏡PBS分光，產生P分量的參考光和S分量的測量光；探測部分先經消偏振分光鏡NBS分光后一路經偏振片后，被光電探測器接收，另一路先經四分之一波片變成圓偏振光，然后再經偏振片被光電探測器接收。該技術方案中，干涉部分采用的偏振分光鏡PBS和探測部分采用的偏振片消光比低(一般在1000∶1量級)，存在偏振泄漏現象，導致該光路非線性誤差顯著。

(2)1999年，基于消偏振分光鏡NBS和渥拉斯特棱鏡分光的零差正交激光測振技術方案，被寫入“ISO16063-11激光干涉法振動絕對校準”標準中(ISO16063-41“Methods?for?the?calibration?of?vibration?and?shock?transducers--Part?41：Calibration?of?laser?vibrometers”.)。該技術方案中，干涉部分激光光源輸出線偏振光，使線偏振光的偏振方向與四分之一波片的快軸方向成45°夾角，線偏振光經過四分之一波片后變成圓偏振光，采用消偏振分光鏡NBS對圓偏振光進行分光，參考臂上采用偏振片將參考光的偏振態由圓偏振變成線偏振，而測量光始終為圓偏振光；探測部分參考光和測量光經渥拉斯特棱鏡分光產生兩路正交的干涉信號。由于探測部分采用渥拉斯特棱鏡分光，渥拉斯特棱鏡利用雙折射晶體自身的物理特性分離不同的偏振光，具有較大的消光比(可高于100000∶1)，因此探測部分可視為不存在偏振混疊現象。該技術方案存在的不足之處在于：1)參考臂上放置偏振片導致參考光相對于測量光的光強大大降低，引入兩路輸出信號的不等幅誤差；2)干涉部分采用偏振片產生線偏振光，偏振片消光比低，干涉部分存在偏振混疊而引入非線性誤差。