双平板偏振移相剪切干涉仪

摘要

一种双平板偏振移相剪切干涉仪，特点在于其构成包括第一偏振分光剪切平板、第二偏振分光剪切平板、偏振移相器、图像传感器和计算机组成，第一偏振分光剪切平板和第二偏振分光剪切平板完全相同。本发明具有等光程共光路干涉的特点，结构简单、紧凑，不易受环境影响。

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量领域，涉及一种双平板偏振移相剪切干涉仪。

背景技术

波前测量技术广泛应用于光学加工、激光通讯、传感器探测等领域。它利用波 面的变化反应光波经过的媒质或系统的相关特性，进而可以获得媒质或系统的多种 相关信息。波面测量通常采用剪切干涉测量方法来实现，它将被测波面与其被剪切 复制的波面进行干涉，对干涉图进行解包裹进行波面重建，该方法无需标准参考面， 且其结构简单、紧凑、稳定。引入移相形成了移相剪切干涉测量技术，可以进一步 提高剪切干涉波面测量的精度和空间分辨率。

先技术[1]（刘晓军，章明，李柱.“共路移相剪切干涉测量仪的研制”.华中 理工大学学报，27（3）：16-18（1999））利用光轴与表面平行的单轴晶体平板的双 折射效应，实现了共光路横向剪切干涉，但是不能满足等光程干涉，不适合于测量 低相干光源波面的检测。

先技术[2]（栾竹，刘立人，刘德安，滕树云.“双剪切波面干涉测量法”.光 学学报，24（10）：1417-1420（2004））利用雅满平行平板进行分束，被四个楔形板 分别剪切后由另一块雅满平行平板合束后进行干涉，该干涉仪能实现几乎等光程干 涉，但该干涉仪分光路剪切干涉，对环境振动敏感。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种双平板偏振移相剪切干 涉仪。该干涉仪具有等光程和共光路干涉等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种双平板偏振移相剪切干涉仪，特点在于其构成包括第一偏振分光剪切平板、 第二偏振分光剪切平板、偏振移相器、图像传感器和计算机组成，上述元部件的位 置关系如下：

沿入射光方向依次是第一偏振分光剪切平板、第二偏振分光剪切平板、偏振移 相器和图像传感器，设入射光方向沿直角坐标系的Y轴负方向，所述的第一偏振分 光剪切平板和第二偏振分光剪切平板完全相同，所述的第一偏振分光剪切平板的前 表面和所述的第二偏振分光剪切平板的前表面均镀有偏振分光膜，所述的第一偏振 分光剪切平板的后表面和所述的第二偏振分光剪切平板的后表面均镀有全反膜，第 一偏振分光剪切平板垂直于YZ平面而与XY平面的夹角为45°，第二偏振分光剪切 平板垂直于XZ平面而与XY平面的夹角为45°，所述的图像传感器的输出端与所述 的计算机的输入端相连；

所述的偏振移相器是由四分之一波片和可旋转的检偏器组成的时域移相器，或 是由分束棱镜或是衍射元件与偏振片组组成的空域移相器。

被测光束沿Y轴负方向入射到与XY平面成45°夹角的第一偏振分光剪切平板 上，被其前表面分为偏振方向互相垂直的两束线偏振光波：s波和P波。s波直接被 第一偏振分光剪切平板的前表面反射形成反射波，p波透过其前表面后被后表面反 射，再次透过其前表面形成另一束反射波。两束反射波沿着Z方向以45°夹角入射 到与XY平面成45°夹角的第二偏振分光剪切平板，p波直接被第二偏振分光剪切平 板的前表面反射，成为ps光波，而s波透过其前表面后被后表面反射，再次透过其 前表面形成另一束反射波sp光波。两束反射波经过所述的偏振移相器形成移相剪切 干涉图，所述的移相剪切干涉图被所述的图像传感器接收，并传入所述的计算机， 计算机利用移相剪切干涉图处理软件进行相关处理，获得复原被测波面。

与在先技术相比，本发明的装置效果如下:

1、结构简单、紧凑，不易受环境影响。

本发明等光程剪切平板仅由两块偏振分光剪切平板构成，同时实现了共光路干 涉，故其结构简单、紧凑，不易受环境影响。

2、等光程干涉。

本发明利用两块偏振分光剪切平板，利用空间位置和偏振分光剪切平板的特性 实现了光程差的补偿，适合低相干光束波面的检测。

附图说明

图1为本发明双平板偏振移相剪切干涉仪的光路结构图

图2为光入射到第一偏振分光剪切平板上的光路图

图3为光入射到第二偏振分光剪切平板上的光路图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护 范围。

先请参阅图1，图1为本发明双平板偏振移相剪切干涉仪的光路结构图。由图1 可见，本发明双平板偏振移相剪切干涉仪由第一偏振分光剪切平板2、第二偏振分 光剪切平板3、偏振移相器4、图像传感器5和计算机6组成，上述元部件的位置关 系如下：

所述的第一偏振分光剪切平板2和第二偏振分光剪切平板3完全相同，为光学 平行平板。请参阅图2和图3，图2为光入射到第一偏振分光剪切平板上的光路图， 图3光入射到第二偏振分光剪切平板上的光路图。所述的第一偏振分光剪切平板2 的前表面2a和所述的第二偏振分光剪切平板2的前表面3a均镀有偏振分光膜，所 述的第一偏振分光剪切平板2的后表面2b和所述的第二偏振分光剪切平板3的后表 面3b均镀有全反膜。请参阅图1，建立如图所示的直角坐标系XYZ。所述的入射光 1平行于Y轴，第一偏振分光剪切平板2垂直于YZ平面而与XY平面的夹角为45°， 第二偏振分光剪切平板3垂直于XZ平面而与XY平面的夹角为45°，所述的偏振移 相器4可以是由四分之一波片和可旋转的检偏器组成的时域移相器，也可以是由分 束棱镜或是衍射元件与偏振片组组成的空域移相器。所述的图像传感器5的输出端 与所述的计算机6的输入端相连；

被测光束1沿Y轴负方向入射到与XY平面成45°夹角的第一偏振分光剪切平 板2上，被前表面2a分为偏振方向互相垂直的两束线偏振光波：s波和P波。s波 直接被第一偏振分光剪切平板2的前表面2a反射形成反射波，p波透过前表面后被 其后表面2b反射，再次透过其前表面2a形成另一束反射波。两束反射波沿着Z方 向以45°夹角入射到与XY平面成45°夹角的第二偏振分光剪切平板3，p波直接被 第二偏振分光剪切平板3的前表面3a反射，成为ps光波，而s波透过前表面后被 其后表面3b反射，再次透过其前表面3a形成另一束反射波sp光波。两束反射波经 过所述的偏振移相器4形成移相剪切干涉图，所述的移相剪切干涉图被所述的图像 传感器5接收，并传入所述的计算机6，计算机6利用移相剪切干涉图处理软件进 行相关处理，获得复原被测波面。

本发明的双平板偏振移相剪切干涉仪工作过程如下：

被测光束1沿Y轴负方向入射到与XY平面成45°夹角的第一偏振分光剪切平 板上2，被前表面2a分为偏振方向互相垂直的两束线偏振光波：s波和P波，s波 的振动方向垂直于入射面YZ平面、同时平行于第一偏振分光剪切平板2的表面，而 p波的振动方向平行于入射面YZ平面，与第一偏振分光剪切平板2的表面呈45°夹 角。s波直接被第一偏振分光剪切平板2的前表面2a反射形成反射波，p波透过其 前表面2a后被后表面2b反射，再次透过前表面形成另一束反射波。第一偏振分光 剪切平板3引入的光程差为：

${\mathrm{OPD}}_1=d•n•\sqrt{2({2n}^2-1)}---\left(1\right)$

其中，d为第一偏振分光剪切平板2的厚度，n为折射率。两束反射波以45°夹角 入射到与XY平面成45°夹角的第二偏振分光剪切平板3，此时s波的振动方向平行 于入射面XZ平面，与第二偏振分光剪切平板3的表面成45°夹角，p波垂直于入射 面XZ平面，同时平行于第二偏振分光剪切平板3的表面。p波直接被第二偏振分光 剪切平板3的前表面3a反射，成为ps光波，而s波透过其前表面3a后被后表面 3b反射，再次透光前表面3a形成另一束反射波sp光波。第二偏振分光剪切平板3 引入的光程差为：

${\mathrm{OPD}}_2=-d•n•\sqrt{2({2n}^2-1)}---\left(2\right)$

其中，d为第一偏振分光剪切平板的厚度，n为折射率。由公式(1)(2)得到,经过第 一偏振分光剪切平板2和第二偏振分光剪切平板3后，两束光的光程差得到补偿， 光程差为零。两束反射波经过所述的偏振移相器4形成的移相剪切干涉图，所述的 移相剪切干涉图被所述的图像传感器5接收，并传入所述的计算机6，计算机6利 用移相剪切干涉图处理软件进行相关处理，从而复原被测波面，实现移相剪切干涉 测量。

下面给一个实施例的具体参数：

待测波面1由口径为2mm的氦氖激光器的光束经过5倍扩束镜扩束得到。偏振 分光剪切平板2由HK9L制成，大小为50mm×2mm。偏振分光剪切平板2和偏振分光 剪切平板3完全相同，其消光比为10000:1。偏振移相器4取四分之一波片和可旋 转检偏器，四分之一波片为石英波片，延迟量精度为λ/300，检偏器为消光比为 1000:1的偏振片。图像传感器5为像素600×400的CCD。

与在先技术相比，本发明结实现共光路和等光程移相剪切干涉，结构简单、紧 凑，不易受环境影响，适合低相干光束波面的检测。