马赫－曾德尔型相移矢量剪切干涉仪

摘要

一种马赫—曾德尔型相移矢量剪切干涉仪，其构成是：第一分束平板、第二分束平板、第一反射平板和第二反射平板互相平行设置成Mach－Zehnder型结构；在第一分束平板和第一反射平板之间设置有分离式楔板，该楔板的楔角为α，光束在楔板上入射角为θ；第二分束平板和第二反射平板之间设置有楔板，该楔板的楔角为α，光束在楔板上入射角为θ；所述的分离式楔板与楔板的楔角呈正交放置，其中分离式楔板的楔板部分b沿平板部分a移动，改变光程差，产生相移，在所述的第二分束平板后设置CCD相机，该CCD相机的输出端与所述的干涉条纹处理系统的输入端相连。本发明结构简单，成本较低，测量精度高，适合于相干长度短的半导体激光器光源的波面测量。

说明书

技术领域

本发明涉及光束波面测量，是一种马赫—曾德尔(Mach-Zehnder)型相移矢量剪切干涉仪，特别适合于相干长度较短的半导体激光波面的高精度测量。

技术背景

剪切干涉仪广泛应用于光学元件和光学系统的测试，剪切干涉仪不需要单独的理想参考面，是通过原始波面与其自身被剪开的波面之间进行干涉，因而有效地减小了系统误差。随着计算机技术的发展，PSI相移干涉技术被用于干涉图分析和处理，PSI通过记录一系列参考相位变化的干涉图，然后逐点恢复原始波面的位相。通常由PZT压电陶瓷驱动下的参考镜在周期内移动产生相移。但是由于PZT的灵敏度问题，以及非线性、迟滞、量化等一系列误差对相移精度有影响，并且PZT移相器对环境振动敏感，且价格昂贵。因而，有人提出其他产生相移的方法：光栅、液晶延迟器、楔板等。已有技术中的相移剪切干涉仪大多采用PZT移相器，并且为单向剪切(x方向或y方向)，对于非轴对称光学元件或轴对称光学元件的非轴对称像差的检测不方便，而且均为非等光程相干，不适用于相干长度短的光源。因而，迫切需要一种移相简单，等光程的，适用于相干长度较小的半导体激光光源的高精度移相式矢量剪切干涉仪。

在先技术[1](参见中国发明专利公开号：CN 1096873A，公开日1994年12月4日，发明名称：高精度大孔径移相式数字平面干涉仪)中所描述的立式菲索型移相式干涉仪，采用带阻尼板的液面作为校正仪器系统误差的基准平面，并且使用了对PZT移相器进行非线性补偿的电压控制源，自动校正非线性系统误差。但是，由于PZT移相器的灵敏度问题、迟滞误差、量化误差以及环境振动和挠动，再加上PZT压电晶体价格昂贵等使的该仪器成本较高，对使用环境要求严格。

在先技术[2](参见Hyun-Ho Lee，Jang-Hoon You，Seung-Han Park，“Phase-shifting lateral shearing interferometer with two pairs of wedgeplates”，OPTICS LETTERS，vol28，No.22，2243-2245(2003))中所描述的双菲索型的相移剪切干涉仪，由两对正交放置的楔板对前、后表面反射波面相干，分别产生x和y方向的剪切干涉条纹，并在出瞳处合成一幅莫尔干涉图；并以其中一块楔板的相对移动产生移相，该系统结构使用楔板对作为剪切和移相元件，克服了使用PZT压电晶体的缺点。但是，原始波面的不重叠误差会对剪切波面会产生干扰；并且为非等光程相干，对于短相干长度的半导体激光光源不适用。

在先技术[3](参见Jae Bong Song，Yun Woo Lee，In Won Lee，Yong-Hee Lee，“Simple Phase-shifting method in a wedge-platelateral-shearing interferometer”，Appl.Opt.vol43，No.20，3989-3992(2004))中所描述的单楔板相移剪切干涉仪，在Murty平板剪切干涉仪的基础上采用楔板引入波面倾斜，并通过楔板的移动产生相移，周期内2π相移所需的移动量为mm量级，因而相移精度高，但是仍为非等光程相干，并且为单向剪切。

在先技术[4](参见DeVon W.Griffin，“Phase-shifting shearinginterferometer”，OPTICS LETTERS，vol26，No.3，140-141(2001))中所描述的相移剪切干涉仪，以液晶延迟器为剪切和移相元件，通过电压调控产生相移，但是为保证条纹对比度，需要在液晶平板表面精确镀膜，同时还要求精确的电压控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述已有技术的困难，提供一种Mach-Zehnder型相移矢量剪切干涉仪，利用楔板移动的相移技术和矢量剪切原理测量激光波面，结构简单，成本较低，测量精度高，适合于相干长度短的半导体激光器光源的波面测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种马赫—曾德尔型相移矢量剪切干涉仪，其构成是：第一分束平板、第二分束平板、第一反射平板和第二反射平板互相平行设置成Mach-Zehnder型结构；在第一分束平板和第一反射平板之间设置有分离式楔板，该楔板的楔角为α，光束在楔板上入射角为θ；第二分束平板和第二反射平板之间设置有楔板，该楔板的楔角为α，光束在楔板上入射角为θ；所述的分离式楔板与楔板的楔角呈正交放置，其中分离式楔板的楔板部分b沿平板部分a移动，改变光程差，产生相移，在所述的第二分束平板后设置CCD相机，该CCD相机的输出端与所述的干涉条纹处理系统的输入端相连。

所述的干涉条纹处理系统为包含有相移剪切干涉条纹处理软件的计算机系统。

待测光束经第一分束平板分为A光束和B光束，A光束经分离式楔板后产生x方向的剪切和倾斜，B光束经楔板后产生y方向的剪切和倾斜，A、B两光束再经第二分束平板合束后相干，产生同时在x、y方向均有剪切和倾斜的矢量剪切干涉图，其中分离式楔板的楔板部分b沿平板部分a移动，改变光程差，产生相移。所述的矢量剪切干涉图被所述的CCD相机接收，送干涉条纹处理系统进行数据处理。

所述的A光束和光束B相干叠加的光程差为：

$>>\Delta W>>(>x>,>y>)>>=>W>>(>x>,>y>->>S>y>>)>>->W>>(>x>->>S>x>>,>y>)>>+>>\beta >y>>y>->>\beta >x>>x>>>$

$>>=>>>\partial >W>>(>x>,>y>)>>>>\partial >x>>>>S>x>>->>>\partial >W>>(>x>,>y>)>>>>\partial >y>>>>S>y>>+>>\beta >y>>y>->>\beta >x>>x>->->->>(>1>)>>>>$

其中，W(x，y)为原始波面，S_x为x方向的剪切量，S_x为y方向的剪切量，β_x为波面在x方向倾斜角，β_x为波面在y方向倾斜角。

所述的光束经楔板后剪切量S为：

$>>S>=>d>cos>\alpha >>(>>>sin>\theta >>>n>2>>->>sin>2>>\theta >>->>1>2>>sin>2>\theta >>>cos>\alpha >>>n>2>>->>sin>2>>\theta >>+>sin>>\alpha >sin>\theta >>>)>>->->->>(>2>)>>>>$

其中，α为楔板楔角，d为平均厚度，θ为光束在楔板上的入射角，n为楔板折射率。

所述的光束经楔板后的光束倾斜角为：

$>>\beta >=>>(>>>>n>2>>->>sin>2>>\theta >>>cos>\theta >>>->1>)>>\alpha >->->->>(>3>)>>>>$

所述的分离式楔板的楔板部分b沿平板部分a移动距离为l时，设θ为入射角，θ′为折射角，θ″为出射角，则产生的光程差为：

$>>\Delta OPD>=>l>>>n>sin>>\alpha >cos>>(>>\theta >>\prime >\prime >>>+>\alpha >)>>->sin>>\alpha >cos>>\theta >\prime >>>>cos>>(>>\theta >>\prime >\prime >>>+>\alpha >)>>cos>>(>>\theta >\prime >>->\alpha >)>>>>->->->>(>4>)>>>>$

当所述的分离式楔板的相移为2π时，楔板b沿平板a的移动量为l_λ：

$>>>l>\lambda >>=>\lambda >>>cos>>(>>\theta >>\prime >\prime >>>+>\alpha >)>>cos>>(>>\theta >\prime >>->\alpha >)>>>>n>sin>>\alpha >cos>>(>>\theta >>\prime >\prime >>>+>\alpha >)>>->sin>>\alpha >cos>>\theta >\prime >>>>->->->>(>5>)>>>>$

所述的干涉条纹处理系统为包含有相移剪切干涉条纹处理软件的计算机系统。

本发明以Mach-Zehnder型干涉仪为基础，在相干的两路光束中分别插入两块楔角正交放置的分离式楔板和整合式楔板，相对于原始波面分别产生x方向和y方向的剪切，引入的波面倾斜方向与剪切方向平行，两束相干光经第二分束平板合成为一幅矢量剪切干涉图。通过分离式楔板组件之间的相对移动，在2π周期内实现相移，通过CCD相机采集一系列相移干涉图，再由干涉条纹处理系统进行数据处理，最后得到原始波面的位相分布。本发明巧妙地使用两块楔板的正交放置实现矢量剪切，利用楔板的平移实现相移技术，该干涉仪为等光程相干的，特别适用于相干长度较小的半导体激光波面的高精度测量。

附图说明

图1为本发明Mach-Zehnder型相移矢量剪切干涉仪的结构示意图

图2为本发明矢量剪切相干的示意图

图3为本发明两块正交放置的分离式楔板5和楔板6示意图

图4为本发明分离式楔板5，楔板b沿平板a移动，实现相移过程的示意图

图5为本发明在0～2π周期内，每隔(1/2)π分步相移而产生的相移干涉图

具体实施方式：

首先参阅图1，图1为本发明Mach-Zehnder型相移矢量剪切干涉仪最佳实施例的结构示意图，由图可见，本发明马赫—曾德尔型相移矢量剪切干涉仪的构成是：第一分束平板1、第二分束平板4、第一反射平板2和第二反射平板3互相平行设置成Mach-Zehnder型结构；在第一分束平板1和第一反射平板2之间设置有分离式楔板5，该楔板的楔角为α，光束在楔板上入射角为θ；第二分束平板3和第二反射平板4之间设置有楔板6，该楔板的楔角为α，光束在楔板上入射角为θ；所述的分离式楔板5与楔板6的楔角呈正交放置，其中分离式楔板5的楔板部分b沿平板部分a移动，改变光程差，产生相移，在所述的第二分束平板4后设置CCD相机7，该CCD相机7的输出端与所述的干涉条纹处理系统8的输入端相连。

所述的干涉条纹处理系统8为包含有相移剪切干涉条纹处理软件的计算机系统。

待测光束经第一分束平板1分为A光束、B光束，A光束经分离式楔板5后产生x方向的剪切和倾斜，B光束经楔板6后产生y方向的剪切和倾斜，A光束、B光束再经第二分束平板4合束后相干，形成在x、y方向均有剪切和倾斜的矢量剪切干涉图，其中分离式楔板5的楔板b沿平板a移动，改变透射光程差，产生相移。在第二名分束平板4后设置CCD相机7和干涉条纹处理系统8，对干涉条纹进行采集、处理。

W(x，y)为原始波面，S_x、S_y分别为x和y方向的剪切量，β_x、β_y分别为x和y方向的倾斜角，则光束A、B相干叠加的光程差为：

$>>\Delta W>>(>x>,>y>)>>=>W>>(>x>,>y>->>S>y>>)>>->W>>(>x>->>S>x>>,>y>)>>+>>\beta >y>>y>->>\beta >x>>x>>>$

$>>=>>>\partial >W>>(>x>,>y>)>>>>\partial >x>>>>S>x>>->>>\partial >W>>(>x>,>y>)>>>>\partial >y>>>>S>y>>+>>\beta >y>>y>->>\beta >x>>x>>>$

工作过程中放置如下：首先，调整第一分束平板1、第二分束平板4和第一反射平板2、第二反射平板3相互平行；然后，按图2所示，将楔角正交放置的两块分离式楔板5和楔板6分别插入A光路、B光路中，旋转两块分离式楔板5和楔板6，改变入射角θ，调整剪切量S_x和S_y至所需状态；接着，将分离式楔板5的楔板b沿平板a移动，实现2π周期内的相移，移动范围为0～l_λ；CCD相机7采集一系列相移剪切干涉图传输到干涉条纹处理系统8进行数据处理，最后得到原始波面的位相分布。

Mach-Zehnder型相移矢量剪切干涉仪的基本原理为：参见图1，待测的原始波面斜入射到第一分束平板1上，透射光束为A光束，经前表面反射的光束为B光束；光束A透过分离式楔板5后，产生x方向的剪切和倾斜，光束B经反射平板3反射，再透过楔板6后，产生y方向的剪切和倾斜；A光束、B光束在经过第二分束平板4的反射和透射后相干；其中，通过分离式楔板5的楔板b沿平板a相对移动产生相移。

参见图2，原始波面W(x，y)以C₀(C₀-x₀y₀z₀)为中心，沿x方向的剪切波面A(C₁-x₁y₁z₁)：W(x-S_x，y)+β_xx，剪切量为S_x，波面倾斜为β_x；沿y方向的剪切波面B(C₂-x₂y₂z₂)：W(x，y-S_y)+β_yy，剪切量为S_y，波面倾斜为β_y；A光束和B光束相干。

参见图3，分离式楔板5由楔板b和平板a组成，放置在A光路中，产生沿x方向的剪切和倾斜；楔板6放置在B光路中，产生沿y方向的剪切和倾斜。

参见图4，分离式楔板5的楔板部分b沿平板部分a移动，移动范围为l：0～l_λ，相应的相移范围为φ：0～2π；入射角为θ，折射角为θ′，出射角为θ″，相移为2π时，对应的移动量l_λ为：

$>>>l>\lambda >>=>\lambda >>>cos>>(>>\theta >>\prime >\prime >>>+>\alpha >)>>cos>>(>>\theta >\prime >>->\alpha >)>>>>n>sin>>\alpha >cos>>(>>\theta >>\prime >\prime >>>+>\alpha >)>>->sin>>\alpha >cos>>\theta >\prime >>>>>>$

参见图5，假设原始波面为W(x，y)，W(x，y)＝0.08(x²+y²)²+0.06x(x²+y²)+0.003y(x²+y²)+0.048(x²+y²)，则在0～2π周期内，每隔1/2π进行相移，相移量为 $>>\Delta \phi >=>0>,>>1>2>>\pi >,>\pi >,>>3>2>>\pi >,>2>\pi >,>>>对应的相移干涉图如(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示。$

下面给出一个具体实施例的具体参数：

待测光束口径2R＝60mm，波长λ＝632.8nm。所有元件材料为K9，折射率n＝1.5147。四块玻璃平板均长110mm，宽80mm，厚20mm；两块楔板，平均厚度为20mm，楔角α均为1.7′，光束在楔板上的入射角为30°；相移2π时，楔板5的a、b间相对移动量为2.9mm。

经试用证明，本发明结构简单，成本较低，测量精度高，适合于相干长度短的半导体激光器光源的波面测量。