外差干涉仪中金属反射镜对测量精度的影响

　　1　引　　言

　　为了实现外差干涉仪的高精度测量,对干涉仪的激光光源和光学元件的质量以及渥拉斯顿棱镜的安装、调整等提出了很高的要求,以保证入射到被测表面的光线不发生频率混叠现象,从而减小系统的非线性误差,提高测量精度[1]。

　　在此类激光外差干涉系统中,反射镜常常是镀银、铬或铝的金属反射镜。金属与透明介质的反射相比有很大不同,这是因为金属中具有自由电子和传导电源,当光进入金属后,自由电子吸收光能并使其变为自己的动能,从而使自由电子的振动加剧,造成强烈的反射次波,迫使光返回透明介质,这就是金属具有极高反射率的原因。为了全面地衡量金属的反射特性,引入金属复折射率n*=N-jK。由反射理论可知,任何一束入射光线都可以分解成平行于反射面的P光和垂直于反射面的S光,根据电磁场的边界条件[2]可得,不同振动方向的光线经反射后,由于n*是复数,不仅振幅反射率rs、rp不同,而且它们存在不同的相位跳变δs、δp。如果入射光为线偏振光,反射光将成为椭圆偏振光。

　　图1是干涉仪光学原理图。理论上要求入射到反射镜的光线是偏振方向相互垂直的线偏振光,且其中一束的偏振方向垂直于反射镜的法平面(仅有S光),另一束平行于反射镜的法平面(仅有P光),则此时反射后的光线振动面不发生变化,只是振幅、相位变化,且相位跳变δs、δp不同,由于δs和δp在测量中保持不变,所以对测量结果没有影响。同时反射光中一束光的偏振方向和渥拉斯顿棱镜的晶轴平行,一束与晶轴垂直,则不会产生频率混叠现象[3],所以系统具有较高的测量精度。但是由于安装、调试误差,如果入射到反射镜的两束线偏振光,其偏振方向和反射镜的法平面不是平行(垂直)关系,而是有一夹角,则每一束线偏振光都可以认为是P和S分量的合成,经反射镜反射后,每一束线偏振光均变为椭圆偏振光,且椭圆长轴倾斜,造成两个椭圆方位变化且不正交,同时椭圆短轴不同,即两个椭圆具有不相等偏心度。这样的两束光进入渥拉斯顿棱镜后,由于椭圆长轴和渥拉斯顿棱镜晶轴不平行(垂直),将使频率为f1的测量光束中含有频率为f2的测量光束;频率为f2的测量光束中混有频率为f1的光,即发生频率混叠,造成非线性误差。

　　2　反射镜引起的反射光椭圆偏振化分析

　　首先,在图1中的反射镜法平面内建立坐标系。取垂直于光线传播方向,在反射镜法平面内的轴为x轴,垂直于法平面的轴为y轴。则由于安装误差,使频率为f1的光不和x轴平行,它们的夹角为θ,如图2所示。设从激光器发出的两个振动方向相互垂直的偏振光振幅相同,即E1=E2=E,则它们可以分别分解为P光和S光: