波片对偏振激光干涉仪非线性误差的影响

　　0　引言

　　作为一种非接触式的精密测量技术,激光干涉计量技术被广泛应用于纳米精密定位和位移检测[1-3].由于无法避免偏振正交的参考光和测量光之间发生耦合,因此干涉测量中将引入非线性误差,这在外差干涉仪中尤为明显[4].为使外差干涉技术能够应用于纳米测量,非线性误差的研究引起了广泛的关注.文献[5-10]系统而深入地研究了光源偏振态退化、温度漂移和干涉仪中光学器件的性能不理想和调整不完善而引起的误差,以及误差确定及其补偿方法.

　　采用单频激光的零差干涉仪,可以对正交偏振光加以严格的限制.与外差激光干涉仪相比,其非线性误差较小.特别是利用差分信号处理方法,通过对基于偏振相移技术的单频激光干涉仪的四路互相正交干涉信号的相位解调[11-12],可以减小或者消除部分非线性误差的影响,实现高速、高准确度的纳米位移测量.尽管如此,零差干涉仪中的光学元件仍然存在非理想因素,同样会产生非线性误差,它是制约纳米测量中准确度提高的关键因素.郭彦珍等人讨论了零差干涉仪的非线性误差的情况[13],提出了干涉仪中元器件调整的方法,但是分析时没有考虑偏振移相接收装置;文献[14]研究了入射光偏振态退化、起偏器、偏振分光棱镜和1/4波片等非理想时零差正交偏振干涉仪的测量误差,但是对于偏振接收装置中的1/4波片和1/2波片没有深入讨论.

　　本文利用偏振光琼斯矩阵理论,建立了正交偏振零差激光干涉仪中波片性能误差和位置调整误差引起的非线性误差模型,研究了非线性误差的产生机理和变化规律,目的是为纳米激光干涉仪的元器件选择、光路调整和误差补偿提供理论依据.

　　1　正交偏振激光干涉仪

　　正交偏振激光干涉仪如图1.它由稳频激光光源、偏振分光棱镜(Polarzation Beamsplitter,PBS)、消偏振分光棱镜(Non-Polarization Beamsplitter,NPBS)、1/4波片(Quarter Waveplate,QW)、1/2波片(Half Waveplate,HW),以及参考和测量反射镜等光学元件组成的偏振干涉仪和接收装置构成.图1中,以平行纸面向右为x轴,垂直纸面向外为y轴,平行纸面向下为z轴,建立平面直角坐标系,假设光束沿z轴方向传输.干涉仪的工作原理为,由He-Ne激光器发出的单频激光经过准直透镜和偏振片(Polarizer,P1)变成偏振光.光束经过偏振分光棱镜PBS1分束,偏振s分量(偏振方向沿y轴)被PBS1反射作为参考光束.它经过1/4波片QW1后变为圆偏振光,经过参考反射镜(Reference mirror,M1),再次经过QW1后变为偏振方向与原方向垂直的线偏振

光,即由s偏振分量变为p分量,然后被PBS1完全透射;入射激光的另一p偏振分量(偏振方向沿x轴)被PBS1透射后作为测量光束,同样经过1/4波片QW2变为圆偏振光,被测量镜(Measurement mirror,M2)反射,再次经过QW2后,同理偏振方向由p分量变为s分量,经过PBS1被完全反射.参考光束和测量光束在半波片HW处汇合,HW的作用是使两光束的偏振态发生45°旋转;被消偏振分光棱镜NPBS均匀的分成两束,透射光束经过1/4波片QW3,在快慢轴之间产生π/2相移,再经过偏振分光棱镜PBS2的分光,产生两路干涉信号被PD1、PD2接收;而反射光束直接经过偏振分光棱镜PBS3的分光,也同样产生两路干涉信号被PD3、PD4接收.根据偏振光的琼斯矩阵理论,得到探测器PD1~PD4接收到互差90°正交的干涉信号I1~I4