单频激光干涉仪四通道信号接收系统

　　1　引　言

　　尽管双通道信号接收系统在单频激光干涉仪中扮演着重要的角色,它不仅提供了位移信号,同时也给出了方向信号,但是由于单频激光干涉仪测量的是幅值信号,即使信号的幅值有一点波动,也会被错误地记入位移量中。为了减少由于光强变化而带来的误差,人们开始尝试使用三通道[1]或四通道信号接收系统。由于相位差为120°的三通道系统不具有对称性,不易实现,所以较广泛使用的是四通道系统,其各路信号相位差为90°。实现四通道信号接收系统有多种方法[2~4],然而大多数系统都由偏振分光镜组成,由于偏振分光镜的不可避免的分光误差,即无法将相互正交的偏振光完全分离,产生偏振混合现象,极大地影响了信号接收系统的各路信号输出质量。另一方面,由于透射能量和反射能量不等,也会造成信号接收系统的非线性误差。

　　本文简述了四通道信号系统中信号处理的一般方法,介绍一种采用Wollaston棱镜构成的四通道信号接收系统,利用双折射晶体自身的物理特性折射不同的偏振光,从而可获得高质量的输出信号。

　　2　原　理

　　单频干涉仪至少需要两路相位差90°的信号,用以判断测量光路中平面镜的移动方向以及细分干涉条纹。它最主要的非线性误差是两束相互正交的线性偏振光在测量臂和参考臂之间产生的偏振混合,除此之外,激光功率的变化、光学元件的调整和信号处理电路中的噪声都会增加非线性误差,使得两路正交信号的李萨如图形发生椭圆畸变。在四通道信号接收系统中,四路信号可以表示为[5, 6]:

　　为了计算式(5),一种通用的方法是在电路中减去一个固定值,但是这样做忽略了激光功率漂移所导致的信号误差。后来这一方法得到改进,使用第三个光电探测器监视激光功率的变化,实时修正A的值。但是四通道信号系统本身就能解决这一问题,可以直接使用式(4)求得相位值。

　　另外在抑制噪声方面,Greco等人[3]采用泊松分布模型分析了单频干涉仪中噪声引起式(1)中光强I变化的方差值,表明四通道信号系统中光强变化的方差值是双通道信号系统中的二分之一。同时,当激光功率变化时,四通道信号系统在A1=A3,A2=A4的前提下,光强变化的方差值为0,即消除了激光功率漂移的影响,而二通道信号系统无法得到这一结果。一个理想的单频干涉仪的信号轨迹在Ix、Iy坐标下应是一个圆心在原点的圆,然而在实际使用中,并不满足式(3)中的条件,而且存在相位误差δ,所显示的图形是一个圆心偏离原点的椭圆,这时信号Ix、Iy可表示为:

来描述偏振混合现象。Tp表示偏振方向与入射面平行的偏振光(p光)的透射系数,Ts表示偏振方向与入射面垂直的偏振光(s光)的透射系数,Rp表示偏振方向与入射面平行的偏振光的反射系数,Rs表示偏振方向与入射面垂直的偏振光的反射系数。在理想情况下,Tp、Rs等于1,而Rp、Ts为0,但实际上Tp、Rs小于1,Rp、Ts不为0。则各路信号变为: