基于短相干光源的动态斐索干涉仪及其关键技术研究

发布时间：2020-10-09 17:14

　　动态干涉测试技术具有非接触、高精度、抗振动的优点,在天文光学、强激光、核聚变等领域中得到了广泛应用。目前常用的动态干涉测试方案以泰曼型同步移相方案为主,该方案容易实现偏振移相,但其分光路结构容易受到系统误差的影响,而且不适用于大口径光学平晶的检测。本文研究了一种基于短相干光源的动态斐索干涉仪,可以同时获取四幅移相干涉图,实现对光学平晶等光学元件的高精度动态测量。根据偏振干涉原理,采用琼斯矢量和琼斯矩阵分析了基于短相干光源的动态斐索干涉测量机理。为了实现斐索型动态干涉,通过调节固体激光器的注入电流实现对其相干性的调整,结合偏振延迟装置,得到一对短相干正交线偏振光。通过调节光源模块中两束线偏振光的光程差来匹配斐索干涉腔长,实现了参考光与测试光的光程匹配。通过偏振移相模块中的1/4波片和微偏振阵列实现同步移相,在CCD上瞬时采集一幅光强图即可得到四幅位相依次相差π/2的移相干涉图,按照移相算法解算相位,恢复待测面形。研究了用于该动态斐索干涉仪的短相干激光器的相干特性,通过电流调制的方法改变二极管泵浦固体激光器的相干性,从而满足该系统对于光源相干长度的要求。采用光谱仪测量了该激光器的光谱和稳定性,研究了注入电流变化引起的激光器中心波长“漂移”现象,并探究了激光器的温度变化对其相干性的影响。实验结果表明,该激光器能够用作该系统的短相干光源。设计了动态斐索干涉仪的总体光路,优化了单元模块参数,包括短相干偏振光源模块、斐索干涉模块以及偏振移相模块,构建了实验装置,对该装置进行了光机电算一体化联调。为验证该装置测试的可靠性,使用该装置与Zygo GPIXP型干涉仪检测了同一块光学平晶,并比对测量结果,二者均方根值相差0.024λ,满足测量精度要求。构建了球面斐索干涉测量系统,实现了不同腔长下的光程匹配,恢复了被测球面镜的面形。研究了该动态干涉系统中不同误差源对测量结果的影响,分析了微偏振阵列的透振方向方位角误差、1/4波片的位相延迟量误差、1/4波片的快轴方位角误差。为了抑制1/4波片的快轴方位角误差在测量结果中引入的一倍频波纹误差,研究了一种干涉图光强归一化算法,对干涉图的背景和调制度进行归一化处理,经过数学仿真验证和对实际干涉图的处理结果可以看出,波纹误差得到了有效抑制,从而验证了该算法对于抑制干涉图光强误差的可行性。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH744.3
【部分图文】：

干涉图,移相,光路,方案

该系统中的光强畸变误差和移相误差对最终测量结果的影响。逡逑２００１年，１邋Ｅ．邋Ｍｉｌｌｅｒｄ［２４］结合全息衍射器件、位相掩模板和检偏器，搭建了动态干逡逑涉测量系统，如图１．２（ａ）所不。参考光与测试光为一对振动方向正交的线偏振光，经过逡逑全息光学元件发生衍射分成四束光，四束光经过位相掩模板后，每束光中的参考光与测逡逑试光分别产生位相依次相差７１／２的相位差，在ＣＣＤ相机前放置一个透振方向为４５°的检逡逑偏器，能够在ＣＣＤ上同时采集得到四幅位相差为ｊｔ／２的移相干涉图。在２００４年，Ｊ．邋Ｅ．逡逑ＭｉｌｌｅｒｄＰ５］又对位相掩模板进行了改进，用微偏振移相阵列代替了原来的全息分光位相掩逡逑模技术，如图１．２（ｂ）所７Ｆ。微偏振阵列由许多微偏振兀组成，微偏振兀的大小与位置与逡逑ＣＣＤ相机上每个像素大小与位置相匹配，每四个相邻的微偏振元构成一组移相单元，逡逑每组移相单元中微偏振元的透振方向分别为０°、４５°、９０°、１３５°，对应的移相量分别为逡逑０、；ｉ／２、７１、３？１／２。在ＣＣＤ上瞬时采集一幅干涉图

条纹,移相,分光,位相掩模

１）多个ＣＣＤ实现斐索型同步移相方案逡逑２00４年，美国ＥＳＤＩ公司的Ｓｚｗａｙｋｏｗｓｋｉ［２７，２８＾人提出了一种斐索型同步移相专利逡逑技术，该方案的光路如图１．３所示。光源经过渥拉斯顿棱镜后产生一对存在一定夹角的逡逑正交线偏振光，通过调整参考镜和测试镜的俯仰倾斜，使参考光和测试光都通过空间滤逡逑波器，然后经过ｘ－ｃｕｂｅ棱镜分光及偏振器件延迟，形成三幅移相干涉图并由三个ＣＣＤ逡逑同步懫集。该方案于２００９年应用于ＥＳＤＩ公司口径为１０２ｍｍ的ＩｎｔｅｌｌｉｕｍＴＭＨ２０００斐索逡逑型同步移相干涉仪［２９］中，其优势是能够避免杂散光进入ＣＣＤ产生寄生条纹，具有干涉逡逑图分辨率高的优点，但由于参考光和测试光不共光路，从而引入较大的轴外像差和回程逡逑４逡逑

示意图,斐索干涉仪,移相,光路

２０１２年，Ｄ．邋Ｇ邋Ａｂｄｅｌｓａｌａｍ［３１＾人采用面形精度优于Ｖ１０的１／４波片，在产生参考逡逑光的同时，实现了对测试光偏振态的调制，结合空间分光移相结构，搭建了同步移相斐逡逑索干涉测量系统，如图１．４所示。这种方案对１／４波片的面形要求很高，１／４波片随着口逡逑径的增大其制造难度也会增大，面形很难保证。因此，这种方案难以制成大口径干涉仪。逡逑而且该系统懫用相干性良好的激光光源，在测量光学元件时，同样容易受到光学元件多逡逑次反射引入的寄生干涉条纹的干扰，导致测量失败。逡逑

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