用于納米測量激光干涉儀的實用化研究.pdf

1、測量科學(xué)是各類前沿科學(xué)和技術(shù)的基礎(chǔ),小到精密元件的生產(chǎn),大到精密系統(tǒng)的設(shè)計、制造、安裝、檢測都離不開精密測量技術(shù)的支持,高精度測量儀器在科學(xué)實驗中的位也越來越重要;隨著納米科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展,各領(lǐng)域?qū){米尺度的產(chǎn)品進行檢測的需求也日益增多;而2008年的四川汶川地震、2010年的玉樹地震,使人們對地震前期預(yù)報的需求變得日趨緊迫,納米振動測量技術(shù)是研究地層聲波傳播規(guī)律的基礎(chǔ)工具?；谝陨闲枨?納米測量技術(shù)成為近年研究的熱點。
　　

2、使用激光波長作為測量基本刻度的激光干涉儀,是目前精確度最高、應(yīng)用最為廣泛的高精度測量方法之一。單頻激光干涉儀有著測量范圍大、測量速度快、測量精度高、采用光學(xué)元減少、造價低、容易推廣等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于測量領(lǐng)域。從而對限制單頻激光干涉儀進一步實用化的細致研究是必要的。
　　本文從采用四路偏振接收裝置的單頻偏振激光干涉儀原理入手,設(shè)計了使用偏振態(tài)分析儀、光功率計等進行光路準(zhǔn)直及各個偏振光學(xué)元件位置校準(zhǔn)的干涉儀調(diào)節(jié)方法。為了實現(xiàn)無源調(diào)制

3、及非線性誤差抑制,單頻偏振激光干涉儀和四路正交偏振接收干涉儀組合后,對偏振分光棱鏡、消偏振分光棱鏡元件的性能提出了更高的要求,這些元件的位置誤差、性能誤差、溫度效應(yīng)等對干涉儀測量精度的影響是不容忽視的。本文提出偏振分光棱鏡、消偏振分光棱等性能誤差對干涉儀有影響的元件的在線誤差補償方法。并對干涉儀進行集成及封裝設(shè)計,進一步減小外界環(huán)境對干涉儀的影響,使干涉儀小型化實際應(yīng)用成為可能。具體研究內(nèi)容為:
　　1、選用將激光偏振測量干涉儀與

4、基于偏振移相的四路正交探測干涉儀組合,使得本光路無需額外加載調(diào)制信號,減小了光強“零漂”等因素對干涉儀的影響,較好地抑制了共模噪聲,提高了干涉儀的測量精度。通過瓊斯矩陣理論對光路各點和位移求解過程進行深入的理論分析,設(shè)計出了用偏振態(tài)分析儀、光功率計對光路各點偏振態(tài)的標(biāo)定方法和單頻偏振激光干涉儀各偏振元件的準(zhǔn)直、角度位置調(diào)節(jié)方法,實現(xiàn)了單頻偏振激光干涉儀可重復(fù)的精確搭建與調(diào)節(jié)。
　　2、采用偏振移相的四通道接收裝置,干涉儀中偏振分光

5、棱鏡(PBS)數(shù)量達到了3個,定量研究了PBS不同入射條件下,反射路光束中含有P分量導(dǎo)致的偏振態(tài)劣化程度,給出了包含PBS斜入射傾角的實際瓊斯矩陣公式。根據(jù)PBS斜入射特性提出了單頻激光干涉儀中PBS偏振誤差的補償方法,通過將激光器預(yù)置偏振方位角,校正干涉儀測量光路輸出光束分光比,校正后的分光比可達1.006;通過PBS入射角度的在線調(diào)制,找到PBS最佳入射角度,使正交偏振探測光路中PBS反射光路信號對比度由0.81提高到0.91。

6、r>　　3、搭建了單頻激光干涉儀中消偏振分光棱鏡(NPBS)在線性能檢測系統(tǒng),NPBS的反射附加相移會導(dǎo)致單頻激光干涉儀輸出信號的非正交相移不為0,達到0.04rad以上。通過在光路中引入二分之一波片,實現(xiàn)了NPBS附加相移的在線補償,提升了干涉信號的對比度,系統(tǒng)輸出四路信號對比度均達到0.95以上,系統(tǒng)輸出非正交相移m值也達到0.002rad以下。并與直接通過旋轉(zhuǎn)四分之一波片補償NPBS反射附加相移的方法進行對比研究,指出本文在線補償

7、方法的優(yōu)勢。
　　4、本文設(shè)計搭建了干涉儀溫控實驗裝置,研究各元件溫度效應(yīng)對干涉儀的影響。結(jié)果表明,NPBS溫度效應(yīng)是各元件中對干涉儀非線性誤差影響最大的,通過與干涉儀靜態(tài)數(shù)據(jù)進行對比實驗,為干涉儀的溫度補償?shù)於嘶A(chǔ)。對干涉儀進行集成、光源耦合實驗,設(shè)計搭建小型化干涉儀封裝盒,為干涉儀的進一步小型化實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　經(jīng)過本文對單頻激光干涉儀的細致研究,使得干涉儀在實際應(yīng)用中,通過本文提出的元件位置校準(zhǔn)方法,對PBS、