用于納米測(cè)量激光干涉儀的實(shí)用化研究.pdf

1、測(cè)量科學(xué)是各類(lèi)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(jì)、制造、安裝、檢測(cè)都離不開(kāi)精密測(cè)量技術(shù)的支持,高精度測(cè)量?jī)x器在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的位也越來(lái)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(jìn)行檢測(cè)的需求也日益增多;而2008年的四川汶川地震、2010年的玉樹(shù)地震,使人們對(duì)地震前期預(yù)報(bào)的需求變得日趨緊迫,納米振動(dòng)測(cè)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(cè)量技術(shù)成為近年研究的熱點(diǎn)。
　　

2、使用激光波長(zhǎng)作為測(cè)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(cè)量方法之一。單頻激光干涉儀有著測(cè)量范圍大、測(cè)量速度快、測(cè)量精度高、采用光學(xué)元減少、造價(jià)低、容易推廣等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域。從而對(duì)限制單頻激光干涉儀進(jìn)一步實(shí)用化的細(xì)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(jì)了使用偏振態(tài)分析儀、光功率計(jì)等進(jìn)行光路準(zhǔn)直及各個(gè)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(duì)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(duì)干涉儀測(cè)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(duì)干涉儀有影響的元件的在線誤差補(bǔ)償方法。并對(duì)干涉儀進(jìn)行集成及封裝設(shè)計(jì),進(jìn)一步減小外界環(huán)境對(duì)干涉儀的影響,使干涉儀小型化實(shí)際應(yīng)用成為可能。具體研究?jī)?nèi)容為:
　　1、選用將激光偏振測(cè)量干涉儀與

4、基于偏振移相的四路正交探測(cè)干涉儀組合,使得本光路無(wú)需額外加載調(diào)制信號(hào),減小了光強(qiáng)“零漂”等因素對(duì)干涉儀的影響,較好地抑制了共模噪聲,提高了干涉儀的測(cè)量精度。通過(guò)瓊斯矩陣?yán)碚搶?duì)光路各點(diǎn)和位移求解過(guò)程進(jìn)行深入的理論分析,設(shè)計(jì)出了用偏振態(tài)分析儀、光功率計(jì)對(duì)光路各點(diǎn)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(shí)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(dá)到了3個(gè),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(shí)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(bǔ)償方法,通過(guò)將激光器預(yù)置偏振方位角,校正干涉儀測(cè)量光路輸出光束分光比,校正后的分光比可達(dá)1.006;通過(guò)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(cè)光路中PBS反射光路信號(hào)對(duì)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(cè)系統(tǒng),NPBS的反射附加相移會(huì)導(dǎo)致單頻激光干涉儀輸出信號(hào)的非正交相移不為0,達(dá)到0.04rad以上。通過(guò)在光路中引入二分之一波片,實(shí)現(xiàn)了NPBS附加相移的在線補(bǔ)償,提升了干涉信號(hào)的對(duì)比度,系統(tǒng)輸出四路信號(hào)對(duì)比度均達(dá)到0.95以上,系統(tǒng)輸出非正交相移m值也達(dá)到0.002rad以下。并與直接通過(guò)旋轉(zhuǎn)四分之一波片補(bǔ)償NPBS反射附加相移的方法進(jìn)行對(duì)比研究,指出本文在線補(bǔ)償

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