專利名稱：一種在光學(xué)測(cè)量中實(shí)現(xiàn)光程四倍增的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在光學(xué)測(cè)量中實(shí)現(xiàn)光程四倍增的方法及其裝置，屬于光學(xué)測(cè)量技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在通常的光學(xué)測(cè)量過程中，往往需要通過增加光程差的方法來(lái)達(dá)到提高測(cè)量精度 的目的。以邁克爾遜干涉儀應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量過程為例，可以設(shè)法將待測(cè)的物理量轉(zhuǎn)化 為邁克爾遜干涉儀中動(dòng)鏡的位移A而此位移量"使干涉儀中由分束鏡分開的兩束光 產(chǎn)生2d的光程差，進(jìn)一步依據(jù)光程差所引起的干涉條紋的偏移可以求出待測(cè)物理量的 值。由于最終的待測(cè)量由千涉條紋解調(diào)得到，如果同樣大小的動(dòng)鏡位移d能夠使干涉 儀中兩束光產(chǎn)生更大的光程差，則干涉條紋的偏移量將增大，干涉儀的測(cè)量精度可以 進(jìn)一步提高。
采用附圖1中光束多次反射的方法，通過移動(dòng)反射鏡2可以達(dá)到大幅度增加光程 的目的，但是經(jīng)過多次反射后光束角度難以控制，并且總光程不易精確計(jì)算，同時(shí)該 方法也不適合應(yīng)用于類似邁克爾遜干涉儀光路結(jié)構(gòu)的光學(xué)測(cè)量過程中。由于從移動(dòng)反 射鏡2反射回來(lái)的光束與光束入射時(shí)的角度不能實(shí)現(xiàn)一致(因?yàn)椋诒ＷC光束強(qiáng)度盡 可能不衰減的條件下無(wú)法做到由移動(dòng)反射鏡2垂直反射)，所以相同的動(dòng)鏡位移難以產(chǎn) 生較大的光程，所以在實(shí)際應(yīng)用中不能夠帶來(lái)極大方便。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題
為了克服現(xiàn)有技術(shù)光程較小，影響測(cè)量精度的困難，本發(fā)明提出一種在光學(xué)測(cè)量 中實(shí)現(xiàn)光程四倍增的方法及其裝置，通過倍增光程以達(dá)到提高光學(xué)測(cè)量精度的目的。
技術(shù)方案
本發(fā)明提出的一種在光學(xué)測(cè)量中實(shí)現(xiàn)光程四倍增的方法，如圖2所示。技術(shù)特征在
5于包含以下步驟
步驟l，將入射的單色平面偏振光P,垂直照射目標(biāo)位C并由目標(biāo)位C折返后，在目 標(biāo)位C光路前端的A點(diǎn)改變偏振方向90度角，得到與入射的單色平面偏振光Pi偏振方向 正交的單色平面偏振光P2;
步驟2，將單色平面偏振光P2再次折返垂直照射目標(biāo)位C并再次由目標(biāo)位C折返， 在目標(biāo)位C光路前端的A點(diǎn)相對(duì)于入射的單色平面偏振光P2改變偏振方向90度角，得到
與單色平面偏振光P2偏振方向正交的單色平面偏振光P3;所述的單色平面偏振光P3與
入射單色平面偏振光P,的偏振方向一致，并折返至單色平面偏振光P，的入射端位置；
步驟3，改變目標(biāo)位C位置，使其在平行于入射單色平面偏振光Pi的方向產(chǎn)生前后 位移A;
步驟4，重復(fù)步驟1和步驟2，在單色平面偏振光P,的入射端位置，得到與單色平面
偏振光P3相比光程差發(fā)生改變?yōu)槟繕?biāo)位C位移量A四倍的單色平面偏振光P'3。
一種實(shí)現(xiàn)上述方法的光程四倍增器件，其特征在于包括偏振分光器件4、旋光器件 5和反射鏡6;偏振分光器件4的置位角度與入射平面偏振光的光路方向呈a角度，旋光 器件5設(shè)置于偏振分光器件4的透射光路中，反射鏡6設(shè)置于偏振分光器件4的反射光路
中；所述的a角度為使入射平面偏振光達(dá)到可以完全透射、使反射的偏振方向與入射 平面偏振光正交的平面偏振光達(dá)到完全反射的角度；調(diào)整旋光器件5使穿過該器件并沿 原路返回再次穿過該偏振器件的偏振光偏振方向沿某一方向旋轉(zhuǎn)90°角。
一種利用光程四倍增器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的裝置，技術(shù)特征在于包括激光器8、光程 四倍增器件和被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14;在激光器與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體之間的光 路中設(shè)置光程四倍增器件，與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體垂直于入射偏振光方向放置；所 述激光器發(fā)出的入射光為一單色平面偏振光。
當(dāng)激光器發(fā)出的入射單色平面偏振光入射到偏振分光器件后，可以完全穿過該偏 振分光器件并到達(dá)旋光器件，之后垂直照射與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體并被反射再次回
6到旋光器件；透過旋光器件后轉(zhuǎn)化為與初始入射平面偏振光偏振方向正交的平面偏振 光，然后再次到達(dá)偏振分光器件并被全部反射后，垂直照射反射鏡并被反射再次回到 偏振分光器件；經(jīng)偏振分光器件全部反射后再次穿過旋光器件，再次經(jīng)與被測(cè)物體聯(lián) 動(dòng)的反射體垂直反射后穿過該旋光器件，轉(zhuǎn)化為與初始入射單色平面偏振光偏振方向 一致的平面偏振光，穿過偏振分光器后件沿入射光方向原路返回。
所述的偏振分光器件為一能夠使入射激光束不同偏振方向的光束透射或者反射的 光學(xué)器件，為偏振分光棱鏡、介質(zhì)膜偏振分光鏡或偏振衍射分光光柵。
所述的旋光器件為一能夠改變偏振光偏振方向的光學(xué)器件，為法拉第旋光器或與 入射平面偏振光波長(zhǎng)相匹配的四分之一波片；采用四分之一波片時(shí)調(diào)整四分之一波片 的光軸方向與入射單色平面偏振光的偏振方向呈45。角并且與其波長(zhǎng)匹配。
所述反射鏡為可以將入射平面偏振光完全反射的反射鏡。
所述與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體為可以將入射平面偏振光完全反射或者部分反射的 反射鏡或反射膜。
本發(fā)明的有益效果是在光學(xué)測(cè)量過程中，由于入射單色平面偏振光兩次經(jīng)過與 被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體反射并最終轉(zhuǎn)化成與入射平面偏振光偏振方向完全一致的出射 平面偏振光，與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體在沿入射光束方向的位置發(fā)生位移^的改變，會(huì) 引起最終的出射光束的光程改變四倍，產(chǎn)生4d的變化(若空間介質(zhì)的折射率為"，則光 程改變?yōu)?""。在測(cè)量玻璃或晶體等透明介質(zhì)的折射率時(shí)，將介質(zhì)置于旋光器件和與 被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體之間，光束四次通過介質(zhì)，有助于提高折射率測(cè)量精度。同時(shí)， 因?yàn)槌錾涔馐c入射光束嚴(yán)格重合，有利于光學(xué)測(cè)量過程中的光路布置，使光路結(jié)構(gòu) 更加緊湊。該方法可以應(yīng)用于微位移測(cè)量、光學(xué)自混合干涉測(cè)量、折射率測(cè)量等光學(xué) 測(cè)量領(lǐng)域以及在不改變空間尺寸的情況下改變激光器光學(xué)諧振腔的腔長(zhǎng)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中光束多次反射的光學(xué)裝置結(jié)構(gòu)示意7圖2是本發(fā)明在光學(xué)測(cè)量中實(shí)現(xiàn)光程四倍增方法的光學(xué)原理示意圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)光程四倍增的器件結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明利用光程四倍增器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明利用光程四倍增器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是本發(fā)明利用光程四倍增器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是本發(fā)明利用光程四倍增器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是本發(fā)明利用光程四倍增器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中，l-反射鏡、2-可動(dòng)反射鏡、3-入射單色平面偏振光、4-偏振分光器件、5-旋 光器件、6-反射鏡、7-出射單色平面偏振光、8-激光器、9-非偏振分光鏡、10-偏振分 光棱鏡、11-四分之一波片、12-全反射腔鏡、13-全反射腔鏡、14-與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反 射體、15-分光鏡、16-分光鏡、17-法拉第旋光器、18-介質(zhì)膜反射鏡、19-分光鏡、20-反射鏡、21-條紋接收裝置、22-光學(xué)薄膜鍍的或粘貼在棱鏡表面的四分之一波片、23-待測(cè)樣品、24-反射鏡、25-介質(zhì)膜偏振分光鏡、26-外腔式激光器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
實(shí)施例l:請(qǐng)參閱圖3，本實(shí)施例包括發(fā)出單色平面偏振光3的激光器8、光程四 倍增器件和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14;在與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14與激光器8 之間的光路中設(shè)置光程四倍增器件；所述的光程四倍增器件包括偏振分光器件4、旋 光器件5和反射鏡6。偏振分光器件4為偏振分光棱鏡，調(diào)整其與激光器光路方向的 置位角度，使入射單色平面偏振光3可以完全透射并使偏振方向與之正交的平面偏振 光完全反射。反射鏡6垂直于偏振分光棱鏡反射后的光束放置，并可以將此光束反射; 旋光器件5為與入射平面偏振光波長(zhǎng)相匹配的四分之一波片，光軸與入射光偏振方向 呈45°角放置。
本實(shí)施例的工作過程為當(dāng)入射的單色平面偏振光3入射到偏振分光棱鏡，完全穿過與入射平面偏振光波長(zhǎng)相匹配的四分之一波片時(shí)，該入射單色平面偏振光成為圓 偏振光。該圓偏振光垂直照射與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14并被反射再次回到四分之一 波片，穿過該四分之一波片后成為與初始入射單色平面偏振光3偏振方向正交的平面
偏振光。之后再次到達(dá)偏振分光器件4并被全部反射，垂直照射反射鏡6并被反射再
次回到偏振分光棱鏡；經(jīng)偏振分光棱鏡完全反射后，再次穿過光軸與其偏振方向呈45。 角放置的四分之一波片并照射與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14。經(jīng)與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射 體14垂直反射再次穿過該四分之一波片后，成為與初始入射單色平面偏振光3偏振方 向一致的平面偏振光。然后穿過偏振分光棱鏡后成為出射單色平面偏振光7，并沿入 射光方向返回。
當(dāng)所述旋光器件5為法拉第旋光器時(shí)，入射單色平面偏振光穿過該法拉第旋光器 后，其偏振方向轉(zhuǎn)過45。角并垂直照射與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14。當(dāng)光束從該與被 測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14反射回來(lái)第二次穿過法拉第旋光器后，偏振方向再一次沿相同 方向轉(zhuǎn)過45。角，成為與初始入射單色平面偏振光3偏振方向正交的平面偏振光，之 后再次到達(dá)偏振分光器件4并被全部反射。垂直照射反射鏡6并被反射再次回到偏振 分光器件4，經(jīng)完全反射后再次穿過法拉第旋光器。進(jìn)而經(jīng)與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體 14垂直反射再次穿過該法拉第旋光器后，成為與初始入射單色平面偏振光3偏振方向 一致的平面偏振光，穿過偏振分光器件4后，作為出射單色平面偏振光7沿入射光方 向返回。
所述偏振分光器件4為偏振分光棱鏡，可以由介質(zhì)膜偏振分光鏡取代，還可以由 偏振分光衍射光柵取代。
本實(shí)施例在光學(xué)測(cè)量過程中，當(dāng)待測(cè)物理量，如壓電陶瓷的電致伸縮、物體的微 小移動(dòng)等，使與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14移動(dòng)位移"時(shí)，因?yàn)樽罱K的出射單色平面偏 振光7經(jīng)與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14反射兩次，其光程改變?yōu)槭桥c被測(cè)物體聯(lián) 動(dòng)的反射體14位移量的四倍(若空間介質(zhì)的折射率為"，則光程改變?yōu)?ntO。因此該實(shí)施方式可以提高測(cè)量精度。
實(shí)施例2:請(qǐng)參閱圖4，本實(shí)施例包括外腔式激光器26、非偏振分光鏡9、光程四 倍增器件和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的全反射腔鏡12;在外腔式激光器26和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng) 的全反射腔鏡12的光路中，依次設(shè)置非偏振分光鏡9和光程四倍增器件，且調(diào)整全反
射腔鏡12垂直于入射偏振光方向放置；所述的光程四倍增器件的偏振分光器件4采用
偏振分光棱鏡10，旋光器件5采用四分之一波片11，反射鏡6采用全反射腔鏡13; 調(diào)整偏振分光棱鏡10的置位角度使入射平面偏振光3完全透射并使偏振方向與之正交 的平面偏振光完全反射；四分之一波片11的光軸方向與入射單色平面偏振光的偏振方 向呈45。角并且與其波長(zhǎng)相匹配。
入射單色平面偏振光3經(jīng)過四分之一波片11后變成圓偏振光，并垂直入射到全反 射腔鏡12。由于外腔式激光器26出射端為布儒斯特窗，經(jīng)過該窗發(fā)出單一波長(zhǎng)的平 面偏振光，其一端的全反射鏡與全反射腔鏡12以及全反射腔鏡13組成激光器的諧振 腔。全反射腔鏡12以及全反射腔鏡13在垂直于入射光束方向上位置的改變影響諧振 腔腔長(zhǎng)，具有提供光學(xué)正反饋以及控制震蕩光束的作用。
本實(shí)施例的工作過程為外腔式激光器26出射端的布儒斯特窗發(fā)出單色平面偏振 光3，該入射單色平面偏振光3經(jīng)過非偏振分光鏡9入射到偏振分光棱鏡10后，完全 穿過該偏振分光棱鏡并到達(dá)光軸與其偏振方向呈45。角放置的四分之一波片11，成為 圓偏振光。該圓偏振光垂直照射全反射腔鏡12并被反射后回到四分之一波片，穿過四 分之一波片后的偏振光成為與初始入射單色平面偏振光3偏振方向正交的平面偏振 光；該平面偏振光再次到達(dá)偏振分光棱鏡10并被全部反射，垂直照射全反射腔鏡13 后被反射再次回到偏振分光棱鏡10;經(jīng)偏振分光棱鏡10全部反射后穿過四分之一波 片11，經(jīng)全反射腔鏡12垂直反射并再次穿過四分之一波片后，成為與初始入射單色 平面偏振光3偏振方向一致的平面偏振光；該平面偏振光穿過偏振分光棱鏡10到達(dá)非 偏振分光鏡9，部分光束透過該非偏振分光鏡9，其余部分作為出射單色平面偏振光7出射。其中，外腔式激光器26 —端的全反射鏡、全反射腔鏡12以及全反射腔鏡13 整體組成激光器的諧振腔。全反射腔鏡12在垂直于入射光束方向上位置可以改變，以 調(diào)整諧振腔腔長(zhǎng)，達(dá)到控制激光器腔內(nèi)的光束損耗以及震蕩模式的作用。
本實(shí)施例在光學(xué)測(cè)量過程中，當(dāng)調(diào)節(jié)使全反射腔鏡12沿垂直于入射光方向移動(dòng)位 移"時(shí)，由外腔式激光器26 —端的全反射鏡、全反射腔鏡12以及全反射腔鏡13所組 成的諧振腔的實(shí)際腔長(zhǎng)改變2d。調(diào)節(jié)全反射腔鏡13的位移移動(dòng)d時(shí)，諧振腔的實(shí)際 腔長(zhǎng)可以改變&因此本實(shí)施例可以使激光器的諧振腔腔長(zhǎng)調(diào)節(jié)方式靈活，精度更加 靈敏，達(dá)到有效控制激光器腔內(nèi)的光束損耗以及震蕩模式的作用。同時(shí)，如果將待測(cè) 的物理量與全反射腔鏡12關(guān)聯(lián)，則待測(cè)的物理量使全反射腔鏡12產(chǎn)生位移A進(jìn)一 步可以使光學(xué)諧振腔的腔長(zhǎng)發(fā)生2d的變化，通過探測(cè)輸出光的特性可以達(dá)到靈敏監(jiān)測(cè) 待測(cè)量的目的。
實(shí)施例3:請(qǐng)參閱圖5，本實(shí)施例是在馬赫曾德干涉光路的基礎(chǔ)上，在馬赫曾德干 涉光路和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14的光路之間設(shè)置光程四倍增器件；所述與被測(cè)物 體聯(lián)動(dòng)的反射體14垂直于入射偏振光方向放置；所述的光程四倍增器件中的偏振分光 器采用偏振分光棱鏡10，旋光器采用法拉第旋光器17，反射鏡采用介質(zhì)膜反射鏡18; 介質(zhì)膜反射鏡18鍍于偏振分光棱鏡10的表面；所述偏振分光棱鏡10的方向?yàn)槟苁谷?射平面偏振光完全透射并使偏振方向與之正交的平面偏振光完全反射；調(diào)整法拉第旋 光器使穿過該器件之后偏振光的偏振方向沿某一方向旋轉(zhuǎn)45。角。
馬赫曾德干涉光路包括激光器8、分光鏡15、分光鏡16、分光鏡19、反射鏡20 和條紋接收裝置21。
所述介質(zhì)膜反射鏡18為一直接鍍于偏振分光棱鏡10 —側(cè)表面的光學(xué)薄膜，其功 能相當(dāng)于一反射鏡，使照射在其上的光束反射。
本實(shí)施例的工作過程為激光器8發(fā)出波長(zhǎng)單一的平面偏振光，被設(shè)置在其光路 中的分光鏡15分為第一，第二光束。第一光束穿過分光鏡16后，作為入射單色平面
11偏振光3經(jīng)過偏振分光棱鏡10后，完全穿過該偏振分光棱鏡并到達(dá)法拉第旋光器17。 穿過法拉第旋光器之后偏振光的偏振方向沿某一方向旋轉(zhuǎn)45。角并垂直照射與被測(cè)物 體聯(lián)動(dòng)的反射體14。當(dāng)光束從與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14反射回來(lái)并第二次穿過法 拉第旋光器后，偏振方向再一次沿相同方向轉(zhuǎn)過45°角，成為與初始入射單色平面偏 振光3偏振方向正交的平面偏振光。該平面偏振光再次到達(dá)偏振分光棱鏡10并被全部 反射，垂直照射到介質(zhì)膜反射鏡18;介質(zhì)膜反射鏡18將偏振光反射再次回到偏振分 光棱鏡10，經(jīng)偏振分光棱鏡10完全反射后穿過法拉第旋光器，到達(dá)與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng) 的反射體14。經(jīng)與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14垂直反射再次穿過法拉第旋光器后，偏 振光的偏振方向再次轉(zhuǎn)過卯°角，成為與初始入射單色平面偏振光3偏振方向一致的 平面偏振光，作為出射單色平面偏振光7沿入射光方向返回。該單色平面偏振光7光 束經(jīng)由分光鏡16反射到達(dá)分光鏡19。第二光束被反射鏡20反射后同樣到達(dá)分光鏡19 并與第一光束發(fā)生干涉，形成的干涉圖樣被條紋接收裝置21讀取或者記錄。當(dāng)待測(cè)物 理量，如物體的微小移動(dòng)，使與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14的位置沿垂直于入射光方向 發(fā)生位移時(shí)，會(huì)導(dǎo)致條紋接收裝置21上形成的干涉條紋發(fā)生移動(dòng)，進(jìn)一步根據(jù)條紋的 移動(dòng)量可以判斷出第一、第二光束的光程差，推算出與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14的位 移量。
本實(shí)施例在光學(xué)測(cè)量過程中，當(dāng)調(diào)節(jié)與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14沿垂直于入射光 方向移動(dòng)位移^時(shí)，最終到達(dá)條紋接收裝置21上的第一、第二光束光程差改變4d。 而現(xiàn)有技術(shù)中的測(cè)量過程是入射單色平面偏振光3直接垂直照射與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的 反射體14，被其全部垂直反射后經(jīng)分光鏡16反射作為出射單色平面偏振光7，之后第 一、第二光束發(fā)生干涉，此時(shí)，調(diào)節(jié)使與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14沿垂直于入射光方 向移動(dòng)位移d時(shí)，最終到達(dá)條紋接收裝置21上的第一、第二光束光程差僅改變2d。 而本實(shí)施例與通常的方法相比，能夠?qū)y(cè)量精度提高一倍，而且操作簡(jiǎn)便，僅僅需要 在馬赫曾德干涉光路的基礎(chǔ)上增加圖5虛線框中所示的光程四倍增裝置即可。
12實(shí)施例4:請(qǐng)參閱圖6，本實(shí)施例同樣是在馬赫曾德干涉光路的基礎(chǔ)上，在馬赫曾德干涉光路與反射鏡24的光路之間設(shè)置光程四倍增器件，反射鏡24垂直于入射偏振光方向放置，與被測(cè)物體不聯(lián)動(dòng)，且固定位于被測(cè)量物體之后方；所述的光程四倍增器件中的偏振分光器件采用偏振分光棱鏡10,旋光器件采用四分之一波片22，反射鏡采用介質(zhì)膜反射鏡18;介質(zhì)膜反射鏡18為一直接鍍于偏振分光棱鏡10 —側(cè)表面的光學(xué)薄膜，其功能相當(dāng)于一反射鏡，使照射在其上的光束反射；所述偏振分光棱鏡10的方向?yàn)槟苁谷肷淦矫嫫窆馔耆干洳⑹蛊穹较蚺c之正交的平面偏振光完全反射；所述的四分之一波片22為一直接鍍于偏振分光棱鏡10 —側(cè)表面的光學(xué)薄膜或者粘貼于偏振分光棱鏡IO—側(cè)表面的波晶片，其功能相當(dāng)于一四分之一波片，調(diào)整四分之一波片22使穿過該器件之后的單色平面偏振光完全轉(zhuǎn)化為圓偏振光。
馬赫曾德干涉光路包括激光器8、分光鏡15、分光鏡16、分光鏡19、反射鏡20和條紋接收裝置21。
上述部件組成與實(shí)施例3基本相同，不同的是法拉第旋光器17由四分之一波片22取代，光軸方向與入射單色平面偏振光的偏振方向呈45。角并且與其波長(zhǎng)匹配。待測(cè)樣品23為一透明狀態(tài)待測(cè)樣品，如玻璃、晶體、溶液、生物組織等，置于測(cè)試光路之中。反射鏡24為固定器件，其位置不動(dòng)，置于待測(cè)樣品23的透射光路之后。
平行光束通過該待測(cè)樣品后，因?yàn)闃悠繁旧淼恼凵渎什痪鶆颍瑫?huì)導(dǎo)致平行光束的波前發(fā)生變化。因此，圖6所示的實(shí)施例4主要應(yīng)用光程四倍增方法與裝置測(cè)量透明待測(cè)樣品的折射率。
本實(shí)施例的工作過程為激光器8發(fā)出波長(zhǎng)單一的平面偏振光，被設(shè)置在其光路中的分光鏡15分為第一，第二光束。第一光束穿過分光鏡16后，作為入射單色平面偏振光3經(jīng)過偏振分光棱鏡10，完全穿過該偏振分光棱鏡并到達(dá)光軸與其偏振方向呈45。角放置的四分之一波片22，成為圓偏振光后經(jīng)過待測(cè)樣品23垂直照射反射鏡24;反射回來(lái)的圓偏振光再次經(jīng)過待測(cè)樣品23,之后穿過四分之一波片22后，成為與初始入射單色平面偏振光3偏振方向正交的平面偏振光；該平面偏振光再次到達(dá)偏振分光棱鏡10并被全部反射，并垂直照射到反射鏡18;反射鏡18將其反射再次回到偏振分光棱鏡10，經(jīng)偏振分光棱鏡10全部反射后穿過光軸與其偏振方向呈45。角放置的四分之一波片22，第三次穿過待測(cè)樣品23并再次經(jīng)反射鏡24垂直反射；垂直反射的偏振光第四次穿過四分之一波片22，透射偏振光的偏振方向再次轉(zhuǎn)過90。角，成為與初始入射單色平面偏振光3偏振方向一致的平面偏振光，作為出射單色平面偏振光7沿入射光方向返回，該出射單色平面偏振光7光束經(jīng)由分光鏡16反射到達(dá)分光鏡19。第二光束被反射鏡20反射后同樣到達(dá)分光鏡19并與第一光束發(fā)生干涉，形成的干涉圖樣被條紋接收裝置21讀取或者記錄。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)字全息干涉等方法即可以計(jì)算獲得待測(cè)樣品23的折射率分布。
本實(shí)施例在光學(xué)測(cè)量過程中，主要應(yīng)用于透明狀態(tài)待測(cè)樣品，如玻璃、晶體，溶液，生物組織等，平行光束通過該待測(cè)樣品后，因?yàn)闃悠繁旧淼恼凵渎什痪鶆?，?huì)導(dǎo)致平行光束的波前發(fā)生變化。此實(shí)施方式中，光束前后四次通過樣品，因此，最終到達(dá)條紋接收裝置21時(shí)，出射單色平面偏振光7的波前變化是其一次通過待測(cè)樣品23時(shí)的四倍，能夠?qū)y(cè)量精度提高四倍。
實(shí)施例5:請(qǐng)參閱圖7，本實(shí)施例包括激光器8、分光鏡15、光程四倍增器件、反射鏡20、條紋接收裝置21和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14。在激光器8和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14的光路中，依次設(shè)置分光鏡15和光程四倍增器件，反射鏡20于分光鏡15分過來(lái)的光路垂直設(shè)置，條紋接收裝置21于反射鏡20反射過來(lái)的光路垂直設(shè)置，與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14垂直于入射偏振光方向放置；所述的光程四倍增器件中的偏振分光器采用介質(zhì)膜偏振分光鏡25，旋光器采用法拉第旋光器17;調(diào)整介質(zhì)膜偏振分光鏡25使入射平面偏振光完全透射并使偏振方向與之正交的平面偏振光完全反射；調(diào)整法拉第旋光器使穿過該器件之后偏振光的偏振方向沿某一方向旋轉(zhuǎn)45°角。
本實(shí)施例的工作過程為激光器8發(fā)出波長(zhǎng)單一的平面偏振光，經(jīng)過分光鏡15
14將激光器8發(fā)出的光束分為第一、第二光束。第一光束作為入射單色平面偏振光3，完全穿過介質(zhì)膜偏振分光鏡25并到達(dá)法拉第旋光器17。法拉第旋光器使平面偏振光穿過該器件之后，在其偏振方向沿某一方向旋轉(zhuǎn)45。角并垂直照射與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14。當(dāng)光束從可動(dòng)反射鏡2反射回來(lái)第二次穿過法拉第旋光器后，偏振方向再一次沿相同方向轉(zhuǎn)過45。角，成為與初始入射單色平面偏振光3偏振方向正交的平面偏振光。之后平面偏振光再次到達(dá)介質(zhì)膜偏振分光鏡25并被全部反射，垂直照射反射鏡6并被反射再次回到介質(zhì)膜偏振分光鏡25;經(jīng)介質(zhì)膜偏振分光鏡25完全反射后穿過法拉第旋光器到達(dá)可動(dòng)反射鏡2;經(jīng)可動(dòng)反射鏡2垂直反射后再次穿過該法拉第旋光器，偏振光的偏振方向再次轉(zhuǎn)過90°角，成為與初始入射單色平面偏振光3偏振方向一致的平面偏振光；該平面偏振光穿過介質(zhì)膜偏振分光鏡25后作為出射單色平面偏振光7并沿入射光方向返回第一分光鏡15。第二光束被反射鏡20反射后同樣到達(dá)第一分光鏡15。第一、第二光束經(jīng)過分光鏡15后發(fā)生干涉，形成的干涉圖樣被條紋接收裝置21讀取或者記錄。當(dāng)待測(cè)物理量，如物體的微量移動(dòng)，使與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14的位置沿垂直于入射光方向發(fā)生位移時(shí)，會(huì)導(dǎo)致條紋接收裝置21上形成的干涉條紋發(fā)生移動(dòng)，進(jìn)一步根據(jù)條紋的移動(dòng)量可以判斷出所述第一、第二光束的光程差，推算出與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14的位移量。
本實(shí)施例在光學(xué)測(cè)量過程中，與通常方法相比，能夠?qū)y(cè)量精度提高一倍，而且操作簡(jiǎn)便，與圖4所示實(shí)施方式具有同樣的效果。
實(shí)施例6:請(qǐng)參閱圖8，本實(shí)施例包括外腔式激光器26、光程四倍增器件和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14;在外腔式激光器26和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14的光路中設(shè)置光程四倍增器件，與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14垂直于入射偏振光方向放置；所述的光程四倍增器件中的偏振分光器件采用偏振分光棱鏡10，旋光器件采用光學(xué)薄膜鍍的或粘貼于棱鏡表面的四分之一波片22，反射鏡采用介質(zhì)膜反射鏡18;調(diào)整偏振分光棱鏡10使入射平面偏振光完全透射并使偏振方向與之正交的平面偏振光完全反射；調(diào)
15整四分之一波片22使光軸與入射平面偏振光的偏振方向呈45。角放置，穿過該器件之
后的平面偏振光完全轉(zhuǎn)化為圓偏振光。
本實(shí)施例的工作過程為外腔式激光器26發(fā)出波長(zhǎng)單一的入射單色平面偏振光3，完全穿過該偏振分光棱鏡10并到達(dá)光軸與其偏振方向呈45。角放置的四分之一波片22，成為圓偏振光后垂直照射與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14;被與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14反射回到四分之一波片22，透過該四分之一波片后，成為與初始入射單色平面偏振光3偏振方向正交的平面偏振光；該平面偏振光再次到達(dá)偏振分光棱鏡10并被全
部反射后，垂直照射介質(zhì)膜反射鏡18并被反射再次回到偏振分光棱鏡10;經(jīng)偏振分
光棱鏡10全部反射后穿過四分之一波片22，經(jīng)與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14垂直反射再次穿過四分之一波片后，成為與初始入射單色平面偏振光3偏振方向一致的平面偏振光；該平面偏振光穿過偏振分光棱鏡10后返回外腔式激光器26，調(diào)制外腔式激光器26內(nèi)的光束，形成光學(xué)自混合干涉。光學(xué)自混合干涉的輸出信號(hào)即出射單色平面偏振光7由外腔式激光器26的另外一端輸出。
本實(shí)施例在光學(xué)測(cè)量過程中，當(dāng)待測(cè)的物理量，如壓電陶瓷的電致伸縮、物體的微小位移等，使與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14移動(dòng)位移J時(shí)，由與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14、介質(zhì)膜反射鏡18與外腔式激光器26所構(gòu)成的激光器諧振腔的實(shí)際腔長(zhǎng)改變2d。因此與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14每移動(dòng)四分之一波長(zhǎng)，光學(xué)自混合干涉的輸出信號(hào)，即出射單色平面偏振光7產(chǎn)生一個(gè)條紋跳動(dòng)?，F(xiàn)有技術(shù)中的普通光學(xué)自混合裝置，與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體14每移動(dòng)二分之一波長(zhǎng)，光學(xué)自混合干涉的輸出信號(hào)即所述出射單色平面偏振光7產(chǎn)生一個(gè)條紋跳動(dòng)?？梢?，本實(shí)施例可以將測(cè)量精度提高一倍。
權(quán)利要求
1. 一種在光學(xué)測(cè)量中實(shí)現(xiàn)光程四倍增的方法，其特征在于步驟如下步驟1將入射的單色平面偏振光P1垂直照射目標(biāo)位C并由目標(biāo)位C折返后，在目標(biāo)位C光路前端的A點(diǎn)改變偏振方向90度角，得到與入射的單色平面偏振光P1偏振方向正交的單色平面偏振光P2；步驟2將單色平面偏振光P2再次折返垂直照射目標(biāo)位C并再次由目標(biāo)位C折返，在目標(biāo)位C光路前端的A點(diǎn)相對(duì)于入射的單色平面偏振光P2改變偏振方向90度角，得到與單色平面偏振光P2偏振方向正交的單色平面偏振光P3；所述的單色平面偏振光P3與入射單色平面偏振光P1的偏振方向一致，并折返至單色平面偏振光P1的入射端位置；步驟3改變目標(biāo)位C位置，使其在平行于入射單色平面偏振光P1的方向產(chǎn)生前后位移△；步驟4重復(fù)步驟1和步驟2，在單色平面偏振光P1的入射端位置，得到與單色平面偏振光P3相比光程差發(fā)生改變?yōu)槟繕?biāo)位C位移量△四倍的單色平面偏振光P′3。
2. —種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法.的光程四倍增器件，其特征在于包括偏振分光器件(4)、旋光器件(5)和反射鏡(6);偏振分光器件(4)的置位角度與入射平面 偏振光的光路方向呈"角度，旋光器件(5)設(shè)置于偏振分光器件(4)的透射光路 中，反射鏡(6)設(shè)置于偏振分光器件(4)的反射光路中；所述的"角度為使入射 平面偏振光達(dá)到可以完全透射、使反射的偏振方向與入射平面偏振光正交的平面 偏振光達(dá)到完全反射的角度；調(diào)整旋光器件(5)使穿過該器件并沿原路返回再次 穿過該偏振器件的偏振光偏振方向沿某一方向旋轉(zhuǎn)90。角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光程四倍增器件，其特征在于所述的偏振分光器件(4)為能夠使入射激光束不同偏振方向的光束透射或者反射的光學(xué)器件，或偏振分光 棱鏡，或介質(zhì)膜偏振分光鏡，或偏振衍射分光光柵。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光程四倍增器件，其特征在于所述的旋光器件(5)為法 拉第旋光器或者四分之一波片；采用四分之一波片時(shí)調(diào)整四分之一波片的光軸方 向與入射單色平面偏振光的偏振方向呈45°角并且與其波長(zhǎng)匹配。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光程四倍增器件，其特征在于所述反射鏡(6)為將入射 平面偏振光完全反射的反射鏡、介質(zhì)膜反射鏡或全反射腔鏡。
6. —種利用權(quán)利要求2~5中所述的任一光程四倍增器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的裝置，其特 征在于包括激光器(8)、光程四倍增器件和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體(14);在激 光器與反射體(14)之間的光路中設(shè)置光程四倍增器件，反射體(14)垂直于入 射偏振光方向放置；所述激光器(8)發(fā)出的入射光為一單色平面偏振光；
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體(14) 為將入射平面偏振光完全反射或者部分反射的反射鏡、介質(zhì)膜反射鏡或全反射腔 鏡o
8. —種利用權(quán)利要求2 5中所述的任一光程四倍增器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的裝置，其特 征在于包括外腔式激光器(26)、非偏振分光鏡(9)、光程四倍增器件和與被測(cè)物 體關(guān)聯(lián)的全反射腔鏡(12);在外腔式激光器(26)和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的全反射腔 鏡(12)的光路中，依次設(shè)置非偏振分光鏡(9)和光程四倍增器件，全反射腔鏡(12)垂直于入射偏振光方向放置。
9. 一種利用權(quán)利要求2~5中所述的任一光程四倍增器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的裝置，其特 征在于在馬赫曾德干涉光路和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體(14)的光路之間設(shè)置 光程四倍增器件；所述反射體(14)垂直于入射偏振光方向放置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述反射鏡(24)垂直于入射偏振光 方向放置，與被測(cè)物體不聯(lián)動(dòng)，且固定位于被測(cè)量物體之后方。
11. 一種利用權(quán)利要求2~5中所述的任一光程四倍增器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的裝置，其特 征在于包括激光器(8)、分光鏡(15)、光程四倍增器件、反射鏡(20)、條紋 接收裝置(21)和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體(14)。在激光器(8)和反射體(14) 的光路中，依次設(shè)置分光鏡(15)和光程四倍增器件，反射鏡(20)于分光鏡(15) 分過來(lái)的光路垂直設(shè)置，條紋接收裝置(21)于反射鏡(20)反射過來(lái)的光路垂 直設(shè)置，反射體(14)垂直于入射偏振光方向放置。
12. —種利用權(quán)利要求2~5中所述的任一光程四倍增器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的裝置，其特 征在于包括外腔式激光器(26)、光程四倍增器件和與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體(14);在外腔式激光器(26)和反射體(14)的光路中設(shè)置光程四倍增器件，反 射體(14)垂直于入射偏振光方向放置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在光學(xué)測(cè)量中實(shí)現(xiàn)光程四倍增的方法及其裝置，技術(shù)特征在于將入射的單色平面偏振光垂直照射目標(biāo)位并由目標(biāo)位，得到與單色平面偏振光相比光程差發(fā)生改變?yōu)槟繕?biāo)位位移量△四倍的單色平面偏振光。實(shí)現(xiàn)上述方法的光程四倍增器件，包括偏振分光器件、旋光器件和反射鏡。利用光程四倍增器件實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量的裝置，在激光器與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體之間的光路中設(shè)置光程四倍增器件，與被測(cè)物體聯(lián)動(dòng)的反射體垂直于入射偏振光方向放置。有益效果是因?yàn)槌錾涔馐c入射光束嚴(yán)格重合，使光路結(jié)構(gòu)更加緊湊。該方法應(yīng)用于微位移測(cè)量、光學(xué)自混合干涉測(cè)量、折射率測(cè)量等光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域以及在不改變空間尺寸的情況下改變激光器光學(xué)諧振腔的腔長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101498589SQ200910021229
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2009年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月23日
發(fā)明者楠 底, 趙建林, 邸江磊 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)