本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種干涉裝置及匹配方法，特別是一種光路自耦合方法及偏振干涉裝置及偏振干涉匹配方法

背景技術(shù)：

經(jīng)典邁克爾遜干涉儀已廣泛應(yīng)用于傅里葉變換光譜儀領(lǐng)域。由于采用了雙支路干涉結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致邁克爾遜干涉儀對外界振動極為敏感。特別是在近紅外波段由于波長更短，對動反射鏡傾斜更為敏感。為此，各種針對經(jīng)典邁克爾遜干涉儀的改進形式陸續(xù)提出，雖然不同程度地提高了干涉儀的穩(wěn)定性，但本質(zhì)上沒有改變雙支路干涉的基本格局。針對雙支路干涉的缺點，共光路偏振干涉儀被陸續(xù)提出，該類型干涉儀基于偏振干涉原理采用機械補償式相位補償器，以格蘭-湯普遜棱鏡為起偏和檢偏元件，參與干涉的光束共光路，具有優(yōu)良的抗干擾能力，在光譜分析中具有廣闊的應(yīng)用前景。對于傅里葉變換光譜應(yīng)用，寬光譜主信號光的干涉曲線采集必須滿足等光程差原理，為此必須借助He-Ne激光穩(wěn)定、可靠的干涉曲線作為基準(zhǔn)進行輔助采集。

主信號光路與參考光的耦合采用分光鏡來實現(xiàn)，例如CN203758617U所公開的“一種近紅外偏振干涉儀”將冷光鏡用在光譜儀光路中實現(xiàn)了He-Ne激光與近紅外光的合束與分束。該方法的問題首先在于冷光鏡的后表面對入射光存在二次反射，容易產(chǎn)生雜散光，降低系統(tǒng)信噪比；其次，增加了兩片分光鏡及其調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的使用，提高了研制成本；最后，光束經(jīng)冷光鏡透射后會引起橫向偏離，從而引入裝配誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種無需分光鏡而實現(xiàn)光路自耦合的方法。同時，為了提高干涉條紋調(diào)制度，提出一種起偏器和檢偏器的同步匹配方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種光路自耦合方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1】首先，以離軸拋物面鏡的圓柱對稱中心為系統(tǒng)光軸；所述離軸拋物面鏡在光軸上開有貫穿孔且孔徑不大于He-Ne激光光束；

2】其次，在離軸拋物面鏡的焦平面上設(shè)置寬光譜點光源；

3】最后，He-Ne激光器的激光光束中心與離軸拋物面反射鏡中心孔中心重合。

一種光路自耦合的偏振干涉裝置，其特殊之處在于：建立直角坐標(biāo)系，垂直紙面為Y軸，平行于紙面為X軸，光的傳播方向為Z軸；該裝置包括沿光的傳播方向依次設(shè)置有He‐Ne激光器、第一離軸拋物面鏡、起偏器、補償晶體、固定晶體光楔、掃描晶體光楔、檢偏器、第二離軸拋物面鏡、濾光片和探測器；上述離軸拋物面鏡的焦平面上還設(shè)置寬光譜點光源；

上述寬光譜光源為近紅外或者紅外光源；

上述探測器為單點探測器；

上述濾光片為窄帶或帶通濾光片；

上述第一離軸拋物面鏡與第二離軸拋物面鏡相對于固定晶體光楔對稱放置；

上述離軸拋物面鏡表面鍍有反射膜且對稱中心位置設(shè)置有通孔，一部分光源沿通孔穿過離軸拋物面鏡；另一部分光源被鍍有反射膜反射的離軸拋物面鏡反射并被準(zhǔn)直；

上述補償晶體與固定晶體光楔的晶體光軸垂直，并通過環(huán)氧樹脂膠粘合；

上述起偏器和檢偏器的透光軸垂直，且起偏器與X軸成45°；

上述起偏器和檢偏器垂直后，以相同角度量同步調(diào)節(jié)起偏器與檢偏器；

上述起偏器和檢偏器為格蘭-湯姆遜棱鏡或李譜奇棱鏡或格蘭付科棱鏡。

上述濾；片為632.8nm窄帶濾光片或近紅外帶通濾光片或紅外帶通濾光片；

上述探測器為硅探測器或近紅外探測器或紅外探測器；

上述補償晶體光軸與X軸平行；

上述固定晶體光楔的光軸與補償晶體垂直。

基于權(quán)利要求2所述的一種光路自耦合的偏振干涉裝置的匹配方法，其特征在于：包括以下步驟：

1】采用單色光調(diào)節(jié)起偏器和檢偏器,使起偏器和檢偏器的透光軸保持垂直；

2】將起偏器和檢偏器放置在具有刻度的調(diào)節(jié)鏡架上，每當(dāng)起偏器旋轉(zhuǎn)1°角度時記下旋轉(zhuǎn)量；

3】按相同的角度量和方向旋轉(zhuǎn)檢偏器，直到起偏器透光軸起偏器與X軸成45°。

本發(fā)明的優(yōu)點是：本發(fā)明利用離軸拋物面鏡的中心開孔實現(xiàn)光路自耦合。光路的合成和分束無需分光鏡，避免了分光鏡的二次反射，減少了雜光，提高了系統(tǒng)的信噪比；簡化了光路結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)裝調(diào)的難度，降低了系統(tǒng)的成本；光束不會產(chǎn)生橫向偏移。此外，基于理論分析，提出起偏器和檢偏器光軸的同步匹配方法，提高了光通量和干涉信號的調(diào)制度。

附圖說明

圖1為光路自耦合的偏振干涉裝置光路圖；

圖2為偏振器件坐標(biāo)關(guān)系圖；

圖3為起(檢)偏器角度失調(diào)對調(diào)制度影響。

其中：1-He-Ne激光器，2-離軸拋物面鏡，3-寬光譜點光源，4-起偏器(P1)，5-補償晶體，6-固定晶體光楔，7-掃描晶體光楔，8-檢偏器(P2)，9-離軸拋物面反射鏡，10-帶通濾光片，11-寬光譜探測器，12-窄帶濾光片，13-單色光電探測器。

具體實施方式

下面我們結(jié)合圖1至圖3對本發(fā)明進行詳細(xì)說明；

一種光路自耦合偏振干涉儀，沿光路方向依次:He-Ne激光器1和寬光譜點光源3，離軸拋物面鏡2，起偏器4，補償晶體5，固定晶體光楔6，掃描晶體光楔7，檢偏器8，離軸拋物面鏡9，帶通濾光片10，寬光譜探測器11，窄帶濾光片12，單色光探測器13。

附圖1對直角坐標(biāo)系進行了定義。垂直紙面為Y軸，平行于紙面為X軸，光的傳播方向為Z軸。令補償晶體5光軸與X軸平行，固定晶體光楔6，掃描晶體光楔7。如圖2，起偏器和X軸之間的夾角為α，檢偏器和X軸的夾軸為β。

離軸拋物面鏡2是實現(xiàn)光路自耦合的關(guān)鍵所在，其特征是離軸拋物面鏡的圓柱對稱中心為系統(tǒng)光軸，在其光軸上開有貫穿孔，孔徑不大于He-Ne激光光束。

主信號為寬光譜點光源3，可由星點孔或光纖耦合光源實現(xiàn)。點光源光束從點發(fā)出后將以錐形向外擴散，其位置位于離軸拋物面鏡2的焦平面上，入射后將以平行光出射，出射光軸與離軸拋物面鏡2光軸重合。

He-Ne激光器的激光光束中心與離軸拋物面反射鏡中心孔中心重合，由此實現(xiàn)了He-Ne激光與主信號光的合成。合成光束沿同一光路向前傳播，經(jīng)起偏器4轉(zhuǎn)換為線偏振光，偏振方向與起偏器光軸一致。起偏器4的光軸與X軸夾角為α。

補償晶體5將線偏振光分解成兩束振動方向相互垂直且具有一定相位差的o光和e光。固定晶體光楔6的光軸與補償晶體5垂直，且用光敏膠膠合為一體，經(jīng)補償晶體5后產(chǎn)生的o光和e光經(jīng)固定晶體光楔6后分別變?yōu)閑光和o光。掃描晶體光楔7的光軸、材料和光楔角與固定晶體光楔6一致，斜邊與固定晶體光楔6的斜邊平行。工作時，掃描晶體光楔7可借助電控位移平臺沒其斜邊做一維運動，從而改變固定晶體光楔和6掃描晶體光楔7沿光軸方向的總厚度，從而連續(xù)改變o光與e光光程差。

主信號干涉光由離軸拋物面鏡9會聚，之后通過帶通濾光片10，該濾光片為平面玻璃，可讓主信號光透過He-Ne激光隔離，最終由寬光譜探測器11接收并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，得到明暗起伏的干涉曲線。離軸拋物面鏡9與離軸拋物面鏡2規(guī)格一致且對稱放置，He-Ne干涉光透過離軸拋物面鏡9的中心孔，由窄帶濾光片12隔離雜光影響，最后由硅光電探測器13檢測，隨著掃描晶體光楔7的掃描，按時間序列得到是一正正弦波形，每到零點時則觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡采集寬光譜探測器11上所產(chǎn)生的電信號，并將掃描過程中的時間波形傳輸?shù)接嬎阒?，由計算機對波形進行傅里葉變換，從而得到光譜圖樣。

檢偏器8與起偏器4規(guī)格相同，光軸方向X軸夾角為β。經(jīng)過相位差補償后的o光和e光，只有與起偏器4光軸一致的分量才能透過，之后兩分量滿足干涉條件可以產(chǎn)生干涉。

干涉圖的調(diào)制度是影響光譜失真程度的重要參數(shù)，其定義為

$M=\left|\frac{I_{max}-I_{min}}{I_{\max }+I_{\min }}\right|$

I_max為干涉光的最大光強度，I_min為干涉光的最小光強度時，M＝0，此時無法得到干涉信號；

M有極大值M＝1，此時可得到完全無失真的干涉圖。根據(jù)上式，隨著光程差的變化，干涉信號的光強度也隨之產(chǎn)生明暗變化，其最大值和最小值分別為

I_max＝a²cos²(α-β)

I_min＝a²cos²(α-β)-a²sin2αsin2β

根據(jù)調(diào)制度的定義得到

$M=\left|\frac{sin2\mathrm{\α}sin2\mathrm{\β}}{2{\cos }^2(\mathrm{\α}-\mathrm{\β})-sin2\mathrm{\α}sin2\mathrm{\β}}\right|$

由此可知，調(diào)制度主要與起偏器和檢偏器的相對擺放角度有關(guān)。令α＝45°、β＝135°，即起偏器和檢偏器垂直，代入到上式后得到M＝1。根據(jù)計算可知，當(dāng)起偏器4和檢偏器8垂直時可獲得最大的調(diào)制度，更有利于光譜信號的復(fù)原。事實上，在裝調(diào)過程中無法完全將起偏器4和檢偏器8的透光軸調(diào)整到理論位置，因此調(diào)制度也無法達到理論值。假設(shè)α＝45°、β＝135°時，實際角度誤差分別為Δα₂和Δβ₂，則實際角度

α₂'＝45°+Δα₂

β₂'＝135°+Δβ₂

包含裝調(diào)誤差后的調(diào)制度

${M_1}^{\′}=\left|\frac{sin2{{\mathrm{\α}}_2}^{\′}sin2{{\mathrm{\β}}_2}^{\′}}{2{\cos }^2({{\mathrm{\α}}_2}^{\′}-{{\mathrm{\β}}_2}^{\′})-sin2{{\mathrm{\α}}_2}^{\′}sin2{{\mathrm{\β}}_2}^{\′}}\right|$

將實際角度代入得到

假設(shè)Δα₂＝Δβ₂，即起偏器和檢偏器沿同方向旋轉(zhuǎn)了一定的角度,此時解得M₂'＝1；假設(shè)Δα≠Δβ，令Δα＝3°，Δβ＝6°，經(jīng)計算得到M₂'＝0.994。進一步假設(shè)Δα和Δβ的變化范圍分別為0～10°，繪制了角度失調(diào)對調(diào)制度的影響曲面，如圖3。從圖中可知，若Δα、Δβ變化一致，對調(diào)制度不僅沒有影響，而且始終為1。當(dāng)變化不一致時，調(diào)制度最低將降至0.94左右。

綜上所述，取α＝45°、β＝135°，即起偏器和檢偏器垂直擺放時具有最大的調(diào)制度，同時對角度失調(diào)具有很強的容限能力。特別地，當(dāng)起偏器和檢偏器的失調(diào)量相同時，不僅不會降低調(diào)制度，而且始終保持最大值。利用這一點，可以用于確保干涉條紋的調(diào)制度達到最大值。其方法如下：

首先，采用單色光的消光效應(yīng)來調(diào)節(jié)起偏器4和檢偏器8垂直；其次，起偏器4和檢偏器8放置在具有刻度的調(diào)節(jié)鏡架上，當(dāng)起偏器4旋轉(zhuǎn)一定角度時記下旋轉(zhuǎn)量，此時按相同的角度量和方向旋轉(zhuǎn)檢偏器，直到起偏器透光軸起偏器與X軸成45°，此時可以實現(xiàn)干涉條紋調(diào)度度的最大化。