【正文】 .............................................. 26 1 引 言 偏振移相是目前干涉儀一種很有效的移相手段。 研究一種具有 諸多優(yōu)點 偏振移相器及相應的標定方法很有必要 ，比如結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強等 。 本文 通過用 45度放置的1/4波片將 一束正交偏振光通過分光器分成兩束光，從而進行干涉。課題利用光學干涉測試技術(shù)，通過對光學系統(tǒng)的設(shè)計，產(chǎn)生多幀移相干涉圖。通過干涉條紋處理算法計算相移量，從而標定出移相器相移量與偏振片旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系。 該光路系統(tǒng)實現(xiàn)了偏振移相器相振移相器移特性標定，能過準確計算出通過旋轉(zhuǎn)偏振片時干涉條紋的平移量。 課題中 應用光的偏振、干涉、移相的相關(guān)知識，設(shè)計出一套完整的光路系統(tǒng)，通過 對實驗進行仿真。 利用光學干涉測試技術(shù)，通過對光學系統(tǒng)的設(shè)計，產(chǎn)生多幀移相干涉圖。通過干涉條紋處理算法計算相移量，從而標定出移相器相移量與偏振片 旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系。再運用傅里葉變換的方法對所設(shè)計的移相器進行標定， 從而能夠?qū)σ葡嗥飨辔灰七M行精確標定 ，以實現(xiàn)課題的研究目的。 2 第一章 偏振移相器相移特性標定裝置 綜述 偏振移相器 相關(guān)研究 移相器是 能夠?qū)?波 的 相位 進行調(diào)整的一種裝置。 偏振移相器利用光的偏振以及光的干涉原理，通過改變兩束偏振光的相位差，從而達到干涉光移相的目的。 目前 業(yè)內(nèi)對相關(guān)領(lǐng)域的研究有 幾種 。 Fizeau 型偏振移相干涉儀的實驗研究 通過在 Fizeau 干涉儀干涉腔中插入一個 1/4 波片，測試光兩次通過 1/4 波片，左旋偏振光變成右旋偏振光，然后通過旋轉(zhuǎn)偏振元件實現(xiàn)了 Fizeau 干涉儀的偏振移相，該方法需要在干涉腔中插入一塊和參考鏡大小相當?shù)?1/4 波片，制造大口徑的 1/4 波片比較困難，而且需要消除波片本身精度對測試結(jié)果的影響。渥 拉斯棱鏡分光傾斜參考鏡法 [3,4]需要讓參考鏡傾斜一定的角度，破壞了 Fizeau干涉儀的共光路特性。以多縱模半導體激光器作為光源，利用光源的相干性輔以一套偏振延遲系統(tǒng)，分出一對正交的參考光和測試光，通過巴比列 索列爾補償器實現(xiàn)偏振移相，保持了 Fizeau 干涉儀的共光路特性。 光偏振儀 在塞納蒙補償器系統(tǒng)中 , 通過改變檢偏器方位角對輸出光強進行移相 , 然后測量輸出光強并作傅立葉分析 , 就可精確獲得被測件的相位延遲量。 圖 11所示為移相式激光偏振儀的原理圖 , 從激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng) ? /4 波片和被測件后 , 通過由又 ? /4波片和旋轉(zhuǎn)檢偏器組成的塞納蒙補償器 , 到達硅光電池。硅光電池輸出的電信號由前置電路濾波放大后送入數(shù)字電壓表進行顯示。根據(jù)數(shù)字電壓表的顯示值 , 可求得被測件的相位延遲量Φ。 3 圖 11 移相式激光偏振儀的原理圖 偏振移相器相移特性標定裝置 及標定方法的 研究意義 基于目前的相關(guān)領(lǐng)域的各種研究方法， 一般會有操作繁瑣或是精度不高的缺點，還會有的光學系統(tǒng)復雜不易理解等原因，針對不同方法的優(yōu)缺點， 設(shè)計一個具有簡單的光學系統(tǒng)， 而且 操作簡單且精度較高的偏振移相光學系統(tǒng)很有必要。 本課題中使用的偏振移相器由 ? /4波片與偏振片組成，用于正交偏振雙光束干涉結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生相位調(diào)制，即通過旋轉(zhuǎn)偏振片產(chǎn)生所 需相移量。 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，而且造作簡單容易操作。而且移相原理簡單更容易理解，移相器僅涉及到偏振片的轉(zhuǎn)動，精度較高。 課題利用光學干涉測試技術(shù)，通過對光學系統(tǒng)的設(shè)計，產(chǎn)生多幀移相干涉圖。通過干涉條紋處理算法計算相移量，從而標定出移相器相移量與偏振片旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系。 再運用傅里葉變換的方法對所設(shè)計的移相器進行標定， 實驗說明本方法的標定精度高 ,克服了傳統(tǒng)用目測標定帶來的誤差 ,是一 種 較優(yōu)良的移相標定方法 。 4 第二章 偏振移相器相移特性標定裝置 設(shè)計 原理 本文通過對設(shè)計目的的分析和相關(guān)材料的 查閱，了解偏振 光，光的干涉，移相等相關(guān)知識，設(shè)計出一個完整的光學 系統(tǒng)，從而能達到設(shè)計目的。 偏振移相器相移特性標定 裝置涉及的主要理論 光干涉簡介 干涉現(xiàn)象是波動獨有的特征，如果光真的是一種波，就必然會觀察到光的干涉現(xiàn)象． 1801年， 英國 物理學家 托馬斯 楊 (1773— 1829)在實驗室里成功地觀察到了光的干涉．兩列或幾列 光波 在空間相遇時相互疊加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象。若干個 光波 （成員波）相遇時產(chǎn)生的光強分布不等于由各個成員波單獨造成的 光強分布之和，而出現(xiàn)明暗相間的現(xiàn)象。 光干涉現(xiàn)象產(chǎn)生的條件是只有 兩列 光波 的 頻率 相同， 相位差 恒定， 振動 方向一致的相干 光源 ，才能產(chǎn)生光的干涉 。 由一般 光源 獲得一組相干光波的辦法是，借助于一定的光學裝置（干涉裝置）將一個光源發(fā)出的光 波（源波）分為若干個波。由于這些波來自同一源波，所以，當源波的初位相改變時，各成員波的初位相都隨之作相同的改變，從而它們之間的位相差保持不變。同時，各成員波的偏振方向亦與源波一致，因而在考察點它們的偏振方向也大體相同。一般的干涉裝置又可使各成員波的 振幅 不太懸殊。于是，當 光源 發(fā)出單一 頻率 的光時，上述四個條件皆能滿足，從而出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。當 光源 發(fā)出許多 頻率 成分時，每一 單頻成分（對應于一定的顏色）會產(chǎn)生相應的一組條紋，這些條紋交疊起來就呈現(xiàn)彩色條紋。 偏振光 振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做 偏振 ，它是橫波區(qū)別于其他縱波的一個最明顯的標志，只有橫波才有偏振現(xiàn)象。光波是電磁波，因此，光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向。光波中的電振動矢量 E和磁振動矢量 H都與傳播速度 v垂直，因此光波是橫波，它具有偏振性 ， 具有偏振性的光則稱為 偏振光 。 偏振光是指光矢量的振動方向不變，或具有某種規(guī)則地變化的光波。按照其性質(zhì) ,偏振光又可分為平面偏振光（線 偏振光 ）、圓偏振光和 橢圓偏振光 、部分偏振光幾種。 5 如果光波電矢量的振動方向只局限在一確定的平面內(nèi)，則這種偏振光稱為平面偏振光，若軌跡在傳播過程中為一直線，故又稱線 偏振光 。如果光波電矢量隨時間作有規(guī)則地改變，即電矢量末端軌跡在垂直于傳播方向的平面上呈圓形或橢圓形 ,則稱為 圓偏振光 或橢圓偏振光。如果光波電矢量的振動在傳播過程中只是在某一確定的方向上占有相對優(yōu)勢，這種偏振光就稱為部分偏振光。 完全偏振光 可分為以下幾種偏振光： （ a）線偏振光 光矢量端點的軌跡為直線，即光矢量只沿著一個確定的方向振動，其大小、方向不變，稱為線偏振光。 （ b）橢圓偏振光 光矢量端點的軌跡為一 橢圓 ，即光矢量不斷旋轉(zhuǎn)，其大小、方向隨時間有規(guī)律的變化。 （ c）圓偏振光 光矢量端點的軌跡為一圓，即光矢量不斷旋轉(zhuǎn)，其大小不變，但方向隨時間有規(guī)律地變化。 部分偏振光 是 在垂直于光傳播方向的平面上，含有各種振動方向的光矢量，但光振動在某一方向更顯著，不難看出，部分偏振光是自然光和完全偏振光的疊加。 偏振光干涉 對于偏振光的干涉，可以分為 “ 廣義 ” 和 “ 狹義 ” 兩種。從廣義上說，是偏振光通過一塊均勻或者不均勻的晶體平板后，出射光形成一種新的偏振態(tài)分布的過程，這種出射光場成為廣義偏振光干涉場。從狹義上說，是廣義上產(chǎn)生的出射光場再經(jīng)過一檢偏器后所形成的出射光場，即狹義偏振光干涉場 。 對于不同意義上的偏振光干涉各有優(yōu)缺點。較 “ 狹義的 ” 偏振光干涉而言， “ 廣義的 ” 偏振光干涉測試精度較高技術(shù)更為先進，但是其檢測的過程則顯得比較復雜。 偏振光干涉的條 件： （ 1）兩根沿正交方向振動的平面偏振光線并不干涉 ； （ 2）兩根沿正交方向振動的平面偏振光線（從同一束平面偏振光所分出來的），只有只有當他們被弄到同一平面時，才像普通的光一樣發(fā)生干涉 。 6 偏振移相器相移特性標定裝置的光學系統(tǒng) 基于上述理論 ，可以應用一系列光學元件組成一個光學系統(tǒng)，以實現(xiàn) 偏振移相器相移特性標定裝置 ，通過轉(zhuǎn)動偏振片得到不同的 干涉條紋，在通過對干涉條紋的處理，進而實現(xiàn)對偏振移相器的標定。 在設(shè)計 中使用的偏振移相器由 ? /4波片與偏振片組成，用于正交偏振雙光束干涉結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生相位調(diào)制，即通過旋轉(zhuǎn)偏振片產(chǎn)生所需相移量。 基于上述理論設(shè)計原理圖如圖 （ 21） 所示，波長為 600 nm 的紅光半導體激光器發(fā)出的線偏振光可以分為平行于紙面振動的 p 光和垂直于紙面振動的 s 光，經(jīng)過偏振分光棱鏡 PBS時， s 光反射， p 光透射，因為 p 光和 S光兩次通過光軸 45176。 方向 1/4 波片時，偏振方向旋轉(zhuǎn) 90176。 ，所以 經(jīng)反射鏡 1m 和反射鏡 2m 反射后，原來反射的 s 光變成 p 光透過 PBS，原來透射的 p 光變成 s 光在 PBS 上反射。因此，從 PBS 出射的是一對正交偏振光，反射鏡傾斜一個固定的微小角度，可以使 p光、 s 光產(chǎn)生一定相位差。圖中反光鏡 2m有微小傾角θ，兩束光的相位差會在不同位置上有不同，進而可以在接受屏上形成干涉條紋。 p光、 s光通過光軸 45176。 方向 1/4 波片時，變成兩束旋向相反的圓偏振光， 在經(jīng)過偏振片成為線偏振光便可以產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 圖 21 偏振移相器相移特性標定裝置的光學系統(tǒng) 正交偏振光由光源 LD發(fā)出，為兩束正交的線偏振光，平行于紙面振動的 p 光和垂直于紙面振動的 s 光，經(jīng)過偏振分光棱鏡 PBS時， s 光反射， p 光透射。 s 光經(jīng)過光軸 45176。m1 m2 41 波片 波片41 41 波片 偏振片 接收屏 PBS 光源 7 方向 1/4 波片，成為圓偏振光，經(jīng)反光鏡 1m 反射，再次經(jīng)過光軸 45176。 方向 1/4 波片時，偏振方向旋轉(zhuǎn) 90176。 ， s 光變成 p 光透射。 p 光同理變?yōu)?s 光反射。兩束光再經(jīng)過光軸 45176。方向 1/4 波片時，成為旋向相反的