基于转镜的迈克尔逊干涉仪
2014-11-07 21:07胡德信罗文建张志辉
科技资讯 2014年7期
胡德信++罗文建++张志辉
摘 要：针对迈克尔逊干涉仪在光学检测中的广泛应用，而经典迈克尔逊干涉仪又难以满足测试稳定性需求，设计并研制了一种基于转镜的迈克尔逊干涉仪，它通过固定两臂的平面反射镜实现其稳定性与可靠性，光程差的扫描通过转动中间的转镜来实现。用该干涉仪对1064 nm单频光源进行干涉实验，采集到了较理想的干涉数据，验证了其可行性。
关键词：转镜 迈克尔逊干涉仪 超声电机
中图分类号：TH744 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（a）-0006-02
迈克尔逊干涉仪是19世纪末为测量地球和“以太”之间的运动而设计的，现代各种双臂式干涉仪几乎都是它的发展和改型[1]。利用分束器和一对反射镜，使两束相干光互不重叠，可以在任何一束光中方便地引入被测元件。但由于必须有一路运动扫描机构，因此对其稳定性要求较高，经典的迈克尔逊干涉仪已不能满足实际的测试需求。对此，人们设计了各种不同结构样式的迈克尔逊干涉仪，如动镜改用角反射体和猫眼镜[2]。在此，我们研制了一种基于转镜的迈克尔逊干涉仪，并用其测得了较好的单频激光干涉数据。
1 基于转镜的迈克尔逊干涉仪
经典的迈克尔逊干涉仪主要由分束镜、定镜、动镜和探测器组成，通过动镜的平移实现两臂光程差的改变。由于动镜采用平面反射镜，在平移过程中振动与倾斜对测试结果影响较大。
而基于转镜的迈克尔逊干涉仪（见图1）通过固定两臂的平面反射镜实现其测试稳定性，光程差的扫描通过转动中间的转镜来实现。当转镜与两束光夹角均为45°时，两臂光程相等，当随着转镜的转动，两臂光路通过转镜的光程发生变化，其中一路光程增加而另一路减小，又由于空气与转镜的折射率不同，因此，就产生了光程差。
具体工作原理为：入射光被半反半透分束镜分成两束，其中一束被反射镜M1和M3反射，并原路返回；另一束被反射镜M2和M4反射，并原路返回。两束光被离轴抛物面反射镜反射并发生干涉，干涉光强信号最终被探测器所探测。
其中，为了确保干涉仪工作过程中的稳定性，驱动电机采用超声电机[3]（即压电电机），精度高，稳定性好。采用相应的超声电机控制器对其运动状态进行控制。另外，旋转过程设计为单一方向的匀速旋转，用转动代替直线运动与摆动，避免了测试过程中由于电机的启动停止造成的振动影响。
2 实验研究过程
根据上述光路设计，我们搭建了干涉仪实验平台，其中反射镜M1、M2、M3和M4为平面镜，镀金膜。转镜采用厚度为25 mm的溴化钾镜片，镀增透膜，溴化钾材料具有介于250 nm～26 μm之间的高透射率，在此波段范围内，其折射率介于1.46～1.59之间，是目前实际应用中的一种重要的激光窗口材料[4]。
将干涉仪安装并调整好之后，锁紧分束镜与反射镜的位置。取下转镜，调整两臂的反射镜，使得两臂光程差相等。装上转镜，此时，当转镜与两路入射光夹角为45°时，两臂光程差相等，随着转镜的转动，光程差逐渐变化，这将引起干涉光强的变化。
值得注意的是，测试对干涉仪的准直性要求较高，随着光路的不断倾斜，干涉效果急剧下降。判断光路是否存在倾斜可通过可见光干涉条纹判断，在此，我们采用绿光光源，直接用白纸接收。若光路存在倾斜，则会出现斜条纹，倾斜角度越大，条纹越密集。调整过程中，当条纹逐渐变粗直至消失时，说明准直性较好。
调整好光路后，我们对1064 nm单频激光进行测试，以验证该迈克尔逊干涉仪的测试效果如何。调试1064 nm固体激光器，使其入射光准直射入干涉仪，由于1064 nm激光为非可见光源，在此对其光斑采用红外显示卡来检测。用探测器进行光功率探测，探测到的干涉数据用数据采集卡进行采集。
3 测试结果与分析
打开驱动电机，用数据采集卡对探测器探测到的干涉数据进行采集，最终得到的1064 nm单频激光干涉信号如图2所示。
我们知道，当光程差匀速改变时，单频激光的干涉信号应为正弦信号。而实验测得的1064 nm单频激光的干涉信号即为较理想的正弦信号，这就验证了基于转镜迈克尔逊干涉仪进行测试的可行性。
另外，由于转镜的旋转为匀角速度旋转，造成了光程差并非匀速改变，因此，测得的正弦信号频率具有一定的非线性[5]。虽然该非线性对测试结果影响较小，但对于精度要求较高的测量，还需对其非线性进行校正。
4 结论
针对经典迈克尔逊干涉仪的不足，设计了转镜式迈克尔逊干涉仪，由于其固定了两臂的反射镜，大大提高了稳定性。通过搭建实验平台，并对1064 nm单频激光进行干涉测试，得到了理想的正弦干涉信号。这就验证了基于转镜迈克尔逊干涉仪的可行性，为干涉法光学测试提供了新方法。
参考文献
[1] 谢敬辉，赵达遵，阎吉祥.物理光学教程[M].北京理工大学出版社，2005.
[2] Robert L R， Peter R G. Design and performance consideration of cats-eye retro reflectors for use in open-path Fourier-transform-infrared spectrometry [J].Applied Optics，2002，41（30）：6332-6340.
[3] Barth H V.Ultrasonic Drive Motor [J]. IBM Technical Disclosure Bulletin， 1973，16（7）：226.
[4] 加本尼.光学物理[M].北京：科学出版社，1976：310-312.
[5] 苏星，黄惠民，相里斌.基于高速转镜的高分辨率干涉光谱仪非线性理论研究[J].光子学报，2001，30（12）：1474-1479.endprint
摘 要：针对迈克尔逊干涉仪在光学检测中的广泛应用，而经典迈克尔逊干涉仪又难以满足测试稳定性需求，设计并研制了一种基于转镜的迈克尔逊干涉仪，它通过固定两臂的平面反射镜实现其稳定性与可靠性，光程差的扫描通过转动中间的转镜来实现。用该干涉仪对1064 nm单频光源进行干涉实验，采集到了较理想的干涉数据，验证了其可行性。
关键词：转镜 迈克尔逊干涉仪 超声电机
中图分类号：TH744 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（a）-0006-02
迈克尔逊干涉仪是19世纪末为测量地球和“以太”之间的运动而设计的，现代各种双臂式干涉仪几乎都是它的发展和改型[1]。利用分束器和一对反射镜，使两束相干光互不重叠，可以在任何一束光中方便地引入被测元件。但由于必须有一路运动扫描机构，因此对其稳定性要求较高，经典的迈克尔逊干涉仪已不能满足实际的测试需求。对此，人们设计了各种不同结构样式的迈克尔逊干涉仪，如动镜改用角反射体和猫眼镜[2]。在此，我们研制了一种基于转镜的迈克尔逊干涉仪，并用其测得了较好的单频激光干涉数据。
1 基于转镜的迈克尔逊干涉仪
经典的迈克尔逊干涉仪主要由分束镜、定镜、动镜和探测器组成，通过动镜的平移实现两臂光程差的改变。由于动镜采用平面反射镜，在平移过程中振动与倾斜对测试结果影响较大。
而基于转镜的迈克尔逊干涉仪（见图1）通过固定两臂的平面反射镜实现其测试稳定性，光程差的扫描通过转动中间的转镜来实现。当转镜与两束光夹角均为45°时，两臂光程相等，当随着转镜的转动，两臂光路通过转镜的光程发生变化，其中一路光程增加而另一路减小，又由于空气与转镜的折射率不同，因此，就产生了光程差。
具体工作原理为：入射光被半反半透分束镜分成两束，其中一束被反射镜M1和M3反射，并原路返回；另一束被反射镜M2和M4反射，并原路返回。两束光被离轴抛物面反射镜反射并发生干涉，干涉光强信号最终被探测器所探测。
其中，为了确保干涉仪工作过程中的稳定性，驱动电机采用超声电机[3]（即压电电机），精度高，稳定性好。采用相应的超声电机控制器对其运动状态进行控制。另外，旋转过程设计为单一方向的匀速旋转，用转动代替直线运动与摆动，避免了测试过程中由于电机的启动停止造成的振动影响。
2 实验研究过程
根据上述光路设计，我们搭建了干涉仪实验平台，其中反射镜M1、M2、M3和M4为平面镜，镀金膜。转镜采用厚度为25 mm的溴化钾镜片，镀增透膜，溴化钾材料具有介于250 nm～26 μm之间的高透射率，在此波段范围内，其折射率介于1.46～1.59之间，是目前实际应用中的一种重要的激光窗口材料[4]。
将干涉仪安装并调整好之后，锁紧分束镜与反射镜的位置。取下转镜，调整两臂的反射镜，使得两臂光程差相等。装上转镜，此时，当转镜与两路入射光夹角为45°时，两臂光程差相等，随着转镜的转动，光程差逐渐变化，这将引起干涉光强的变化。
值得注意的是，测试对干涉仪的准直性要求较高，随着光路的不断倾斜，干涉效果急剧下降。判断光路是否存在倾斜可通过可见光干涉条纹判断，在此，我们采用绿光光源，直接用白纸接收。若光路存在倾斜，则会出现斜条纹，倾斜角度越大，条纹越密集。调整过程中，当条纹逐渐变粗直至消失时，说明准直性较好。
调整好光路后，我们对1064 nm单频激光进行测试，以验证该迈克尔逊干涉仪的测试效果如何。调试1064 nm固体激光器，使其入射光准直射入干涉仪，由于1064 nm激光为非可见光源，在此对其光斑采用红外显示卡来检测。用探测器进行光功率探测，探测到的干涉数据用数据采集卡进行采集。
3 测试结果与分析
打开驱动电机，用数据采集卡对探测器探测到的干涉数据进行采集，最终得到的1064 nm单频激光干涉信号如图2所示。
我们知道，当光程差匀速改变时，单频激光的干涉信号应为正弦信号。而实验测得的1064 nm单频激光的干涉信号即为较理想的正弦信号，这就验证了基于转镜迈克尔逊干涉仪进行测试的可行性。
另外，由于转镜的旋转为匀角速度旋转，造成了光程差并非匀速改变，因此，测得的正弦信号频率具有一定的非线性[5]。虽然该非线性对测试结果影响较小，但对于精度要求较高的测量，还需对其非线性进行校正。
4 结论
针对经典迈克尔逊干涉仪的不足，设计了转镜式迈克尔逊干涉仪，由于其固定了两臂的反射镜，大大提高了稳定性。通过搭建实验平台，并对1064 nm单频激光进行干涉测试，得到了理想的正弦干涉信号。这就验证了基于转镜迈克尔逊干涉仪的可行性，为干涉法光学测试提供了新方法。
参考文献
[1] 谢敬辉，赵达遵，阎吉祥.物理光学教程[M].北京理工大学出版社，2005.
[2] Robert L R， Peter R G. Design and performance consideration of cats-eye retro reflectors for use in open-path Fourier-transform-infrared spectrometry [J].Applied Optics，2002，41（30）：6332-6340.
[3] Barth H V.Ultrasonic Drive Motor [J]. IBM Technical Disclosure Bulletin， 1973，16（7）：226.
[4] 加本尼.光学物理[M].北京：科学出版社，1976：310-312.
[5] 苏星，黄惠民，相里斌.基于高速转镜的高分辨率干涉光谱仪非线性理论研究[J].光子学报，2001，30（12）：1474-1479.endprint
摘 要：针对迈克尔逊干涉仪在光学检测中的广泛应用，而经典迈克尔逊干涉仪又难以满足测试稳定性需求，设计并研制了一种基于转镜的迈克尔逊干涉仪，它通过固定两臂的平面反射镜实现其稳定性与可靠性，光程差的扫描通过转动中间的转镜来实现。用该干涉仪对1064 nm单频光源进行干涉实验，采集到了较理想的干涉数据，验证了其可行性。
关键词：转镜 迈克尔逊干涉仪 超声电机
中图分类号：TH744 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（a）-0006-02
迈克尔逊干涉仪是19世纪末为测量地球和“以太”之间的运动而设计的，现代各种双臂式干涉仪几乎都是它的发展和改型[1]。利用分束器和一对反射镜，使两束相干光互不重叠，可以在任何一束光中方便地引入被测元件。但由于必须有一路运动扫描机构，因此对其稳定性要求较高，经典的迈克尔逊干涉仪已不能满足实际的测试需求。对此，人们设计了各种不同结构样式的迈克尔逊干涉仪，如动镜改用角反射体和猫眼镜[2]。在此，我们研制了一种基于转镜的迈克尔逊干涉仪，并用其测得了较好的单频激光干涉数据。
1 基于转镜的迈克尔逊干涉仪
经典的迈克尔逊干涉仪主要由分束镜、定镜、动镜和探测器组成，通过动镜的平移实现两臂光程差的改变。由于动镜采用平面反射镜，在平移过程中振动与倾斜对测试结果影响较大。
而基于转镜的迈克尔逊干涉仪（见图1）通过固定两臂的平面反射镜实现其测试稳定性，光程差的扫描通过转动中间的转镜来实现。当转镜与两束光夹角均为45°时，两臂光程相等，当随着转镜的转动，两臂光路通过转镜的光程发生变化，其中一路光程增加而另一路减小，又由于空气与转镜的折射率不同，因此，就产生了光程差。
具体工作原理为：入射光被半反半透分束镜分成两束，其中一束被反射镜M1和M3反射，并原路返回；另一束被反射镜M2和M4反射，并原路返回。两束光被离轴抛物面反射镜反射并发生干涉，干涉光强信号最终被探测器所探测。
其中，为了确保干涉仪工作过程中的稳定性，驱动电机采用超声电机[3]（即压电电机），精度高，稳定性好。采用相应的超声电机控制器对其运动状态进行控制。另外，旋转过程设计为单一方向的匀速旋转，用转动代替直线运动与摆动，避免了测试过程中由于电机的启动停止造成的振动影响。
2 实验研究过程
根据上述光路设计，我们搭建了干涉仪实验平台，其中反射镜M1、M2、M3和M4为平面镜，镀金膜。转镜采用厚度为25 mm的溴化钾镜片，镀增透膜，溴化钾材料具有介于250 nm～26 μm之间的高透射率，在此波段范围内，其折射率介于1.46～1.59之间，是目前实际应用中的一种重要的激光窗口材料[4]。
将干涉仪安装并调整好之后，锁紧分束镜与反射镜的位置。取下转镜，调整两臂的反射镜，使得两臂光程差相等。装上转镜，此时，当转镜与两路入射光夹角为45°时，两臂光程差相等，随着转镜的转动，光程差逐渐变化，这将引起干涉光强的变化。
值得注意的是，测试对干涉仪的准直性要求较高，随着光路的不断倾斜，干涉效果急剧下降。判断光路是否存在倾斜可通过可见光干涉条纹判断，在此，我们采用绿光光源，直接用白纸接收。若光路存在倾斜，则会出现斜条纹，倾斜角度越大，条纹越密集。调整过程中，当条纹逐渐变粗直至消失时，说明准直性较好。
调整好光路后，我们对1064 nm单频激光进行测试，以验证该迈克尔逊干涉仪的测试效果如何。调试1064 nm固体激光器，使其入射光准直射入干涉仪，由于1064 nm激光为非可见光源，在此对其光斑采用红外显示卡来检测。用探测器进行光功率探测，探测到的干涉数据用数据采集卡进行采集。
3 测试结果与分析
打开驱动电机，用数据采集卡对探测器探测到的干涉数据进行采集，最终得到的1064 nm单频激光干涉信号如图2所示。
我们知道，当光程差匀速改变时，单频激光的干涉信号应为正弦信号。而实验测得的1064 nm单频激光的干涉信号即为较理想的正弦信号，这就验证了基于转镜迈克尔逊干涉仪进行测试的可行性。
另外，由于转镜的旋转为匀角速度旋转，造成了光程差并非匀速改变，因此，测得的正弦信号频率具有一定的非线性[5]。虽然该非线性对测试结果影响较小，但对于精度要求较高的测量，还需对其非线性进行校正。
4 结论
针对经典迈克尔逊干涉仪的不足，设计了转镜式迈克尔逊干涉仪，由于其固定了两臂的反射镜，大大提高了稳定性。通过搭建实验平台，并对1064 nm单频激光进行干涉测试，得到了理想的正弦干涉信号。这就验证了基于转镜迈克尔逊干涉仪的可行性，为干涉法光学测试提供了新方法。
参考文献
[1] 谢敬辉，赵达遵，阎吉祥.物理光学教程[M].北京理工大学出版社，2005.
[2] Robert L R， Peter R G. Design and performance consideration of cats-eye retro reflectors for use in open-path Fourier-transform-infrared spectrometry [J].Applied Optics，2002，41（30）：6332-6340.
[3] Barth H V.Ultrasonic Drive Motor [J]. IBM Technical Disclosure Bulletin， 1973，16（7）：226.
[4] 加本尼.光学物理[M].北京：科学出版社，1976：310-312.
[5] 苏星，黄惠民，相里斌.基于高速转镜的高分辨率干涉光谱仪非线性理论研究[J].光子学报，2001，30（12）：1474-1479.endprint
