基于转镜的迈克尔逊干涉仪

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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.

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