Fizeau型偏振移相干涉仪的实验研究

　　1　引　言

　　基于Fizeau型式的移相干涉仪广泛用于光学元件的面形、平行度、折射率均匀性以及光学系统的波像差测量,通常都是采用PZT实现移相。随着干涉仪的口径逐渐增大,特别是口径大于600mm时,这种传统的机电式移相法已不再适应大口径干涉仪的发展需求,需要研究新的移相方式。除了变波长移相[1]外,偏振移相是目前大口径干涉仪的一种很有效的移相手段。Fizeau型干涉仪是一种准共光路干涉仪,因此与Twyman-Green型分光路干涉仪相比,有诸多优点,比如结构简单,抗干扰能力强,精度高等,然而正因为参考光和测试光共光路,很难像分光路干涉仪那样,分别改变两束光的偏振态,实现偏振式的Fizeau干涉仪。Sanjib Chatterjee[2]提出了一种插入1/4波片的方法,通过在Fizeau干涉仪干涉腔中插入一个1/4波片,测试光两次通过1/4波片,左旋偏振光变成右旋偏振光,然后通过旋转偏振元件实现了Fizeau干涉仪的偏振移相,该方法需要在干涉腔中插入一块与参考镜大小相当的1/4波片,制造大口径的1/4波片比较困难,而且需要消除波片本身精度对测试结果的影响。渥拉斯棱镜分光倾斜参考镜法[3,4]需要让参考镜倾斜一定的角度,破坏了Fizeau干涉仪的共光路特性。Kimbrough[5]和Ai[6]等人曾利用短相干光源的干涉仪测量了平行平板面形。本文设计了一种新的光路,并搭建了实验平台,采用多纵模半导体激光器作为光源,利用光源的相干性辅以一套偏振延迟系统,分出一对正交的参考光和测试光,通过巴比涅-索列尔补偿器实现偏振移相,保持了Fizeau干涉仪的共光路特性。

　　2　原　理

　　实验原理如图1所示,波长为650nm的红光半导体激光器发出的线偏振光可以分为平行于纸面振动的p光和垂直于纸面振动的s光,经过偏振分光棱镜(PBS)时,s光反射,p光透射,因为当p光和s光两次通过与光轴成45°方向的1/4波片时,偏振向旋转90°,所以经反射镜A和反射镜B反射后,原来反射的s光变成p光透过PBS,原来透射的p光变成s光在PBS上反射。因此从PBS出射的是一对正交偏振光,反射镜固定在一个直线导轨上,可以改变p光和s光的延迟量。图中反射镜B与反射镜的镜像A′的距离为ΔL,s光滞后p光2ΔL。空间滤波器和准直物镜构成扩束系统。p光和s光先后分别在参考镜R和被测镜T上反射。设干涉腔长为ΔL,反射光中分为4种光,分别是R反射的p光Rp,R反射的s光Rs,T反射的p光Tp和T反射的s光Ts。它们在偏振片光轴方向投影后可以干涉的组合是:RpRs,RpTp,RpTs,RsTp,RsTs和TpTs。通过分析,它们之间的光程差为

　　组合:RpRs, RpTp, RpTs, RsTp, RsTs, TpTs

　　程差:2ΔL,2ΔL,4ΔL,0,2ΔL,2ΔL