改善周期非線性的差分幹涉儀的製作方法
2023-07-22 15:30:41
專利名稱：改善周期非線性的差分幹涉儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及改善周期非線性的幹涉儀系統及其使用的延遲片組件，以及用於降低偏振洩漏的方法。
背景技術：
在例如美國專利No.4,930,894(「Baldwin」)和4,693,605所描述的差分幹涉儀中，由於進出測量光路的參考束的偏振洩漏而產生周期非線性。在這些幹涉儀中偏振劣化(即不希望的偏振變化)從而洩漏的原因包括不良的偏振塗層、不良的延遲片和通過鍍銀立方角回射器的偏振變形。
在圖1中示出由Baldwin描述的一種幹涉儀中，1/8波非線性的主要原因出現在「差分適配器」中，該差分適配器由旋轉鏡150、四分之一波片14和鍍銀立方角回射器13組成。四分之一波片14被定向以將入射線性偏振光在去往鍍銀立方角13時轉換為圓偏振光。由於其構造，鍍銀立方角13使圓偏振劣化並輸出橢圓偏振光，該橢圓偏振光的主軸旋轉以使得當光返回而第二次穿過四分之一波片14時，輸出光不是被完全地線性偏振。光現在具有與所期望的偏振狀態正交的線性偏振分量。該分量是導致周期非線性誤差的偏振洩漏。
因此，需要一種裝置和方法，用於解決差分幹涉儀系統中的偏振洩漏，具體地說，解決在到鍍銀立方角的光路中由四分之一波片引起的偏振洩漏。
發明內容
在本發明的一個實施例中，幹涉儀系統包括平面鏡幹涉儀、旋轉鏡、具有可以被調節並隨後被固定的延遲片的延遲片組件、以及回射器。光束在包括平面鏡幹涉儀、旋轉鏡、延遲片組件和回射器的光路中行進。在一個實施例中，延遲片組件包括多個軸承、被安放在軸承上的環、被安裝到環上的延遲片、以及將環推壓抵靠軸承的柱塞。在一個實施例中，在確定了在系統中產生很少偏振洩漏的方向之後，延遲片通過粘接劑被固定。
圖1圖示了傳統的差分幹涉儀系統。
圖2和圖3圖示了本發明一個實施例中的差分幹涉儀系統。
圖4、圖5和圖6圖示了本發明一個實施例中圖2和圖3的幹涉儀系統中的延遲片組件，該延遲片組件允許精確原位調節延遲片。
圖7是本發明一個實施例中的用於調節差分幹涉儀系統中的延遲片組件以減小偏振洩漏的方法的流程圖。
圖8圖示了本發明另一個實施例中的差分幹涉儀系統。
在不同的圖形中，使用相同的標號表示類似或者等同的元件。
具體實施例方式
圖2和圖3圖示了本發明一個實施例中的差分幹涉儀系統200。雷射頭202產生相干的準直光束，該光束由兩個正交偏振的頻率分量構成。一個頻率分量fA(例如，具有P偏振的測量束)進入系統測量光路，而另一個頻率分量fB(例如，具有S偏振的參考束)進入系統參考光路。
在測量光路中，偏振分束器204將頻率分量fA傳輸到安裝於移動臺上的測量平面鏡206。因為頻率分量fA穿過四分之一波片208，所以回程偏振被旋轉了90度，並且新的S偏振頻率分量fA被偏振分束器204反射到立方角回射器210。立方角210再次將頻率分量fA導向偏振分束器204，偏振分束器204再次將頻率分量fA反射到測量平面鏡206。同樣，因為頻率分量fA穿過四分之一波片208，所以回程偏振被旋轉了90度，並且新的P偏振頻率分量fA經過偏振分束器204被傳輸到旋轉鏡212。
旋轉鏡212將頻率分量fA導向經過延遲片組件216(在圖4、圖5和圖6中更詳細示出)到鍍銀立方角回射器214上，回射器214將頻率分量fA返回至鏡212。因為頻率分量fA穿過組件216中的四分之一波片，所以回程偏振理想上(並非實際上)被旋轉了90度。鏡212然後將新的S偏振頻率分量fA返回至偏振分束器204，偏振分束器204將頻率分量fA反射到立方角回射器218。立方角218將頻率分量fA返回至偏振分束器204，偏振分束器204將頻率分量fA反射到接收器220。注意，旋轉鏡212被用於使得系統200更緊湊。如果構建較大的系統200，則可以去除旋轉鏡212，並將立方角214直接放置在偏振分束器204之後，組件216位於其間。
在傳統設置中，組件216中的四分之一波片的快(或慢)軸將被定向為與偏振矢量成45°，以便將入射線性偏振光轉換為圓偏振光。不幸的是，在這樣的設置中，鍍銀立方角回射器214將會使輸入束中的圓偏振光變形，而使得輸出束中的光是橢圓偏振的。當這種橢圓偏振光被返回以第二次穿過組件216中的四分之一波片時，輸出將不處於希望的線性偏振狀態，即沿著與輸入束偏振正交的方向的完全線性偏振的狀態。而是，輸出將具有與希望的線性偏振狀態正交的線性偏振分量。
因此，當圓偏振光相繼穿過鍍銀立方角時，用於將線性偏振轉換為圓偏振的四分之一波片的快軸的理想對準(即，與偏振矢量成45°)並不理想。利用光路中的鍍銀立方角，存在利用了鍍銀立方角的偏振變形效應的快軸的旋轉「掃點(sweep spot)」。該掃點不從經過四分之一波片的第一次穿過中產生完全圓偏振光。但是，該掃點使得鍍銀立方角輸出橢圓偏振狀態，在經過四分之一波片返回之後，其具有較小的與希望的線性偏振狀態正交的線性偏振分量。結果是，在返回穿過四分之一波片之後，初始線性偏振狀態基本上保留了，但是當然被旋轉了90°。而這又產生較少的偏振洩漏，因而在幹涉測量中有較小的周期非線性。
通常，在差分幹涉儀系統200中，可以根據立方角上銀塗層的特性來選擇延遲片，使得被定向在其「掃點」的該延遲片與鍍銀立方角回射器的組合相比於四分之一波片與鍍銀立方角的組合，給出甚至更小的與希望的偏振狀態正交的線性偏振分量。例如，當與鍍銀立方角組合時，具有90.189°延遲角的線性延遲片，給出比四分之一波片(延遲角＝90°)更小的不希望的線性分量。類似地，延遲片可以被選擇用於具有另一類型塗層的立方角，使得該延遲片與立方角的組合使與希望的線性偏振狀態正交的線性偏振分量最小化。
圖4、圖5和圖6圖示了本發明一個實施例中允許精確原位旋轉調節四分之一波片的延遲片組件216。四分之一波片302利用粘接劑固定到環304上。在一個實施例中，四分之一波片302由石英製成，環304由黃銅製成。環304被形成「V型塊軸承」的兩個軸承銷306可運動地支撐。在一個實施例中，軸承銷306由Delrin AF製成。通過在V型塊接觸線中被安裝到殼體310上的彈簧加力柱塞308，迫使環304進入V型塊軸承。在一個實施例中，柱塞308由Delrin AF製成。
殼體310包括面322，該面322定義用於接納環304的圓形凹陷324。沿著圓形凹陷324的圓周是用於接納軸承銷306的槽323(圖6)。鍍銀立方角214可以在面322上被安裝到殼體310上。旋轉鏡212可以在被定向為與面322成45°的面328上被安裝到殼體310上。孔325和326被定義在面322與328之間，以提供旋轉鏡212與立方角210之間的偏移光路。
平面鏡幹涉儀230(由分束器204、立方角210和218以及四分之一波片208組成)可以在被定向為與面322正交的面330上被安裝到殼體310上。孔被定義在面328與330之間，以提供旋轉鏡212與平面鏡幹涉儀230之間的偏移光路。殼體310的面上設置有通向圓形凹陷324的膠孔332。
利用雙球槓桿312，實現對環304(和四分之一波片302)的精細旋轉位置控制。小球314(在大球318的頂上)與環304中的徑向孔316中的一個孔嚙合。大球318與支點孔320嚙合，並用作第一類槓桿的支點。支點孔320和柱塞安裝孔334(圖6)位於殼體310的面321上，並且接通到圓形凹陷324。
環304與軸承銷306之間的低摩擦力和高槓桿效率的結合允許四分之一波片快軸的掃點被精確對準到偏振矢量。一旦槓桿312移動，彈簧加力柱塞308就保持四分之一波片302的位置。然後通過膠孔332注入粘接劑，以固定環304的位置。
返回參考圖2和圖3，在參考光路中，偏振分束器204將頻率分量fB反射到立方角218。立方角218將頻率分量fB返回至偏振分束器204，該偏振分束器204將頻率分量fB反射到鏡212。鏡212將頻率分量fB導向至鍍銀立方角214，該鍍銀立方角214將頻率分量fB返回至鏡212。因為頻率分量fB穿過四分之一波片216，所以回程偏振被旋轉了90度。
鏡212將新的P偏振頻率分量fB導向至偏振分束器204，該偏振分束器204將頻率分量fB傳輸到可以移動的參考鏡222。因為頻率分量fB穿過四分之一波片208，所以返程偏振被旋轉了90度，並且新的S偏振頻率分量fB被偏振分束器204反射到立方角210。立方角210將頻率分量fB返回至偏振分束器204，該偏振分束器204再次將頻率分量fB反射到參考鏡222。同樣，因為頻率分量fB穿過四分之一波片208，所以回程偏振被旋轉了90度，並且P偏振頻率分量fB經過偏振分束器204被傳輸到接收器220上。
圖7是本發明一個實施例中用於搜索幹涉儀系統200中的四分之一波片快軸的掃點的方法700的流程圖。
在步驟702中，測量束和參考束都被打開，以傳播經過裝配好的幹涉儀系統200中的測量光路和參考光路。
在步驟704中，測量來自被重新組合的測量束和參考束的脈動信號(beat signal)的幅度(以後稱為「第一幅度」)。
在步驟706中，中斷(例如擋住)一種束(測量束或者參考束)。理論上，如果沒有偏振洩漏，則脈動信號將停止。但是，如果有偏振洩漏，則將保留可檢測的脈動信號(具有初始拍頻)。
在步驟708中，再次測量初始拍頻的脈動信號的幅度(以後稱為「第二幅度」)。
在步驟710中，判斷偏振洩漏是否低於閾值，低於閾值則意味著已經找到了組件216中的四分之一波片302的快軸的掃點。在一個實施例中，偏振洩漏被定義為第二幅度對第一幅度的比例。如果偏振洩漏不小於閾值，則步驟710之後是步驟712。否則，步驟710之後是步驟714。
在步驟712中，調節組件216中的四分之一波片302的快軸。如上面參考圖4、圖5和圖6所描述的，使用槓桿312來調節四分之一波片302的快軸。步驟712之後是步驟708，並且重複該過程，直到找到了四分之一波片302的快軸的掃點。
在步驟714中，固定四分之一波片302的快軸。如上面參考圖4、圖5和圖6所描述的，通過殼體310的膠孔332注入粘接劑，以固定環304和四分之一波片302的朝向。
圖8圖示了本發明一個實施例中的差分幹涉儀系統800。系統800類似於系統200，除了延遲片組件216被輸入光路中的輸入半波片組件816A和輸出光路中的輸出半波片組件816B代替，並且鍍銀立方角214被未塗覆的TIR(全內反射)立方角發射器814代替。已經確定，適當定向的TIR立方角814保持了傳輸中的正交線性(水平/垂直)偏振，如果它們在輸入處(向立方角內看去)被逆時針旋轉13.7°。輸出偏振保持線性，但是在向立方角內看去的相反方向上被旋轉了13.7°。13.7°的旋轉角取決於立方角材料的特性。對於普通光學玻璃BK-7，旋轉角接近13.7°。
輸入半波片組件816A被原位調節，以將對TIR立方角814的線性偏振輸入旋轉13.7°。輸出半波片組件816B被原位調節，以將得到的線性偏振輸出旋轉13.7°+/-90°，使得對於頻率分量fA和fB中的每個，回程束是沿著與輸入束的偏振方向正交的方向線性偏振的。系統800消除了完全由鍍銀立方角引起的不希望的偏振變形。此外，它改善了回射效率，以及垂直偏振光到水平偏振光和水平偏振光到垂直偏振光的偏振轉換。在一個實施例中，組件816A和816B與圖4、圖5和圖6中的組件216類似地構建，其中用半波片取代四分之一波片。
上述方法700可以被修改以減小系統800的偏振洩漏。代替步驟712中調節單個四分之一波片，兩個半波片被調節以搜索偏振洩漏低於閾值的掃點。
所公開實施例的特徵的各種其他組合和改裝都在本發明的範圍之內。雖然所圖示的實施例使用平面鏡和立方角回射器，但是也可以使用其他反射、折射、衍射和全息元件來代替。此外，在軸承銷306的接觸線之間居中的單個彈簧加力柱塞308可以被用來代替兩個彈簧加力柱塞308。此外，代替鍍銀立方角214，可以使用塗覆了其他材料的立方角。這些實施例中所描述的機械軸承屬於使用減摩材料的穩定的運動學設計。明顯地，可以使用較不穩定的低效軸承來代替，例如由在圓形凹陷324中運轉的環304組成的簡單軸頸軸承。此外，可以使用真正的運動學設計，例如三個軸承滾珠支撐環304。所附權利要求涵蓋了許多實施例。
本申請涉及題為「偏振維持回射器裝置」的代理卷號10031255-1的美國專利申請，以及題為「使用偏振維持回射器的系統」的代理卷號10040352-1的美國專利申請，以上申請同時遞交、共同轉讓，並通過引用結合於此。
權利要求
1.一種延遲片組件，包括多個軸承；被安放在所述軸承上的環；被安裝到所述環上的延遲片；和將所述環推壓抵靠所述軸承的柱塞。
2.根據權利要求1所述的組件，其中，所述延遲片是從由四分之一波片和半波片組成的組中選擇的。
3.根據權利要求1所述的組件，還包括槓桿，所述槓桿所包括的一端具有大球和在所述大球上的小球；殼體，所述殼體包括第一面，所述第一面定義用於接納所述環的圓形凹陷；第二面，所述第二面定義連通到所述圓形凹陷的支點孔；其中，所述大球與所述支點孔嚙合，並且所述小球與所述環上的徑向孔嚙合，所述大球用作所述槓桿旋轉所述環的支點。
4.根據權利要求3所述的組件，其中，所述軸承是銷軸承，並且所述圓形凹陷還包括用於接納所述銷軸承的槽。
5.根據權利要求3所述的組件，其中，所述殼體還定義了到所述圓形凹陷的膠孔。
6.根據權利要求3所述的組件，其中，所述第二面還定義連通到所述圓形凹陷的柱塞安裝孔，所述柱塞安裝孔接納所述柱塞。
7.根據權利要求3所述的組件，其中，所述殼體還包括被定向成與所述第一面成45°的第三面，所述第三面接納旋轉鏡。
8.根據權利要求7所述的組件，其中，所述殼體還包括被定向為與所述第一面正交的第四面，所述殼體還定義了所述第一面與所述第三面之間以及所述第三面與所述第四面之間的孔。
9.根據權利要求8所述的組件，其中，所述第四面接納平面鏡幹涉儀。
10.一種幹涉儀系統，包括平面鏡幹涉儀；延遲片組件，具有可以被調節並隨後被固定的延遲片；回射器；其中，光束在包括所述平面鏡幹涉儀、所述延遲片組件和所述回射器的光路中行進。
11.根據權利要求10所述的系統，還包括位於所述光路中的所述平面鏡幹涉儀與所述延遲片組件之間的旋轉鏡。
12.根據權利要求10所述的系統，其中，所述延遲片組件包括多個軸承；被安放在所述軸承上的環；被安裝到所述環上的所述延遲片；和將所述環推壓抵靠所述軸承的柱塞。
13.根據權利要求10所述的系統，其中，所述幹涉儀包括經塗覆的立方角，所述延遲片包括四分之一波片，並且所述光路還包括所述延遲片組件、所述旋轉鏡和所述平面鏡幹涉儀。
14.根據權利要求13所述的系統，其中，所述經塗覆的立方角包括塗覆銀的立方角。
15.根據權利要求10所述的系統，還包括具有可以被調節並隨後被固定的另一個延遲片的另一個延遲片組件，其中，所述回射器包括全內反射立方角，所述延遲片和所述另一個延遲片包括半波片，並且所述光路還包括所述另一個延遲片組件、所述旋轉鏡和所述平面鏡幹涉儀。
16.根據權利要求15所述的系統，其中，所述延遲片的快軸或者慢軸被定向成將到達所述全內反射立方角的光旋轉13.7°，並且所述另一個延遲片的另一個快軸或者慢軸被定向成將來自所述全內反射立方角的光的偏振旋轉13.7°+/-90°。
17.根據權利要求10所述的系統，其中，所述回射器包括經塗覆的立方角，並且所述延遲片是基於所述經塗覆立方角的塗覆材料而選擇的。
18.一種用於降低偏振洩漏的方法，包括基於測量束和參考束，測量具有拍頻的脈動信號的第一幅度，其中，所述測量束和所述參考束中的至少之一在從延遲片到回射器的光路中行進；中斷所述測量束和所述參考束中的一個；測量具有所述拍頻的所述脈動信號的第二幅度；以及如果所述第二幅度對所述第一幅度的比例小於閾值，則固定所述延遲片的快軸。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述測量束和所述參考束中的所述至少之一還從所述回射器行進到所述延遲片，所述延遲片包括四分之一波片，並且所述回射器包括經塗覆的立方角，所述方法還包括如果所述比例大於所述閾值，則調節所述延遲片的所述快軸。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述經塗覆的立方角包括塗覆銀的立方角。
21.根據權利要求19所述的方法，其中，所述測量束和所述參考束中的所述至少之一還從所述回射器行進到另一個延遲片，所述延遲片和所述另一個延遲片包括半波片，並且所述回射器包括全內反射立方角，所述方法還包括如果所述第二幅度對所述第一幅度的所述比例大於閾值，則調節所述延遲片的所述快軸和所述另一個延遲片的另一個快軸。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，所述調節所述快軸的步驟使得到達所述全內反射立方角的所述測量束和所述參考束中的所述至少之一的偏振旋轉了13.7°，並且所述調節所述另一個快軸的步驟使得來自所述全內反射立方角的所述測量束和所述參考束中的所述至少之一的偏振旋轉了13.7°+/-90°。
全文摘要
本發明公開了一種改善周期非線性的差分幹涉儀。幹涉儀系統包括平面鏡幹涉儀、旋轉鏡、具有可以被調節並隨後被固定的延遲片的延遲片組件、以及回射器。光束在包括平面鏡幹涉儀、旋轉鏡、延遲片組件和回射器的光路中行進。延遲片組件可以包括多個軸承、被安放在軸承上的環、被安裝到環上的延遲片、以及將環推壓抵靠軸承的柱塞。在確定了在系統中產生很少偏振洩漏的方向之後，延遲片通過粘接劑被固定。
文檔編號G01J9/02GK1702428SQ20051006456
公開日2005年11月30日 申請日期2005年4月13日 優先權日2004年5月28日
發明者約翰·J·伯克曼, 盧德米拉·M·戈揚斯卡亞, 肯尼思·J·韋恩, 朱淼 申請人:安捷倫科技有限公司