基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀

胡德信++羅文建++張志輝

摘 要：針對邁克爾遜干涉儀在光學檢測中的廣泛應用，而經(jīng)典邁克爾遜干涉儀又難以滿足測試穩(wěn)定性需求，設計并研制了一種基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀，它通過固定兩臂的平面反射鏡實現(xiàn)其穩(wěn)定性與可靠性，光程差的掃描通過轉(zhuǎn)動中間的轉(zhuǎn)鏡來實現(xiàn)。用該干涉儀對1064 nm單頻光源進行干涉實驗，采集到了較理想的干涉數(shù)據(jù)，驗證了其可行性。

關鍵詞：轉(zhuǎn)鏡 邁克爾遜干涉儀 超聲電機

中圖分類號：TH744 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0006-02

邁克爾遜干涉儀是19世紀末為測量地球和“以太”之間的運動而設計的，現(xiàn)代各種雙臂式干涉儀幾乎都是它的發(fā)展和改型[1]。利用分束器和一對反射鏡，使兩束相干光互不重疊，可以在任何一束光中方便地引入被測元件。但由于必須有一路運動掃描機構，因此對其穩(wěn)定性要求較高，經(jīng)典的邁克爾遜干涉儀已不能滿足實際的測試需求。對此，人們設計了各種不同結構樣式的邁克爾遜干涉儀，如動鏡改用角反射體和貓眼鏡[2]。在此，我們研制了一種基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀，并用其測得了較好的單頻激光干涉數(shù)據(jù)。

1 基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀

經(jīng)典的邁克爾遜干涉儀主要由分束鏡、定鏡、動鏡和探測器組成，通過動鏡的平移實現(xiàn)兩臂光程差的改變。由于動鏡采用平面反射鏡，在平移過程中振動與傾斜對測試結果影響較大。

而基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀（見圖1）通過固定兩臂的平面反射鏡實現(xiàn)其測試穩(wěn)定性，光程差的掃描通過轉(zhuǎn)動中間的轉(zhuǎn)鏡來實現(xiàn)。當轉(zhuǎn)鏡與兩束光夾角均為45°時，兩臂光程相等，當隨著轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動，兩臂光路通過轉(zhuǎn)鏡的光程發(fā)生變化，其中一路光程增加而另一路減小，又由于空氣與轉(zhuǎn)鏡的折射率不同，因此，就產(chǎn)生了光程差。

具體工作原理為：入射光被半反半透分束鏡分成兩束，其中一束被反射鏡M1和M3反射，并原路返回；另一束被反射鏡M2和M4反射，并原路返回。兩束光被離軸拋物面反射鏡反射并發(fā)生干涉，干涉光強信號最終被探測器所探測。

其中，為了確保干涉儀工作過程中的穩(wěn)定性，驅(qū)動電機采用超聲電機[3]（即壓電電機），精度高，穩(wěn)定性好。采用相應的超聲電機控制器對其運動狀態(tài)進行控制。另外，旋轉(zhuǎn)過程設計為單一方向的勻速旋轉(zhuǎn)，用轉(zhuǎn)動代替直線運動與擺動，避免了測試過程中由于電機的啟動停止造成的振動影響。

2 實驗研究過程

根據(jù)上述光路設計，我們搭建了干涉儀實驗平臺，其中反射鏡M1、M2、M3和M4為平面鏡，鍍金膜。轉(zhuǎn)鏡采用厚度為25 mm的溴化鉀鏡片，鍍增透膜，溴化鉀材料具有介于250 nm～26 μm之間的高透射率，在此波段范圍內(nèi)，其折射率介于1.46～1.59之間，是目前實際應用中的一種重要的激光窗口材料[4]。

將干涉儀安裝并調(diào)整好之后，鎖緊分束鏡與反射鏡的位置。取下轉(zhuǎn)鏡，調(diào)整兩臂的反射鏡，使得兩臂光程差相等。裝上轉(zhuǎn)鏡，此時，當轉(zhuǎn)鏡與兩路入射光夾角為45°時，兩臂光程差相等，隨著轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動，光程差逐漸變化，這將引起干涉光強的變化。

值得注意的是，測試對干涉儀的準直性要求較高，隨著光路的不斷傾斜，干涉效果急劇下降。判斷光路是否存在傾斜可通過可見光干涉條紋判斷，在此，我們采用綠光光源，直接用白紙接收。若光路存在傾斜，則會出現(xiàn)斜條紋，傾斜角度越大，條紋越密集。調(diào)整過程中，當條紋逐漸變粗直至消失時，說明準直性較好。

調(diào)整好光路后，我們對1064 nm單頻激光進行測試，以驗證該邁克爾遜干涉儀的測試效果如何。調(diào)試1064 nm固體激光器，使其入射光準直射入干涉儀，由于1064 nm激光為非可見光源，在此對其光斑采用紅外顯示卡來檢測。用探測器進行光功率探測，探測到的干涉數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)采集卡進行采集。

3 測試結果與分析

打開驅(qū)動電機，用數(shù)據(jù)采集卡對探測器探測到的干涉數(shù)據(jù)進行采集，最終得到的1064 nm單頻激光干涉信號如圖2所示。

我們知道，當光程差勻速改變時，單頻激光的干涉信號應為正弦信號。而實驗測得的1064 nm單頻激光的干涉信號即為較理想的正弦信號，這就驗證了基于轉(zhuǎn)鏡邁克爾遜干涉儀進行測試的可行性。

另外，由于轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)為勻角速度旋轉(zhuǎn)，造成了光程差并非勻速改變，因此，測得的正弦信號頻率具有一定的非線性[5]。雖然該非線性對測試結果影響較小，但對于精度要求較高的測量，還需對其非線性進行校正。

4 結論

針對經(jīng)典邁克爾遜干涉儀的不足，設計了轉(zhuǎn)鏡式邁克爾遜干涉儀，由于其固定了兩臂的反射鏡，大大提高了穩(wěn)定性。通過搭建實驗平臺，并對1064 nm單頻激光進行干涉測試，得到了理想的正弦干涉信號。這就驗證了基于轉(zhuǎn)鏡邁克爾遜干涉儀的可行性，為干涉法光學測試提供了新方法。

參考文獻

[1] 謝敬輝，趙達遵，閻吉祥.物理光學教程[M].北京理工大學出版社，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.光學物理[M].北京：科學出版社，1976：310-312.

[5] 蘇星，黃惠民，相里斌.基于高速轉(zhuǎn)鏡的高分辨率干涉光譜儀非線性理論研究[J].光子學報，2001，30（12）：1474-1479.endprint

摘 要：針對邁克爾遜干涉儀在光學檢測中的廣泛應用，而經(jīng)典邁克爾遜干涉儀又難以滿足測試穩(wěn)定性需求，設計并研制了一種基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀，它通過固定兩臂的平面反射鏡實現(xiàn)其穩(wěn)定性與可靠性，光程差的掃描通過轉(zhuǎn)動中間的轉(zhuǎn)鏡來實現(xiàn)。用該干涉儀對1064 nm單頻光源進行干涉實驗，采集到了較理想的干涉數(shù)據(jù)，驗證了其可行性。

關鍵詞：轉(zhuǎn)鏡 邁克爾遜干涉儀 超聲電機

中圖分類號：TH744 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0006-02

邁克爾遜干涉儀是19世紀末為測量地球和“以太”之間的運動而設計的，現(xiàn)代各種雙臂式干涉儀幾乎都是它的發(fā)展和改型[1]。利用分束器和一對反射鏡，使兩束相干光互不重疊，可以在任何一束光中方便地引入被測元件。但由于必須有一路運動掃描機構，因此對其穩(wěn)定性要求較高，經(jīng)典的邁克爾遜干涉儀已不能滿足實際的測試需求。對此，人們設計了各種不同結構樣式的邁克爾遜干涉儀，如動鏡改用角反射體和貓眼鏡[2]。在此，我們研制了一種基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀，并用其測得了較好的單頻激光干涉數(shù)據(jù)。

1 基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀

經(jīng)典的邁克爾遜干涉儀主要由分束鏡、定鏡、動鏡和探測器組成，通過動鏡的平移實現(xiàn)兩臂光程差的改變。由于動鏡采用平面反射鏡，在平移過程中振動與傾斜對測試結果影響較大。

而基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀（見圖1）通過固定兩臂的平面反射鏡實現(xiàn)其測試穩(wěn)定性，光程差的掃描通過轉(zhuǎn)動中間的轉(zhuǎn)鏡來實現(xiàn)。當轉(zhuǎn)鏡與兩束光夾角均為45°時，兩臂光程相等，當隨著轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動，兩臂光路通過轉(zhuǎn)鏡的光程發(fā)生變化，其中一路光程增加而另一路減小，又由于空氣與轉(zhuǎn)鏡的折射率不同，因此，就產(chǎn)生了光程差。

具體工作原理為：入射光被半反半透分束鏡分成兩束，其中一束被反射鏡M1和M3反射，并原路返回；另一束被反射鏡M2和M4反射，并原路返回。兩束光被離軸拋物面反射鏡反射并發(fā)生干涉，干涉光強信號最終被探測器所探測。

其中，為了確保干涉儀工作過程中的穩(wěn)定性，驅(qū)動電機采用超聲電機[3]（即壓電電機），精度高，穩(wěn)定性好。采用相應的超聲電機控制器對其運動狀態(tài)進行控制。另外，旋轉(zhuǎn)過程設計為單一方向的勻速旋轉(zhuǎn)，用轉(zhuǎn)動代替直線運動與擺動，避免了測試過程中由于電機的啟動停止造成的振動影響。

2 實驗研究過程

根據(jù)上述光路設計，我們搭建了干涉儀實驗平臺，其中反射鏡M1、M2、M3和M4為平面鏡，鍍金膜。轉(zhuǎn)鏡采用厚度為25 mm的溴化鉀鏡片，鍍增透膜，溴化鉀材料具有介于250 nm～26 μm之間的高透射率，在此波段范圍內(nèi)，其折射率介于1.46～1.59之間，是目前實際應用中的一種重要的激光窗口材料[4]。

將干涉儀安裝并調(diào)整好之后，鎖緊分束鏡與反射鏡的位置。取下轉(zhuǎn)鏡，調(diào)整兩臂的反射鏡，使得兩臂光程差相等。裝上轉(zhuǎn)鏡，此時，當轉(zhuǎn)鏡與兩路入射光夾角為45°時，兩臂光程差相等，隨著轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動，光程差逐漸變化，這將引起干涉光強的變化。

值得注意的是，測試對干涉儀的準直性要求較高，隨著光路的不斷傾斜，干涉效果急劇下降。判斷光路是否存在傾斜可通過可見光干涉條紋判斷，在此，我們采用綠光光源，直接用白紙接收。若光路存在傾斜，則會出現(xiàn)斜條紋，傾斜角度越大，條紋越密集。調(diào)整過程中，當條紋逐漸變粗直至消失時，說明準直性較好。

調(diào)整好光路后，我們對1064 nm單頻激光進行測試，以驗證該邁克爾遜干涉儀的測試效果如何。調(diào)試1064 nm固體激光器，使其入射光準直射入干涉儀，由于1064 nm激光為非可見光源，在此對其光斑采用紅外顯示卡來檢測。用探測器進行光功率探測，探測到的干涉數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)采集卡進行采集。

3 測試結果與分析

打開驅(qū)動電機，用數(shù)據(jù)采集卡對探測器探測到的干涉數(shù)據(jù)進行采集，最終得到的1064 nm單頻激光干涉信號如圖2所示。

我們知道，當光程差勻速改變時，單頻激光的干涉信號應為正弦信號。而實驗測得的1064 nm單頻激光的干涉信號即為較理想的正弦信號，這就驗證了基于轉(zhuǎn)鏡邁克爾遜干涉儀進行測試的可行性。

另外，由于轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)為勻角速度旋轉(zhuǎn)，造成了光程差并非勻速改變，因此，測得的正弦信號頻率具有一定的非線性[5]。雖然該非線性對測試結果影響較小，但對于精度要求較高的測量，還需對其非線性進行校正。

4 結論

針對經(jīng)典邁克爾遜干涉儀的不足，設計了轉(zhuǎn)鏡式邁克爾遜干涉儀，由于其固定了兩臂的反射鏡，大大提高了穩(wěn)定性。通過搭建實驗平臺，并對1064 nm單頻激光進行干涉測試，得到了理想的正弦干涉信號。這就驗證了基于轉(zhuǎn)鏡邁克爾遜干涉儀的可行性，為干涉法光學測試提供了新方法。

參考文獻

[1] 謝敬輝，趙達遵，閻吉祥.物理光學教程[M].北京理工大學出版社，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.光學物理[M].北京：科學出版社，1976：310-312.

[5] 蘇星，黃惠民，相里斌.基于高速轉(zhuǎn)鏡的高分辨率干涉光譜儀非線性理論研究[J].光子學報，2001，30（12）：1474-1479.endprint

摘 要：針對邁克爾遜干涉儀在光學檢測中的廣泛應用，而經(jīng)典邁克爾遜干涉儀又難以滿足測試穩(wěn)定性需求，設計并研制了一種基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀，它通過固定兩臂的平面反射鏡實現(xiàn)其穩(wěn)定性與可靠性，光程差的掃描通過轉(zhuǎn)動中間的轉(zhuǎn)鏡來實現(xiàn)。用該干涉儀對1064 nm單頻光源進行干涉實驗，采集到了較理想的干涉數(shù)據(jù)，驗證了其可行性。

關鍵詞：轉(zhuǎn)鏡 邁克爾遜干涉儀 超聲電機

中圖分類號：TH744 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0006-02

邁克爾遜干涉儀是19世紀末為測量地球和“以太”之間的運動而設計的，現(xiàn)代各種雙臂式干涉儀幾乎都是它的發(fā)展和改型[1]。利用分束器和一對反射鏡，使兩束相干光互不重疊，可以在任何一束光中方便地引入被測元件。但由于必須有一路運動掃描機構，因此對其穩(wěn)定性要求較高，經(jīng)典的邁克爾遜干涉儀已不能滿足實際的測試需求。對此，人們設計了各種不同結構樣式的邁克爾遜干涉儀，如動鏡改用角反射體和貓眼鏡[2]。在此，我們研制了一種基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀，并用其測得了較好的單頻激光干涉數(shù)據(jù)。

1 基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀

經(jīng)典的邁克爾遜干涉儀主要由分束鏡、定鏡、動鏡和探測器組成，通過動鏡的平移實現(xiàn)兩臂光程差的改變。由于動鏡采用平面反射鏡，在平移過程中振動與傾斜對測試結果影響較大。

而基于轉(zhuǎn)鏡的邁克爾遜干涉儀（見圖1）通過固定兩臂的平面反射鏡實現(xiàn)其測試穩(wěn)定性，光程差的掃描通過轉(zhuǎn)動中間的轉(zhuǎn)鏡來實現(xiàn)。當轉(zhuǎn)鏡與兩束光夾角均為45°時，兩臂光程相等，當隨著轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動，兩臂光路通過轉(zhuǎn)鏡的光程發(fā)生變化，其中一路光程增加而另一路減小，又由于空氣與轉(zhuǎn)鏡的折射率不同，因此，就產(chǎn)生了光程差。

具體工作原理為：入射光被半反半透分束鏡分成兩束，其中一束被反射鏡M1和M3反射，并原路返回；另一束被反射鏡M2和M4反射，并原路返回。兩束光被離軸拋物面反射鏡反射并發(fā)生干涉，干涉光強信號最終被探測器所探測。

其中，為了確保干涉儀工作過程中的穩(wěn)定性，驅(qū)動電機采用超聲電機[3]（即壓電電機），精度高，穩(wěn)定性好。采用相應的超聲電機控制器對其運動狀態(tài)進行控制。另外，旋轉(zhuǎn)過程設計為單一方向的勻速旋轉(zhuǎn)，用轉(zhuǎn)動代替直線運動與擺動，避免了測試過程中由于電機的啟動停止造成的振動影響。

2 實驗研究過程

根據(jù)上述光路設計，我們搭建了干涉儀實驗平臺，其中反射鏡M1、M2、M3和M4為平面鏡，鍍金膜。轉(zhuǎn)鏡采用厚度為25 mm的溴化鉀鏡片，鍍增透膜，溴化鉀材料具有介于250 nm～26 μm之間的高透射率，在此波段范圍內(nèi)，其折射率介于1.46～1.59之間，是目前實際應用中的一種重要的激光窗口材料[4]。

將干涉儀安裝并調(diào)整好之后，鎖緊分束鏡與反射鏡的位置。取下轉(zhuǎn)鏡，調(diào)整兩臂的反射鏡，使得兩臂光程差相等。裝上轉(zhuǎn)鏡，此時，當轉(zhuǎn)鏡與兩路入射光夾角為45°時，兩臂光程差相等，隨著轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動，光程差逐漸變化，這將引起干涉光強的變化。

值得注意的是，測試對干涉儀的準直性要求較高，隨著光路的不斷傾斜，干涉效果急劇下降。判斷光路是否存在傾斜可通過可見光干涉條紋判斷，在此，我們采用綠光光源，直接用白紙接收。若光路存在傾斜，則會出現(xiàn)斜條紋，傾斜角度越大，條紋越密集。調(diào)整過程中，當條紋逐漸變粗直至消失時，說明準直性較好。

調(diào)整好光路后，我們對1064 nm單頻激光進行測試，以驗證該邁克爾遜干涉儀的測試效果如何。調(diào)試1064 nm固體激光器，使其入射光準直射入干涉儀，由于1064 nm激光為非可見光源，在此對其光斑采用紅外顯示卡來檢測。用探測器進行光功率探測，探測到的干涉數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)采集卡進行采集。

3 測試結果與分析

打開驅(qū)動電機，用數(shù)據(jù)采集卡對探測器探測到的干涉數(shù)據(jù)進行采集，最終得到的1064 nm單頻激光干涉信號如圖2所示。

我們知道，當光程差勻速改變時，單頻激光的干涉信號應為正弦信號。而實驗測得的1064 nm單頻激光的干涉信號即為較理想的正弦信號，這就驗證了基于轉(zhuǎn)鏡邁克爾遜干涉儀進行測試的可行性。

另外，由于轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)為勻角速度旋轉(zhuǎn)，造成了光程差并非勻速改變，因此，測得的正弦信號頻率具有一定的非線性[5]。雖然該非線性對測試結果影響較小，但對于精度要求較高的測量，還需對其非線性進行校正。

4 結論

針對經(jīng)典邁克爾遜干涉儀的不足，設計了轉(zhuǎn)鏡式邁克爾遜干涉儀，由于其固定了兩臂的反射鏡，大大提高了穩(wěn)定性。通過搭建實驗平臺，并對1064 nm單頻激光進行干涉測試，得到了理想的正弦干涉信號。這就驗證了基于轉(zhuǎn)鏡邁克爾遜干涉儀的可行性，為干涉法光學測試提供了新方法。

參考文獻

[1] 謝敬輝，趙達遵，閻吉祥.物理光學教程[M].北京理工大學出版社，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.光學物理[M].北京：科學出版社，1976：310-312.

[5] 蘇星，黃惠民，相里斌.基于高速轉(zhuǎn)鏡的高分辨率干涉光譜儀非線性理論研究[J].光子學報，2001，30（12）：1474-1479.endprint