圓偏振光干涉原理介紹

圓偏振光干涉原理介紹絕大多數(shù)光干涉都是通過同頻同偏振方向的兩束線偏振光進行的。光程差變化將引起干涉條紋的移動(兩束光之間有夾角)或干涉場明暗的變化(兩束光平行且同軸)。因為干涉圖樣的變化直接反映了光程差的變化，光程差的變化又反映著位移量的變化，而激光波長的穩(wěn)定性、微小性使得光干涉測量成為精密測量的重要手段?；诠飧缮娴脑恚藗儼l(fā)明了邁克爾遜干涉儀，馬赫-曾德爾干涉儀等多種干涉儀用于高精度的光程差測量。但基于這種同頻同偏振方向的光干涉原理組成的干涉儀有一些缺陷：由于在光程差變化比較緩慢時（既測量鏡移動比較緩慢或基本不動），則光探頭檢測到的是一個變化緩慢的直流信號。直流信號的躁聲剔除和誤差判斷是比較困難的，這使得測量光路的抖動和光強起伏對測量的影響一直成為無法克服的問題，極大的影響了激光干涉測量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。為了解決上述困難，1970年惠譜公司發(fā)明了雙頻激光器測量系統(tǒng)。我們知道兩個頻率相差不太大的激光相互重疊也會發(fā)生干涉——我們會探測到這一個頻率的差——拍頻信號，在雙頻激光測量系統(tǒng)中，這個拍頻信號作為參考信號。用其中一個頻率的激光進行測量，由于多普勒效應(yīng)，當(dāng)測量鏡移動時，其頻率會發(fā)生改變，再與另一頻率的激光干涉，產(chǎn)生新的拍頻信號，將它與參考拍頻信號相減，便可得到被測物位移的信息。因為多普勒效應(yīng)造成的頻率改變能反映被測物是遠離（頻率下降）還是靠近（頻率上升），因此運動方向很容易判斷，所以即使被測物作振動也是可以被分辨出來的。而探測器探測到的信號是一個有一定帶寬的交流信號（兩束激光的頻率差），相對直流信號而言，對光強變化不敏感。該技術(shù)由于對使用環(huán)境和條件要求不高，抗干擾能力強，而被廣泛應(yīng)用在機械、微電子、計量、科研等領(lǐng)域，幾乎成為當(dāng)今幾何量測量的終極手段。除了以上兩種干涉外，兩束同頻的圓偏振光也會發(fā)生干涉，其相位關(guān)系也同樣會反映在干涉結(jié)果中，但它的干涉結(jié)果不同于上述兩種干涉，既沒有干涉圖樣，也沒有拍頻信號，而是反映在偏振態(tài)上。通過對偏振態(tài)的定量測量，就可以得到兩束光的相位關(guān)系。另外被測物的移動方向也可以通過特定的測量方案來確定，解決了普通干涉儀無法分辨被測物來回振動的困境，具有實用價值。因為圓偏振光干涉是需要同頻的光干涉，故使用單頻激光即可，這一點比雙頻測量系統(tǒng)具有優(yōu)越性。通過理論分析，圓偏振光干涉的測量精度不會低于雙頻測量精度，如果測量系統(tǒng)的精度夠高，甚至可以達到納米量級。在本實驗中我們首次將干涉和偏振——這兩個看似獨立的的基本光學(xué)現(xiàn)象統(tǒng)一為一體，清楚地解釋了他們之間的相互關(guān)系?！緢A偏振光干涉原理及現(xiàn)象】我們設(shè)有兩束光強為，分別為左旋和右旋的圓偏振光，均沿z軸同方向傳播，它們的電矢量為：（1）其中為光的圓頻率。當(dāng)這兩束圓偏振光疊加在一起時，總的電矢量變?yōu)椋何覀冇玫玫降目傠妶龅膟分量比上x分量，得到：（2）將寫為，寫為，則有同理有：代入（2）式：上下同時除以，得到（3）YAxisXAxisFig.1Circularlypolarizedlightinterferenceillustrate從結(jié)果中我們可以看到，兩束圓偏振光干涉合成后成為一束線偏振光，其偏振方向與兩束圓偏振光的相位有關(guān)，為兩圓偏振光初始相位的角平分線方向。上述推到雖然要求某些特殊的相位不能選?。ㄈ鏨AxisXAxisFig.1Circularlypolarizedlightinterferenceillustrate這個結(jié)論從直觀上是不難理解的。將圓偏振光的偏振面設(shè)想為一個鐘面，它們的電矢量為鐘上兩根長短相同的指針，一根向左旋，一根向右旋，且旋轉(zhuǎn)的速度都相同。那么這兩根指針的矢量疊加后，方向一定是不變的，大小隨著兩根指針的旋轉(zhuǎn)作周期變化。這正是線偏振光的特點。通過對線偏振光偏振方向的測量就可以得到相位關(guān)系。如果我們使用瓊斯矩陣，推導(dǎo)過程更簡單：設(shè)兩個圓偏振光分別為，第一個為左旋圓偏振光，第二個為右旋圓偏振光，如圖1所示。疊加后變?yōu)檫@個結(jié)果與我們之前得到的結(jié)論完全一樣。在實際應(yīng)用中，我們讓一束圓偏振光作為參考光束，認(rèn)為其相位是不變的，