[发明专利]基于短相干动态泰曼干涉仪的位相缺陷检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于短相干动态泰曼干涉仪的位相缺陷检测系统及方法。该系统包括短相干偏振光源和偏振泰曼干涉仪两部分。方法为：首先短相干激光器发出的光束经偏振片和半波片后进入迈克尔逊干涉结构，出射一对偏振方向正交的线偏振光，将这对线偏振光耦合到保偏光纤中，作为主干涉仪的光源；然后通过调节PZT匹配干涉仪主体部分干涉腔的相位差，补偿参考光与测试光之间的位相延迟；最后利用偏振相机采集四幅移相量依次相差π/2的干涉图，通过移相算法求解得到位相缺陷的信息。本发明具有视场大、分辨率高、抗震性好、操作简单的优点，可以用于光学元件位相缺陷的实时高精度检测。

技术领域

本发明属于光干涉测量仪器技术领域，特别是一种基于短相干动态泰曼干涉仪的位相缺陷检测系统及方法。

背景技术

光学元件的缺陷可分为振幅缺陷和位相缺陷。在应用过程中，光学元件中的振幅缺陷会导致能量的散射，而位相缺陷会导致光学系统传输光束的能量会聚，从而破坏光学元件或膜层。尤其在高功率激光系统中，光学元件上存在的位相缺陷是造成激光损伤的主要原因。

近年来，纳米级缺陷的测量问题越来越受到广泛关注，因而对于具有高分辨率和大视场的精密测量仪器的需求越来越高。美国劳伦斯实验室F.L.Ravizza等人提出的线扫描相位微分成像技术(LPDI)对位相缺陷进行粗略定位，采用移相衍射干涉技术(PSDI)对位相缺陷进行准确求解，该方法能够对大口径光学元件进行快速检测。其中，PSDI是由Johnson提出的一种双光纤结构的点衍射干涉仪，这种结构的不足之处在于对两根光纤之间的距离要求过于严格，在保证两只衍射环分开的同时，也要保证线性载频条纹的频率不能超过CCD的采样频率。该方法结构简单，不会引入其他元件的缺陷干扰，但仍存在一些问题：1)要求缺陷的分布稀疏，相邻缺陷之间的间距不得超过12mm；2)视场小，一次只能测视场中的一个位相缺陷；3)需要采用无镜成像技术，将CCD靶面的振幅、相位分布映射成像到样品表面，计算复杂；4)不能抵抗环境扰动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大视场、高分辨率、抗震性好、操作简单的基于短相干动态泰曼干涉仪的位相缺陷检测系统及方法。

实现本发明目的技术解决方案为：一种基于短相干动态泰曼干涉仪的位相缺陷检测系统，包括短相干偏振光源和偏振泰曼干涉仪两部分；短相干偏振光源中的短相干激光器发出的光束，经迈克尔逊干涉结构，产生一对偏振方向正交的线偏振光，进入偏振泰曼干涉仪，通过调节第二角锥匹配偏振泰曼干涉仪主体部分干涉腔的相位差，补偿参考光与测试光之间的位相延迟，在偏振相机上同时获取四幅相移干涉图，其中：

所述短相干偏振光源用于产生一对相位延迟、偏振方向正交的线偏振光；

所述偏振泰曼干涉仪将泰曼干涉仪与偏振成像技术相结合，使从第二参考镜反射回来的参考光和从第一参考镜反射回来的测试光形成干涉场。

进一步地，所述短相干偏振光源包括沿光路方向顺次设置的短相干激光器、偏振片、半波片、第一角锥、PBS角锥胶合、第二角锥、耦合透镜和保偏光纤；所述偏振片和半波片共同产生偏振光，PBS角锥胶合一方面反射s光、另一方面透射p光，第二角锥和PBS角锥胶合间的距离为Δ，s光和p光的光程差为2Δ且偏振方向正交。

进一步地，所述偏振泰曼干涉仪包括准直物镜、PBS1/4波片胶合棱镜、被测件、第一参考镜、第二参考镜、成像镜头和偏振相机；从短相干偏振光源发出的一对偏振方向正交的线偏振光进入偏振泰曼干涉仪，经准直物镜准直后出射平行光，该平行光经PBS1/4波片胶合棱镜后，分别通过第一参考镜和第二参考镜，其中s光经PBS1/4波片胶合棱镜及第一参考镜反射后转换为测试光p，p光经PBS1/4波片胶合棱镜透射、第二参考镜反射后转换为参考光s，转换所得的测试光p和参考光s沿原路返回，并分别经PBS1/4波片胶合棱镜透射和反射，由成像镜头成像到偏振相机靶面。

进一步地，所述PBS1/4波片胶合棱镜为长方体，且分别在测试光路、参考光路、成像光路所对应的三个侧面胶合了1/4波片。