CN100451581C - 利用外差干涉法对激光波长进行测量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

利用外差干涉法对激光波长进行测量的方法及装置，属于激光测量技术领域。本发明先将被测单频激光进行移频，产生双频激光，从而得到外差信号。采用外差干涉系统将调制为双频激光后的标准波长激光和被测激光耦合到同一干涉系统中，经干涉仪臂长的一段变化，比较两激光外差信号的位相改变量，获得被测光波长值。本发明不同于以往波长测量中采用的单频干涉测量，单频干涉测量只能测量、比较单频激光的干涉条纹的整数级次，而外差干涉法测量则采用测量、比较激光外差信号的相位改变量，提高了波长测量精度。同时由于采用外差方法，测量信号为交流信号，便于放大、信噪比高，具有从高背景噪声中提取小信号的优势。

Description

利用外差干涉法对激光波长进行测量的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用外差干涉法对激光波长进行测量的方法及装置，属于激光测量技术领域。

背景技术

激光波长测量系统可用于测量可调谐激光器的输出波长值，或标定未知激光的波长值。

在光学测量中，激光干涉技术由其非接触、高速及可溯源等优点得到广泛应用。可调波长激光由于波长可调，可以产生需要的合成波长链，因此在绝对距离干涉测量(无导轨测长)系统中得到广泛应用。但是可调波长激光(例如可调半导体激光)由于无法锁定到自然基准，所以必须采用激光波长测量系统测量出可调波长激光的波长值。该激光波长的测量精度将影响到整个系统的最终精度。微纳米精密测量系统中，当测量精度达到纳米量级，而测量范围达到毫米量程时，传统激光波长测量系统由于其原理所限，精度已难以胜任。提高激光波长的测量精度已成为无法回避的问题。

现有采用传统原理生产的波长测量仪测量的相对精度最高为1×10^-7，参见“光波长测量仪器的分类、原理及研究进展”，科技导报：第23卷第6期2005年6月。文献(in-linefiber-optic wavelength meter for sensing/monitoring application，LEO/EUROPE’94THURSDAY AFTERNOON)报道了采用光纤光学组件进行波长测量的新方法；文献(Near infraredwavemeter in polycrystalline germanium on silicon，Electronics Letters 2nd September1999 Vol.35 No.18)介绍了采用阵列式光电探测器分波段探测原理的波长测量新方法、文献(Wavelength measurement with a Young’s interferometer，Optical Engineering44(8)，083602(August 2005)介绍了采用杨氏干涉原理进行波长测量的新方法，以上各种基于新原理的新型波长测量系统，其相对测量精度可达1×10^-8。但建立这些新系统往往要求特殊的零件和工艺，要求很苛刻。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用外差干涉法对激光波长进行测量的方法及装置，即应用外差干涉原理获得高精度的激光波长测量值，同时使其具有结构紧凑，测量速度快等特点。

本发明的技术方案如下：

利用外差干涉法对激光波长进行测量的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将被测单频激光通过移频装置调制成偏振态互相垂直、光强相等，频差为Δf的双频激光，得到外差信号；

2)将标准双频激光和经步骤1)调制的被测激光分别分出一部分作为其自身外差干涉的参考光，通过探测器接收后，分别作为标准激光和被测激光的参考信号；被测激光与标准激光的其余部分作为各自的测量光耦合到同一外差干涉系统中进行外差干涉；

3)将被测激光与标准激光的外差干涉信号通过探测器接收后，分别作为被测激光与标准激光的外差干涉的测量信号；

4)将步骤2)中所述的标准激光和被测激光的参考信号和步骤3)中所述的标准激光和被测激光的测量信号通过相位计转换成被测激光和标准激光在干涉过程中的位相改变量；

5)通过公式 ${\mathrm{\λ}}_x=\frac{m_0+e_0}{m_1+e_1}\·{\mathrm{\λ}}_0$ 计算得到被测激光的波长值，其中m₀、e₀分别为标准光外差干涉信号相位的整、小数周期，λ₀为标准激光的波长值；m₁、e₁分别为被测光外差干涉信号相位的整、小数周期，λ_x为被测光波长值。

6)对系统误差进行修正得到修正后的被测光波长值。

本发明步骤1)中所述的被测单频激光的调制方法采用声光调制、电光调制、磁光调制、光栅调制、波片调制、压电陶瓷调制或赛曼效应分频。

在本发明的上述方法中，所述的外差干涉系统中被测光与标准光共光路。

本发明还提供了一种实施所述方法的装置，其特征在于：该装置包括移频装置，外差干涉系统和信号处理系统，所述的移频装置采用声光调制装置，所述的声光调制装置包括设置在被测光束中的半波片及偏振分光棱镜，在偏振分光棱镜分出的两束光中分别设置具有频差Δf的声光调制器，将调制后的两束光分别通过反射镜和偏振片合光到分光棱镜，在分光棱镜分出的一束光路中设置与两偏振方向均成45度的偏振片及探测器接收被测光外差干涉参考信号，另一束入射到外差干涉系统；所述的外差干涉系统包括被测光路和标准光路，所述的被测光路包括设置在被测光束中的输入光栏，偏振分光棱镜，分别设置在从偏振分光棱镜B点分出的两束光中的反射镜以及设置在该两个反射镜之间的活动反射镜，经反射后在偏振分光棱镜中A点合光，在合光后的光束中设置与两偏振方向均成45度的偏振片及探测器；所述的标准光路包括标准光双频激光器，设置在标准光光路中分光棱镜，在分光棱镜分出的一束光中设置与两偏振方向均成45度的偏振片及探测器接收标准光外差干涉参考信号，在另一束光中设置反射镜将标准光反射入偏振分光棱镜中A点且与被测光耦合，此反射光经过与被测光相同光路的传播后在偏振分光棱镜中的B点合光，在合光后光束中设置与两偏振方向均成45度的偏振片及探测器接收标准光外差干涉测量信号；所述的信号处理系统包括滤波放大电路和与该滤波放大电路的输出端相连的相位计。

本发明提供的另一种实施所述方法的装置，其特征在于：该装置包括移频装置，外差干涉系统和信号处理系统，所述的移频装置采用光栅调制装置，所述的光栅调制装置包括设置在被测光束中的半波片及偏振分光棱镜，在偏振分光棱镜分出的一束光中设置转动光栅，光栅调制后的光束以及另一束未进行光栅调制的光束中分别设置反射镜和偏振片合光到分光棱镜，分光棱镜分出的一束光中设置与两偏振方向均成45度的偏振片及探测器接收被测光外差干涉参考信号，另一束入射到外差干涉系统；所述的外差干涉系统包括被测光路和标准光路，所述的被测光路包括设置在被测光束中的输入光栏，偏振分光棱镜，分别设置在从偏振分光棱镜B点分出的两束光中的反射镜以及设置在该两个反射镜之间的活动反射镜，经反射后在偏振分光棱镜中A点合光，在合光后的光束中设置与两偏振方向均成45度的偏振片及探测器；所述的标准光路包括标准光双频激光器，设置在标准光光路中分光棱镜，在分光棱镜分出的一束光中设置与两偏振方向均成45度的偏振片及探测器接收标准光外差干涉参考信号，在另一束光中设置反射镜将标准光反射入偏振分光棱镜中A点且与被测光耦合，此反射光经过与被测光相同光路的传播后在偏振分光棱镜中的B点合光，在合光后光束中设置与两偏振方向均成45度的偏振片及探测器接收标准光外差干涉测量信号；所述的信号处理系统包括滤波放大电路和与该滤波放大电路的输出端相连的相位计。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：激光波长测量的外差干涉法方法和装置首次将外差干涉原理应用于波长测量系统，提高了波长测量精度，减小了干涉信号背景噪声的影响，系统相对简单易于构建。同时由于不需要传统波长测量中必须找到由标准激光和被测激光产生的两组脉冲正好重合的起点和终点两个位置，因此可以极大缩短干涉仪臂长变化量，使得系统结构紧凑，测量速度加快，减少测量过程中的干扰。

附图说明

图1为本发明提供的利用外差干涉法对激光波长进行测量装置的原理结构图。

图2为采用声光调制方法产生双频激光的原理结构图。

图3为采用转动光栅调制方法产生双频激光的原理结构图。

图中：1-半波片；2a、2b、2c-偏振分光棱镜；3-第一声光调制器；4-第二声光调制器5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h、5i-偏振片；6a、6b、6c、6d-探测器；7-输入光栏；8-双频激光器(参考光)；9-活动反射镜；10-分光棱镜；11a、11b、11c、11d、11e、1f、11g-反射镜；12-转动圆光栅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方法及装置作进一步的说明。

本发明提供的方法为：先将被测单频激光通过移频装置调整成偏振方向互相垂直、光强相等，频差为Δf的双频激光，得到外差信号，调制方法可采用声光调制、电光调制、磁光调制、光栅调制、波片调制、压电陶瓷调制或赛曼效应分频。将经过稳频的已知波长为λ₀的标准激光也形成双频激光(例如在标准激光器上加磁场，利用赛曼效应(Zeeman)使其发出的激光为双频激光)。将上述经过移频成为双频激光的标准激光和被测激光分别分出一部分作为其自身外差干涉的参考光，通过探测器接收后，作为外差干涉的参考信号；被测激光与标准激光的其余部分作为各自的测量光耦合到同一外差干涉系统中进行外差干涉；在干涉系统中被测激光与标准激光共光路以减小环境影响；经过干涉系统后得到的外差干涉信号由探测器接收，作为被测激光与标准激光外差干涉的测量信号。将标准激光和被测激光的外差干涉参考信号和外差干涉测量信号通过相位计得到标准波长激光和被测激光的位相改变量。比较两激光外差信号的位相改变量，可获得被测激光波长值。设干涉仪臂长变化过程中标准激光的干涉信号相位变化量为(m₀+e₀)·2π，而被测激光的的干涉信号相位变化量为(m₁+e₁)·2π，其中m₀、e₀分别为标准激光干涉信号的相位变化周期数的整数和小数部分，m₁、e₁分别为被测激光干涉信号相位变化周期数的整数和小数部分。由于标准波长激光和被测激光耦合到同一干涉仪，干涉仪臂长发生变化时，二者光程变化量相同，因此有：

(m₀+e₀)·λ₀＝(m₁+e₁)·λ_x

其中λ₀为标准激光的波长，λ_x为被测光波长。根据上式被测激光波长可写成：

${\mathrm{\λ}}_x=\frac{m_0+e_0}{m_1+e_1}\·{\mathrm{\λ}}_0$

其中m₀、e₀、m₁、e₁通过干涉信号相位测量测出，λ₀为标准激光的波长为已知数，由此可得到被测激光的波长。将此波长值进行系统误差修正得到最终被测激光波长值。

图1为本发明提供的利用外差干涉法对激光波长进行测量装置的原理结构图。该装置包括移频装置，外差干涉系统和信号处理系统，所述的移频装置可采用声光调制、电光调制、磁光调制、光栅调制、波片调制、压电陶瓷调制或赛曼效应分频。所述的外差干涉系统包括被测光路和标准光路，所述的被测光路包括设置在被测光束中的输入光栏7，偏振分光棱镜2b，分别设置在从偏振分光棱镜B点分出的两束光中的反射镜11b、反射镜11c以及设置在该两个反射镜之间的活动反射镜9，经反射后在偏振分光棱镜2b中A点合光，在合光后的光束中设置与两偏振方向均成45度的偏振片5e及探测器6b；所述的标准光路包括标准光双频激光器8，设置在标准光光路中分光棱镜10b，在分光棱镜分出的一束光中设置与两偏振方向均成45度的偏振片5d及探测器6c接收标准光外差干涉参考信号，在另一束光中设置反射镜11e将标准光反射入偏振分光棱镜2b中A点且与被测光耦合，此反射光经过与被测光相同光路的传播后在偏振分光棱镜2b中的B点合光，在合光后光束中设置与两偏振方向均成45度的偏振片5f及探测器6d接收标准光外差干涉测量信号；所述的信号处理系统包括滤波放大电路和与该滤波放大电路的输出端相连的相位计。

经过移频装置调制后成为双频激光的被测光，通过输入光栏7进入偏振分光棱镜2b。在偏振分光棱镜2b中B点分为两束偏振方向互相垂直带有频差Δf的偏振光。两束光分别通过反射镜11c、反射镜11d射入活动反射镜9，并再此反射到反射镜11c、反射镜11d，经由其反射回偏振分光棱镜2b，两束光在偏振分光棱镜2b中的A点合光，由两束光的偏振态可知合光后只有一束出射光。合光后的出射光通过一块与两偏振态均成45度的偏振片5e，使两个偏振态干涉，由探测器6b接收，作为被测光外差干涉的测量信号。

作为与被测激光进行对比的标准激光，由一个双频激光器8发出。标准激光为两个偏振方向互相垂直的双频激光，具有f_c的频差，频率稳定度高于10^-9。标准激光经过分光棱镜10b分为两束，其中一束通过一块与两偏振方向均成45度的偏振片5d，使两个偏振态干涉，由探测器6c接收，作为标准激光外差干涉的参考信号。另一束光通过反射镜11e反射到偏振分光棱镜2b中的A点，要求此反射光与经A点的被测光共光路。在A点标准激光分出两束偏振方向互相垂直，互相之间有f_c频差的偏振光。此两束光经过与被测激光相同的光路后在偏振分光棱镜2b的B点合光，由两束光的偏振态可知合光后只有一束出射光。合光后的出射光通过一块与两个偏振方向均成45度的偏振片5f，使两个偏振态干涉，由探测器6d接收，作为标准激光外差干涉的测量信号。

外差干涉信号相位探测系统先将被测激光与标准激光的参考信号和测量信号经过探测器转换为电信号。经过信号处理电路放大、滤波，输入相位计。在相位计中探测器6a、探测器6b接收到的被测光外差干涉的参考光干涉信号与测量光干涉信号进行比相，获得被测光外差干涉系统的相位。探测器6c、探测器6d接收到的标准光外差干涉的参考光干涉信号与测量光干涉信号进行比相，获得标准光外差干涉系统的相位。

当活动反射镜9在沿光路方向移动时，将使被测光与标准激光的干涉测量部分均产生相同的光程差，由此改变了被测光与标准激光测量信号的相位。通过计算机记录活动反射镜移动时相位计所得到的被测光与标准激光的相位变化量。换算成干涉信号的整、小数周期，通过公式 ${\mathrm{\λ}}_x=\frac{m_0+e_0}{m_1+e_1}\·{\mathrm{\λ}}_0$ 得到被测波长值。其中m₀、e₀分别为标准光拍波干涉信号的整、小数周期，λ₀为标准激光的光波长。m₁、e₁分别为被测光拍波干涉信号的整、小数周期，λ_x为被测光波长。

图2为采用声光调制方法产生双频激光的原理结构图。被测激光由于本身存在偏振态，因此先经过一个半波片1成为圆偏振光。圆偏振光经过偏振分光棱镜2a分为两束光强相等，偏振方向互相垂直的线偏振光。两束光分别经过具有频差为Δf的第一声光调制器3与第二声光调制器4进行频率移动，产生Δf的频差。调制后的两光束分别经过反射镜11a、反射镜11b反射后通过偏振片5a和偏振片5b使两束激光偏振方向互相垂直，然后进入分光棱镜10a合光，得到频差为Δf的双频激光。经过分光棱镜10a出来的两路光，其中一路通过与两个偏振方向均成45度的偏振片5c使两个偏振态发生干涉，干涉信号由探测器6a接收，作为被测光外差干涉的参考信号。另一路作为被测光外差干涉的测量光进入外差干涉系统。

图3为采用转动光栅调制方法产生双频激光的原理结构图。被测激光由于本身存在偏振态，因此先经过一个半波片1成为圆偏振光。圆偏振光经过偏振分光棱镜2c分为两束光强相等，偏振方向互相垂直的线偏振光。其中一束光经过转动圆光栅12使其频率改变Δf。之后两束光分别经过反射镜11g、反射镜11f反射后，通过偏振片使两束激光偏振方向互相垂直，然后进入分光棱镜10c合光，得到频差为Δf的双频激光。经过分光棱镜10c出来的两路光，其中一路通过一块与两个偏振方向均成45度的偏振片5i使两个偏振态发生干涉，干涉信号由探测器6a接收，作为被测光外差干涉的参考信号。另一路作为被测光外差干涉的测量光进入外差干涉系统。

由于测量过程中引入了系统误差，因此在得到被测光波长值后要进行系统误差修正。系统误差主要由移频时引入的误差及外差干涉系统中引入的误差组成。其中移频时引入的误差需根据所采取的移频方式进行计算，例如当采用声光调制实现移频时由于一对声光调制器对待测波长进行了整体的移频，因此需在被测光波长值换算成的被测光频率中减去移频所产生的系统误差。修正公式为： $f=f_0+\frac{f_{\mathrm{AOM}1}+f_{\mathrm{AOM}2}}{2}$ (其中f₀为未修正前的波长值换算成的频率值，f_AOM1、f_AOM2分别为两个声光调制器的调制频率)。

举例说明：假设通过测量得到的波长值为λ₀＝600.000000nm，一对声光调制器的调制频率为40MHz和40.8MHz，将λ₀＝600.000000nm换算成频率值为 $f_0=\frac{C}{{\mathrm{\λ}}_0}=\frac{299792458m/s}{600.000000\mathrm{nm}}=4.99654097\×{10}^{14}\mathrm{Hz}$ (其中C为光在真空中的速度)。经过修正公式修正：

$f=f_0+\frac{f_{\mathrm{AOM}1}+f_{\mathrm{AOM}2}}{2}=4.99654097\×{10}^{14}\mathrm{Hz}+\frac{4.00+4.08}{2}\×{10}^7\mathrm{Hz}=4.99654137\×{10}^{14}\mathrm{Hz}$ 将修正后的频率换算回波长值

$\mathrm{\λ}=\frac{c}{f}=\frac{299792458m/s}{4.99654137\×{10}^{14}\mathrm{Hz}}=599.999952\mathrm{nm}$

此结果修正了由声光调制器引起的系统误差。

修正外差干涉系统中的系统误差主要是修正空气折射率引起的误差。可按照常用的修正空气折射率的Edlen公式进行修正。Edlen公式为：

(n-1)_s＝[8342.13+2406030(130-σ²)^-1+15997(38.9-σ²)^-1]×10^-8

${(n-1)}_{\mathrm{tp}}=\frac{P{(n-1)}_s}{720.775}\×\frac{1+P(0.817-0.0133t)\×{10}^{-6}}{(1+0.03661t)}$

n_tpf-n_tp＝-f(5.7224-0.0457σ²)×10^-8

经过上述修正后的结果为被测激光的最终测量波长值。

Claims (5)

1.利用外差干涉法对激光波长进行测量的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将被测单频激光通过移频装置调制成偏振态互相垂直、光强相等，频差为Δf的双频激光，得到外差信号；

2)将标准双频激光和经步骤1)调制的被测激光分别分出一部分作为其自身外差干涉的参考光，通过探测器接收后，分别作为标准激光和被测激光的参考信号；被测激光与标准激光的其余部分作为各自的测量光耦合到同一外差干涉系统中进行外差干涉；

3)将被测激光与标准激光的外差干涉信号通过探测器接收后，分别作为被测激光与标准激光的外差干涉的测量信号；

4)将步骤2)中所述的标准激光和被测激光的参考信号和步骤3)中所述的标准激光和被测激光的测量信号通过相位计转换成被测激光和标准激光在干涉过程中的位相改变量；

5)通过公式 ${\mathrm{\λ}}_x=\frac{m_0+e_0}{m_1+e_1}\·{\mathrm{\λ}}_0$ 计算得到被测激光的波长值，其中m₀和e₀分别为标准激光干涉信号的相位变化周期数的整数和小数部分，λ₀为标准激光的波长值；m₁和e₁分别为被测激光干涉信号相位变化周期数的整数和小数部分，λ_x为被测光波长值；

6)对系统误差进行修正得到修正后的被测光波长值。

2.按照权利要求1所述的利用外差干涉法对激光波长进行测量的方法，其特征在于：步骤1)中所述的被测单频激光的调制方法采用声光调制、电光调制、磁光调制、光栅调制、波片调制、压电陶瓷调制或赛曼效应分频。

3.按照权利要求1所述的利用外差干涉法对激光波长进行测量的方法，其特征在于：所述的外差干涉系统中被测光与标准光共光路。

4.一种实施如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：该装置包括移频装置，外差干涉系统和信号处理系统，所述的移频装置采用声光调制装置，所述的声光调制装置包括设置在被测光束中的半波片(1)及偏振分光棱镜(2a)，在偏振分光棱镜分出的两束光中分别设置具有频差Δf的声光调制器(3、4)，将调制后的两束光分别通过反射镜(11a、11b)和偏振片(5a、5b)合光到分光棱镜(10a)，在分光棱镜(10a)分出的一束光路中设置与两偏振方向均成45度的偏振片(5c)及探测器(6a)接收被测光外差干涉参考信号，另一束入射到外差干涉系统；所述的外差干涉系统包括被测光路和标准光路，所述的被测光路包括设置在被测光束中的输入光栏(7)，偏振分光棱镜(2b)，分别设置在从偏振分光棱镜B点分出的两束光中的反射镜(11b、11c)以及设置在该两个反射镜之间的活动反射镜(9)，经反射后在偏振分光棱镜(2b)中A点合光，在合光后的光束中设置与两偏振方向均成45度的偏振片(5e)及探测器(6b)；所述的标准光路包括标准光双频激光器(8)，设置在标准光光路中分光棱镜(10b)，在分光棱镜分出的一束光中设置与两偏振方向均成45度的偏振片(5d)及探测器(6c)接收标准光外差干涉参考信号，在另一束光中设置反射镜(11e)将标准光反射入偏振分光棱镜(2b)中A点且与被测光耦合，此反射光经过与被测光相同光路的传播后在偏振分光棱镜(2b)中的B点合光，在合光后光束中设置与两偏振方向均成45度的偏振片(5f)及探测器(6d)接收标准光外差干涉测量信号；所述的信号处理系统包括滤波放大电路和与该滤波放大电路的输出端相连的相位计。

5.一种实施如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：该装置包括移频装置，外差干涉系统和信号处理系统，所述的移频装置采用光栅调制装置，所述的光栅调制装置包括设置在被测光束中的半波片(1)及偏振分光棱镜(2c)，在偏振分光棱镜分出的一束光中设置转动光栅(12)，光栅调制后的光束以及另一束未进行光栅调制的光束中分别设置反射镜(11f、11g)和偏振片(5g、5h)合光到分光棱镜(10c)，分光棱镜(10c)分出的一束光中设置偏振片(5i)及探测器(6a)接收被测光外差干涉参考信号，另一束入射到外差干涉系统；所述的外差干涉系统包括被测光路和标准光路，所述的被测光路包括设置在被测光束中的输入光栏(7)，偏振分光棱镜(2b)，分别设置在从偏振分光棱镜B点分出的两束光中的反射镜(11b、11c)以及设置在该两个反射镜之间的活动反射镜(9)，经反射后在偏振分光棱镜(2b)中A点合光，在合光后的光束中设置偏振片(5e)及探测器(6b)；所述的标准光路包括标准光双频激光器(8)，设置在标准光光路中分光棱镜(10b)，在分光棱镜分出的一束光中设置偏振片(5d)及探测器(6c)接收标准光外差干涉参考信号，在另一束光中设置反射镜(11e)将标准光反射入偏振分光棱镜(2b)中A点且与被测光耦合，此反射光经过与被测光相同光路的传播后在偏振分光棱镜(2b)中的B点合光，在合光后光束中设置偏振片(5f)及探测器(6d)接收标准光外差干涉测量信号；所述的信号处理系统包括滤波放大电路和与该滤波放大电路的输出端相连的相位计。

Images