CN101071058A - 一种光学干涉测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学干涉测量装置及其方法。激光器产生的相干光束经过第一半透半反分束器分成两个相干光束，其中一个相干光束经过第一反射镜的移动产生一个相位变化，另一个相干光束经过第二反射镜进入相位调制组件，然后两个相干光束经过的半透半反分束器输出两个干涉光束，两个干涉光束经过探测器的探测变成电信号，电信号经过第一差分器和相关仪器实现对相位变化的测量。本发明利用特殊设计的赝随机相位序列实现干涉测量中相位灵敏度的提高。只需要一般的相干光源以及线性光学元件，在引力波探测、微纳米位移测量、光纤陀螺和光纤声纳探测等领域具有重要的应用前景。

Description

一种光学干涉测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及利用光学干涉原理实现的精密测量领域，尤其涉及一种光学干涉测量装置及其方法。

背景技术

精密测量是一项在科学研究和工业生产中具有极其重要意义的技术，其中基于光学干涉原理实现的精密测量尤其得到广泛应用。这种干涉测量的基本原理非常简单，利用分束器将一束相干光分为两束，其中一束作为参考光，另一束经过相位调制器产生一个相位差，这个相位调制器与待测的物理量有关，然后两束光重新汇聚，由于相位差的产生，汇聚到一起的两束光发生干涉，输出的光强随着相位差变换而变化，这样通过光强的测量就能够获得相位差的值，进而获得待测物理量的值。由于光波的相位非常敏感，因此这样测得的物理量可以实现非常高的精度。因此，目前许多的精密测量是利用光学干涉方法来实现的，例如引力波探测、微纳米位移测量、光纤陀螺和光纤声纳探测等。虽然不同的测量系统采用不同的干涉仪，如马赫-增德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、Sagnac干涉仪等，但这些干涉仪的基本原理都是基本相同的。

由于受到量子力学测不准原理的限制，这种基于光学干涉的测量都存着一个标准的量子力学测量精度极限，也就是相位测量的误差Δθ必定大于等于N^-1/2，其中N为光场的平均光子数。这主要是由于测量采用的激光光源属于相干态，对相干态光强测量的起伏等于其平均光强的1/2次方，即N^-1/2，而根据测不准原理，相位和光强(与光子数有关)是测量精度上相互制约的物理量，因此相位测量精度受制于光强的大小。由于受到测量精度的限制，要提高相位测量的灵敏度只能提高测量的光功率。由于激光器的功率有限并且在一些特殊应用中光功率受到限制，因此有必要提出一种新的提高干涉测量相位灵敏度的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学干涉测量装置及其方法。

光学干涉测量装置它包括激光器、第一反射镜、第一半透半反分束器、第二反射镜、相位调制组件、第一探测器、第一差分器、相关器，激光器产生的相干光束经过第一半透半反分束器分成两个相干光束，其中一个相干光束经过第一反射镜的移动产生一个相位变化，另一个相干光束经过第二反射镜进入相位调制组件，然后两个相干光束经过的半透半反分束器输出两个干涉光束，两个干涉光束经过探测器的探测变成电信号，电信号经过第一差分器和相关器实现对相位变化的测量。

所述的相位调制组件是一个带有光锁相环控制单元的相位调制机构，它包括分束器、第二半透半反分束器、第二探测器、第二差分器、放大器、环路滤波器、控制信号发生器、赝随机码产生器、相位调制器，相干光束经过相位调制器前后的两个分束器的作用，产生的两个相干光束经过第二半透半反分束器输出两个干涉光束，两个干涉光束经过第二探测器的探测变成电信号，电信号经差分器，放大器、环路滤波器产生一个控制信号，控制信号和赝随机码产生器产生的赝随机码序列经过控制信号发生器产生一个驱动信号对相位调制器进行驱动。

光学干涉测量方法包括如下步骤：

1)将一个取样周期划分为N个时隙；

2)将每个时隙划分为M个相位单元，这些相位单元中的相位均匀分布在[0，2π]范围；

3)N个时隙中随机变化的相位形成N个长度为M的赝随机序列{_j ⁱ，(i＝1...N，j＝1...M)}；

4)第N个时隙的相位随机序列满足：

所述的赝随机码序列是一种最大长度线性反馈移位序列，即M-序列。

本发明利用特殊设计的赝随机相位序列实现干涉测量中相位灵敏度的提高。本发明只需要一般的相干光源(如激光)以及线性光学元件，因此在实现上比其他方案要容易得到多，在引力波探测、微纳米位移测量、光纤陀螺和光纤声纳探测等领域具有重要的应用前景。

附图说明

图1是光学干涉测量装置结构示意图；

图2是测量时序、相位序列以及光强序列之间的关系图；

图3是带有光锁相环控制单元的相位调制组件的一种实施例示意图；

图中：激光器1、第一反射镜2、第一半透半反分束器3、第二反射镜4、相位调制组件5、第一探测器6、第一差分器7、相关器8、分束器9、第二半透半反分束器10、第二探测器11、第二差分器12、放大器13、环路滤波器14、控制信号发生器15、赝随机码产生器16、相位调制器17。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

一般的Michelson干涉仪工作原理如下：由激光器1产生的相干光源通过一个分束器形成两个干涉臂，其中一个臂上安装相位传感单元，相位传感单元可以是移动的反射镜2，也可以通过其他方法来实现。而另外一个作为参考臂。当两个臂的相干光再次干涉时，两臂的相位差会导致输出光强的变化，通过探测器6测得的光强，最后利用光强与相位之间的关系得到相位的变化。

如图1所示，光学干涉测量装置包括激光器1、第一反射镜2、第一半透半反分束器3、第二反射镜4、相位调制组件5、第一探测器6、第一差分器7、相关器8，激光器1产生的相干光束经过第一半透半反分束器3分成两个相干光束，其中一个相干光束经过第一反射镜2的移动产生一个相位变化，另一个相干光束经过第二反射镜4进入相位调制组件5，然后两个相干光束经过的半透半反分束器3输出两个干涉光束，两个干涉光束经过探测器6的探测变成电信号，电信号经过第一差分器7和相关器8实现对相位变化的测量。本发明在结构上与一般的Michelson干涉仪不同是在干涉仪的参考臂上设置了一个相位调制器组件5。

如图3所示，相位调制组件5是一个带有光锁相环控制单元的相位调制机构，它包括分束器9、第二半透半反分束器10、第二探测器11、第二差分器12、放大器13、环路滤波器14、控制信号发生器15、赝随机码产生器16、相位调制器17，相干光束经过相位调制器17前后的两个分束器9的作用，产生的两个相干光束经过第二半透半反分束器10输出两个干涉光束，两个干涉光束经过第二探测器11的探测变成电信号，电信号经差分器12，放大器13、环路滤波器14产生一个控制信号，控制信号和赝随机码产生器16产生的赝随机码序列经过控制信号发生器15产生一个驱动信号对相位调制器17进行驱动。

为了减小相位调制引起的误差，本发明采用一个包含光锁相环控制单元的相位调制组件来产生相位序列。在相位调制器17前后分别用分束器9将部分光分出，然后经过第二半透半反分束器10的干涉输出两路光信号，这两路信号的光强与相位调制器产生的相位误差有关，经过第二探测器11接收得到电信号，信号经过差分器12和放大器13输入到环路滤波器14中，经过环路滤波之后，将得到一个与相位误差有关的环路反馈信号。为了抑制相位误差，将环路反馈信号送入控制信号产生器产生一个与相位误差变化相反的控制信号。这一控制信号和赝随机信号产生器16产生的赝随机信号序列一起输入到控制信号产生器中，最后控制信号产生器产生的相位调制器所需要的驱动信号，而这一驱动信号使得相位调制器产生的相位变化正是我们所需要的赝随机相位序列，而且误差被控制到最小。这样，相位误差的大小光锁相环的环路带宽决定，根据目前的技术水平可以减小30dB甚至更多。因此这种方法非常有利于提高相位测量的灵敏度和精确度。

光学干涉测量方法包括如下步骤：

1)将一个取样周期划分为N个时隙；

2)将每个时隙划分为M个相位单元，这些相位单元中的相位均匀分布在[0，2π]范围；

3)N个时隙中随机变化的相位形成N个长度为M的赝随机序列{_j ⁱ(i＝1...N，j＝1...M)}；

4)第N个时隙的相位随机序列满足：

所述的赝随机码序列是一种最大长度线性反馈移位序列，即M-序列。

下面我们详细介绍这种光学干涉测量方法如何提高Michelson干涉仪的相位测量灵敏度。对于一个信号，我们选取其中的一个取样周期T_s进行研究。首先，我们将这一个取样周期划分为N个时隙，然后将每个时隙划分为M个相位单元，这些相位单元中的相位均匀分布在[0，2π]范围内随机变化。这样，N个时隙中随机变化的相位形成N个长度为M的随机序列{_j ⁱ，(i＝1...N，j＝1...M)}，这种时隙与相位单元的关系如图2所示。为了使得这些随机相位变化产生的干扰消失，我们将第N个时隙的相位随机序列设定为：

由于这些随机相位的作用，我们通过光探测器在每一个相位单元内得到的输出光强差为：

其中i＝1...N，j＝1...M。为了得到相位差θ的信息，我们对这N个光强差序列{I_j ⁱ}进行相关分析，得到相关函数为：

${\⟨I\⟩}_N=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{I}_j^i\right]$

由方程(1)得到

这样我们得到：

其中 共有2^N-1项，而且每一项中都包含有随机相位_j ⁱ，这些项求和结果的上限为2^N-1。进一步，利用最大长度线性反馈移位序列(M-序列)方法生成N个赝随机相位序列可以完全消除这些求和项，产生的方法如下：先给出一个n阶的生成多项式，利用循环移位的方法可以产生2ⁿ-1个不同的长度为2ⁿ-1的赝随机序列(序列每个单元的取值分别为0或者1)，然后从这些序列中选出N-1个长度为M＝2ⁿ的序列(在序列的最后增加一个0或者1使得序列中的0和1的个数完全相等)。然后将这些序列中的0分别交替地映射为0和π，而将1分别交替地映射为π/2和3π/2。最后利用方程(1)产生出第N个序列。这样得到的N个长度为M的赝随机相位序列可以完全消除方程(4)中的求和项。最后，我们得到相关函数为：

${\⟨I\⟩}_N=2{\left(\frac{N_p}{2\mathrm{MN}}\right)}^N\cos \left(\mathrm{N\θ}\right)---\left(5\right)$

由相关函数和相位差θ之间的关系可以看出，干涉仪的相位探测灵敏度提高为原来的N倍。

本领域的技术人员将会清楚，可以对本发明的基于多模波导中光场横向模式的干涉测量仪进行各种改变和改进，而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明旨在包括不超出权力说明书范围的各种改变和改进以及它们的等同物。

Claims (4)

1.一种光学干涉测量装置，其特征在于它包括激光器(1)、第一反射镜(2)、第一半透半反分束器(3)、第二反射镜(4)、相位调制组件(5)、第一探测器(6)、第一差分器(7)、相关器(8)，激光器(1)产生的相干光束经过第一半透半反分束器(3)分成两个相干光束，其中一个相干光束经过第一反射镜(2)的移动产生一个相位变化，另一个相干光束经过第二反射镜(4)进入相位调制组件(5)，然后两个相干光束经过的半透半反分束器(3)输出两个干涉光束，两个干涉光束经过探测器(6)的探测变成电信号，电信号经过第一差分器(7)和相关器(8)实现对相位变化的测量。

2.如权利要求1所述的一种光学干涉测量装置，其特征在于所述的相位调制组件(5)是一个带有光锁相环控制单元的相位调制机构，它包括分束器(9)、第二半透半反分束器(10)、第二探测器(11)、第二差分器(12)、放大器(13)、环路滤波器(14)、控制信号发生器(15)、赝随机码产生器(16)、相位调制器(17)，相干光束经过相位调制器(17)前后的两个分束器(9)的作用，产生的两个相干光束经过第二半透半反分束器(10)输出两个干涉光束，两个干涉光束经过第二探测器(11)的探测变成电信号，电信号经差分器(12)，放大器(13)、环路滤波器(14)产生一个控制信号，控制信号和赝随机码产生器(16)产生的赝随机码序列经过控制信号发生器(15)产生一个驱动信号对相位调制器(17)进行驱动。

3.一种使用如权利要求1所述装置的光学干涉测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将一个取样周期划分为N个时隙；

2)将每个时隙划分为M个相位单元，这些相位单元中的相位均匀分布在[0，2π]范围；

3)N个时隙中随机变化的相位形成N个长度为M的赝随机序列{_j ⁱ，(i＝1...N，j＝1...M)}；

4)第N个时隙的相位随机序列满足：

4.如权利要求3所述的一种光学干涉测量方法，其特征在于所述的赝随机码序列是一种最大长度线性反馈移位序列，即M-序列。

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