CN101413783A - 双频激光干涉测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双频激光干涉测量装置。装置包括三个部分，包括光源分光光路部分、测量光路部分及相位差90°接收信号部分。光源分光光路将入射光源分成两束有频差的激光，进入测量光路部分；经测量反射镜和参考反射镜两次反射实现光学倍程后，被相位差90°接收信号部分的光电接收器接收。本发明采用了声光移频装置，使测量光和参考光从一开始就分开，避免频率混叠；此干涉仪还采用偏振分光、偏振接收技术，因而能够得到对比度好，细分精度高的干涉信号。

Description

双频激光干涉测量装置
技术领域
本发明涉及一种高精度大量程的双频激光干涉测量装置。
背景技术
目前，在单频激光干涉中，单模稳频氦-氖气体激光器光源，所使用的是光源本身的偏振特性，在干涉仪中光束不可避免地要经过一系列的反射、折射，在这个过程中偏振状态均要发生变化，如果两支干涉光束的偏振状况不一样，干涉条纹的对比度就会降低，而且激光器发出的光能量也得不到充分利用，还会残留有害的背景光。另外，这类干涉仪对外界条件的变化敏感，由于大气的衍射、折射，光的波阵面要发生倾斜，致使干涉条纹数少于波阵面平行时的最佳条纹数。由于光学元件的模向移动，激光光强的变化，条纹信号的漂移都会造成计数误差，在用于高倍细分、提高仪器分辨率又保证仪器精度的可靠性时，上述因素将成为严重的障碍。为此，在单频激光干涉中常采用以差分信号为基础的除去直流分量的补救方法。然而，在这里用于差分处理的信号是由光束的不同部分产生的，在长距离测量中，每一个光束所经过的空间不同，环境条件的影响也各异，条纹定位的精确性仍然受到限制。因此，应用稳频纵向或横向塞曼氦-氖气体激光器作光源的双频干涉仪大受重视，主要原因是外差干涉容易实现高倍电子细分，提高分辨力，抗干扰能力较强。但测量精度要求纳米级时，应用纵向或横向塞曼氦-氖激光器又无法避免双频干涉仪的混频问题，外差干涉仪的非线性就显得过大，主要原因是纵向、横向塞曼氦-氖气体激光器辐射的激光偏振态不理想或不稳定，再加上光路光学元件性能不理想、调整不善，使偏振干涉光路中两种频率的光不能彻底分开，形成了较大的周期误差，这些误差往往达到几纳米，甚至超过10nm，且不能通过调整光路消除。
发明内容
本发明的目的是提供一种光路调整精度高的双频干涉测量装置。本发明的技术解决方案是，装置包括三个部分，包括光源分光光路部分、测量光路部分及相位差90°接收信号部分，光源分光光路中依次安放分光棱镜，直角反射镜、声光调制器和、准直器，入射光源被分成两束有频差的激光，进入测量光路部分；测量光路部分中分别依次放入偏振分光棱镜、直角反射镜1/4波片，经测量反射镜和参考反射镜两次反射实现光学倍程后，被光电接收器接收；相位差90°接收信号部分依次置入1/2波片、分光棱镜、1/4波片、分光棱镜、偏振片和光电接收器。
光源分光光路部分中的分光棱镜为消偏振分光棱镜。
被分光棱镜分开的两束光分别进入有频差的声光调制器和中，选择两声光调制器的一级衍射光，产生有固定频差的两束线偏振光。
声光调制器、准直器后依次为偏振分光棱镜、1/4波片，使光源分开的两束光分两次入射到测量反射镜和参考反射镜得到参考光的拍频信号。
声光调制器调制出光频不同的两束激光，经准直器后的两个偏振分光棱镜，使每束频率的光分别分成振动状态相互垂直的两束线偏振光，其中频率不同、偏振方向相同的激光互相拍频得到双频干涉仪的参考信号。
1/4波片的快轴呈45°角放置，入射的线偏振光经过1/4波片后成为圆偏振光，被反射镜反射后，再次经过1/4波片后，转换成与入射线偏振光振动方向相互垂直的线偏振光，经过偏振分光棱镜后两次通过参考反射镜和测量反射镜，实现光学四倍程。
相位差90°接收信号部分从偏振分光棱镜中得到两束偏振方向相同的两束线偏振光，其中的一束线偏振光通过1/2波片转换成与原偏振态相互垂直的线偏振光，经过1/4波片转换成旋向相反的两束圆偏振光，再经过消偏振分光棱镜分成两束混合与偏振态旋向相反的圆偏振光，两束光分别经过偏振片被光电接收器接收。
1/2波片快轴呈45°角放置，使入射的线偏振光经过1/2波片后成为与原偏振态相互垂直的线偏振光。
1/4波片快轴呈45°角放置，使入射的线偏振光经过1/4波片后成为圆偏振光。
两个偏振片的通光轴呈45°角放置，实现参考信号相位差为90°。
本发明与现有技术相比所具有的优点和效果是，本发明采用了两个声光调制器做为声光移频装置，使测量光和参考光从一开始就分开，避免了频率混叠；此干涉仪还采用偏振分光、偏振接收技术，因而能够得到对比度好，细分精度高的干涉信号；此干涉仪对光程差进行倍增，区别于通过电路对干涉信号进行细分，对于高精度干涉测量来说，环境条件的变化是影响测量精度的重要因素，而对光程差进行倍增，具有直接将长度信息变成多倍光程差的优点，这有助于提高干涉仪的抗干扰能力和测量精度。本发明采用光学倍程、共光路、等光程、光学方法实现参考信号相位差90°的接收信号，并且避免频率混叠的双频激光干涉测量系统装置。
附图说明
图1为本发明组成结构示意图；
图2为本发明光源分光光路部分结构示意图；
图3为本发明测量光路部分结构示意图；
图4为本发明相位差90°接收信号部分结构示意图。
具体实施方式
装置包括三个部分，包括光源分光光路部分1、测量光路部分2及相位差90°接收信号部分3，光源分光光路1中依次安放分光棱镜1-2，直角反射镜1-3、声光调制器1-4和1-5、准直器1-6和1-7，入射光源被分成两束有频差的激光，进入测量光路部分2；测量光路部分2中分别依次放入偏振分光棱镜2-1、2-2和2-8、消偏振分光棱镜2-10、直角反射镜2-9、1/4波片2-3和2-7，经测量反射镜2-5和参考反射镜2-4及2-6两次反射实现光学倍程后，被光电接收器2-11接收；相位差90°接收信号部分3依次置入1/2波片3-1、分光棱镜3-2、1/4波片3-3、分光棱镜3-3、偏振片3-5及3-6和光电接收器3-7及3-8。
光源分光光路部分1中的分光棱镜1-2为消偏振分光棱镜。
被分光棱镜1-2分开的两束光分别进入有频差的声光调制器1-4和1-5中，选择两声光调制器的一级衍射光，产生有固定频差的两束线偏振光。
声光调制器1-4和1-5、准直器1-6和1-7后依次为偏振分光棱镜2-1、2-2和2-8、消偏振分光棱镜2-10、1/4波片2-3和2-7，使光源分开的两束光分两次入射到测量反射镜2-5和参考反射镜2-4及2-6得到参考光的拍频信号。
声光调制器1-4和1-5调制出光频不同的两束激光，经准直器1-6和1-7后的偏振分光棱镜2-1，使每束频率的光分别分成振动状态相互垂直的两束线偏振光，其中频率不同、偏振方向相同的激光互相拍频得到双频干涉仪的参考信号。
1/4波片2-3的快轴呈45°角放置，入射的线偏振光经过1/4波片2-3后成为圆偏振光，被反射镜2-4和2-5反射后，再次经过1/4波片2-3后，转换成与入射线偏振光振动方向相互垂直的线偏振光，经过偏振分光棱镜2-8后通过参考反射镜2-6和测量反射镜2-5，实现光学四倍程。
相位差90°接收信号部分3从偏振分光棱镜2-1中得到两束偏振方向相同的两束线偏振光，其中的一束线偏振光通过1/2波片3-1转换成与原偏振态相互垂直的线偏振光，经过1/4波片3-3转换成旋向相反的两束圆偏振光，再经过消偏振分光棱镜3-4分成两束混合与偏振态旋向相反的圆偏振光，两束光分别经过偏振片3-5和3-6被光电接收器3-7和3-8接收。
1/2波片3-1快轴呈45°角放置，使入射的线偏振光经过1/2波片3-1后成为与原偏振态相互垂直的线偏振光。
1/4波片3-3快轴呈45°角放置，使入射的线偏振光经过1/4波片3-3后成为圆偏振光。
两个偏振片3-5和3-6的通光轴呈45°角放置，实现参考信号相位差为90°。
所述的光源分光装置1由高频率稳定性高偏振度的氦氖激光器1-1发出的激光经过消偏振分光棱镜1-2分成两束光，一束光被消偏振分光棱镜1-2反射到声光调制器1-4，一束光被消偏振分光棱镜1-2透射，透射光被直角棱镜1-3反射到声光调制器1-5，两束偏振态相同的激光经过声光调制器1-5衍射后取其一级衍射光，变成偏振态相同频率不同的两束激光，两束激光分别经过光纤准直器1-6和1-7形成光斑直径约为3mm的两束准直激光，通过转动准器1-6和1-7来改变光的电矢量的振动方向，使电矢量的振动方向与图3的偏振分光镜2-1的偏振轴(偏振轴垂直于干涉台面)成45°。
测量光路部分2是实现光学四倍程的光学装置。
实现光学四倍程的光学装置，包括三个偏振分光棱镜2-1、2-2、2-8和一个消偏振分光棱镜2-10，偏振分光棱镜2-1处，光束L被分解成强度相等的垂直和水平两个正交的线偏振分量LV和LH。参考光束LV被偏振分光面反射至参考信号的接收光路，被偏振分光棱镜2-1透射的LH两束激光进入下一个偏振分光棱镜2-2，由于经过偏振分光棱镜2-1透射的偏振态的光经过偏振分光棱镜2-2全部被透射，进入1/4波片2-3，由于1/4波片2-3的快轴与偏振分光棱镜2-2透射光通光轴方向相差45°，所以入射的线偏振光经过1/4波片2-3后变成圆偏振光，不同频率的圆偏振光分别入射到参考反射镜2-4和测量反射镜2-5，被参考反射镜2-4和测量反射镜2-5反射后，按原光路返回，经过1/4波片2-3后，其偏振方向由圆偏振光变成线偏振光且振动方向与入射线偏振光入射方向垂直，由于偏振态的改变使得再次返回到偏振分光棱镜2-2的线偏振光被偏振分光棱镜2-2的分光面全部反射，入射到偏振分光镜2-8后，仍然被偏振分光镜2-8的分光面全部反射，入射到1/4波片2-7后，变成圆偏振光，同理，不同频率的光被参考反射镜2-6测量反射镜2-5反射后，再次经过1/4波片2-7，被偏振分光棱镜2-8的分光面全部透射，由直角反射镜2-9反射到消偏振分光棱镜2-10，由消偏振分光棱镜2-10的分光面和反射面分别反射后，两个不同频率的激光会合，携带测量信息的信号被光电接收器2-11接收。
图4为利用光学方法实现相位差90°接收信号部分3。
振动方向相同频率不同的两束参考光进入相位差90°接收信号部分3后，一束频率的光直接入射到偏振分光棱镜3-2并被分光面反射，另一束频率的激光通过一个1/2波片3-1入射到偏振分光棱镜3-2，其中1/2波片3-1的特征是该波片快轴与X轴方向的夹角为45°，使通过该1/2波片3-1的频率的激光与另一频率的激光的偏振态相互垂直，这样通过1/2波片3-1的线偏振光在偏振分光棱镜3-2的分光面被透射，被偏振分光棱镜3-2的镀反射膜的反射面反射，两束光在偏振分光棱镜3-2处会合后，进入1/4波片3-3，形成旋向相反两束圆偏振光，再经过消偏振分光棱镜3-4，被消偏振分光棱镜3-4分光后分别进入偏振片3-5和偏振片3-6，偏振片3-5和偏振片3-6的特征是，两个偏振片的通光轴方向相差45°，这样经过偏振片3-5和偏振片3-6出来的两束光的相位差为90°，并被接收器3-7和接收器3-8分别接收。

Claims (10)

1、一种双频激光干涉测量装置，其特征在于，装置包括三个部分，包括光源分光光路部分(1)、测量光路部分(2)及相位差90°接收信号部分(3)，光源分光光路(1)中依次安放分光棱镜(1-2)，直角反射镜(1-3)、声光调制器(1-4)和(1-5)、准直器(1-6)和(1-7)，入射光源被分成两束有频差的激光，进入测量光路部分(2)；测量光路部分(2)中分别依次放入偏振分光棱镜(2-1)、(2-2)、(2-8)和消偏振分光棱镜(2-10)、直角反射镜(2-9)、1/4波片(2-3)和(2-7)，经测量反射镜(2-5)和参考反射镜(2-4)及(2-6)两次反射实现光学倍程后，被光电接收器(2-11)接收；相位差90°接收信号部分(3)依次置入1/2波片(3-1)、分光棱镜(3-2)、1/4波片(3-3)、分光棱镜(3-3)、偏振片(3-5)及(3-6)和光电接收器(3-7)及(3-8)。
2、根据权利要求1所述的双频激光干涉测量装置，其特征在于，光源分光光路部分(1)中的分光棱镜(1-2)为消偏振分光棱镜。
3、根据权利要求1所述的一种高精度大量程双频激光干涉测量装置，其特征在于，被分光棱镜(1-2)分开的两束光分别进入有频差的声光调制器(1-4)和(1-5)中，选择两声光调制器的一级衍射光，产生有固定频差的两束线偏振光。
4、根据权利要求1所述的双频激光干涉测量装置，其特征在于，声光调制器(1-4)和(1-5)、准直器(1-6)和(1-7)后依次为偏振分光棱镜(2-1)、(2-2)、(2-8)和消偏振分光棱镜(2-10)、1/4波片(2-3)和(2-7)，使光源分开的两束光分两次入射到测量反射镜(2-5)和参考反射镜(2-4)及(2-6)得到参考光的拍频信号。
5、根据权利要求4所述的双频激光干涉测量装置，其特征在于，声光调制器(1-4)和(1-5)调制出光频不同的两束激光，经准直器(1-6)和(1-7)后的偏振分光棱镜(2-1)，使每束频率的光分别分成振动状态相互垂直的两束线偏振光，其中频率不同、偏振方向相同的激光互相拍频得到双频干涉仪的参考信号。
6、根据权利要求4所述的双频激光干涉测量装置，其特征在于，1/4波片(2-3)的快轴呈45°角放置，入射的线偏振光经过1/4波片(2-3)后成为圆偏振光，被反射镜(2-4)和(2-5)反射后，再次经过1/4波片(2-3)后，转换成与入射线偏振光振动方向相互垂直的线偏振光，经过偏振分光棱镜(2-8)后通过参考反射镜(2-6)和测量反射镜(2-5)，实现光学四倍程。
7、根据权利要求1所述的双频激光干涉测量装置，其特征在于，相位差90°接收信号部分(3)从偏振分光棱镜(2-1)中得到两束偏振方向相同的两束线偏振光，其中的一束线偏振光通过1/2波片(3-1)转换成与原偏振态相互垂直的线偏振光，经过1/4波片(3-3)转换成旋向相反的两束圆偏振光，再经过消偏振分光棱镜(3-4)分成两束混合与偏振态旋向相反的圆偏振光，两束光分别经过偏振片(3-5)和(3-6)被光电接收器(3-7)和(3-8)接收。
8、根据权利要求7所述的双频激光干涉测量装置，其特征在于，1/2波片(3-1)快轴呈45°角放置，使入射的线偏振光经过1/2波片(3-1)后成为与原偏振态相互垂直的线偏振光。
9、根据权利要求7所述的双频激光干涉测量装置，其特征在于，1/4波片(3-3)快轴呈45°角放置，使入射的线偏振光经过1/4波片(3-3)后成为圆偏振光。
10、根据权利要求7所述的双频激光干涉测量装置，其特征在于，两个偏振片(3-5)和(3-6)的通光轴呈45°角放置，实现参考信号相位差为90°。
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