CN101533096B - 基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法与装置 - Google Patents
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Abstract
基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法与装置属于激光应用技术领域；在绝对距离测量和相对位移测量中，本方法均使用同一个稳频激光器作为测量光源，通过偏振旋转器的控制及声光移频器的波长调谐作用，实现绝对距离测量和相对位移动态测量的有机融合，同时满足超长距离精密测量和局部位移快速超精密监测的要求；本装置包括由声光移频器A和声光移频器B、反射镜A和反射镜B、频率控制单元A和频率控制单元B、偏振旋转器、偏振分光镜B、部分分光器构成的激光波长分裂与合成单元；本发明具有兼顾超长距离超精密测量能力及一体化构成等优点。
Description
技术领域
本发明属于激光应用技术领域，特别是一种基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法与装置。
背景技术
双频激光干涉仪适用于低速和准静态的局部位移测量场合，无法满足超大尺寸精密测量和局部位移快速超精密实时监测场合的需求。美国惠普公司HP5527系列和ZYGO公司ZMI系列双频激光干涉仪用于相对位移的超精密测量，这种激光测量系统在进行长度测量时，必须借助一条沿测量方向的导轨，使得激光干涉仪在一些场合下的应用受到了限制，并且其位移测量范围一般不超过40m，适用于低速和准静态的局部位移测量场合。由中国计量科学院和陕西机械学院研制了我国国产双频激光干涉仪样机，相对位移测量范围为60m，测量精度为0.5×10-6，成都工具研究所也生产出配有补偿空气状态参数装置的双频激光干涉仪，但两者均仅适合于静态和准静态的测量场合，不能完成快速超精密位移监测或绝对距离测量。
为了解决绝对距离测量的问题，美国API、Faro和瑞士Leica公司开发了激光跟踪仪，其无需任何导轨可实现60m范围内的绝对距离和相对位移精密测量，但其相对位移测量的精度一般只能达到μm量级，同时其位移测量速度为1KHz不能实现真正的实时测量。在绝对距离干涉测量中，合成波长法是常用的方法之一，其采用的光源要能同时发射两个或多个稳定的波长，一般是通过一个或多个激光器实现，由于采用多波长激光器或多个单波长激光器作为光源，波长间隔是固定值，只能得到固定的某些合成波长，为了得到合适的合成波长而增加激光器个数，会使系统变得复杂，多个激光器发出光束的同轴度不易保证。专利DE 19522262描述了一种系统，该系统有两个激光光源，以产生合成波长，尽管对干涉仪的结构稳定性以及目标距离的稳定性要求不高，但系统结构复杂。
发明内容
为了克服上述已有技术中的不足，本发明提出了一种基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法与装置，达到同时满足超长距离精密测量和局部位移快速超精密监测的目的。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法，该方法包括以下步骤：
(1)开启并预热稳频激光器，直至输出中心频率稳定为f的激光，激光光束经偏振分光镜B分光获得两正交线偏振光，分别进入移频频率为f1和f2的声光移频器A和声光移频器B进行移频，控制单元判断测量系统的工作状态，利用开关控制电压改变偏振旋转器的偏振旋转作用来控制激光偏振态，最终获得光频率分别为f+f1和f+f2、具有偏振态相同或正交的两线偏振光；
(2)精密调节反射镜A和反射镜B，使声光移频器A和声光移频器B出射的两线偏振光以相互垂直的形式汇聚到部分分光器分光面的同一点上，两光束的大部分能量形成一束合成双频偏振光并经激光扩束准直器后输出，另一小部分能量被外置光电探测器A接收形成参考信号；
(3)合成双频偏振光经过激光扩束准直器成为平行光进入光学干涉镜组，绝对距离测量过程中，呈平行偏振态的测量光全部通过偏振分光镜A转换为圆偏振光，该圆偏振光经过1/4波片B，被测量棱镜反射后再次通过1/4波片B转换为垂直偏振光，经偏振分光镜A反射被外置光电探测器B接收形成测量信号，绝对距离激光测量单元检测出测量信号和参考信号的相位差，获得绝对距离L，同时数据融合单元清零；
(4)相对位移测量过程中，呈正交线偏振态的双频激光被偏振分光镜A分解为参考光和测量光，两光分别经过1/4波片A和1/4波片B，经参考棱镜和测量棱镜分别反射后再次通过1/4波片A和1/4波片B到达偏振分光镜A，在外置光电探测器B处产生外差干涉形成测量信号，相对位移干涉测量单元实时监测测量信号和参考信号相位差的变化值，获得相对位移ΔL；
(5)数据融合单元清零后，先由绝对距离激光测量单元得到绝对距离L，再由相对位移干涉测量单元得到实时监测的相对位移ΔL，数据融合单元利用绝对距离L和相对位移ΔL计算得出最终测距结果L+ΔL。
基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法，其光源在相对位移测量和绝对距离测量中均使用同一个稳频激光器作为测量光源。通过改变声光移频器A和声光移频器B中移频信号的频率差来合成绝对位移测量所需的一系列具有50um～100um等效波长的双频激光，以及相对位移测量所需的具有0～20MHz频差的双频激光。利用偏振旋转器控制激光偏振态，可分别获得绝对距离测量所需的具有相同线偏振方向的双频激光，以及相对位移测量所需的具有正交线偏振方向的双频激光。绝对距离测量过程中双频激光同时射向测量棱镜并被测量棱镜所反射，而相对位移测量过程中双频激光中一种频率的激光射向测量棱镜并被测量棱镜所反射，而另外一种频率的激光射向参考棱镜并被参考棱镜所反射。绝对距离测量过程和相对位移测量过程中，双频激光均在外置光电探测器A和外置光电探测器B处产生拍频干涉。
一种基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距装置，包括稳频激光器、激光扩束准直器、光学干涉镜组、外置光电探测器A和外置光电探测器B、绝对距离激光测量单元、相对位移干涉测量单元、控制单元、数据融合单元；激光波长分裂与合成单元配置在稳频激光器与激光扩束准直器之间，该激光波长分裂与合成单元分别与控制单元和外置光电探测器A直接连接；激光波长分裂与合成单元由声光移频器A和声光移频器B、反射镜A和反射镜B、频率控制单元A和频率控制单元B、偏振旋转器、偏振分光镜B、部分分光器构成，在稳频激光器的输出光路上设置偏振分光镜B，其分光面与稳频激光器的输出光路成45°，在偏振分光镜B的透射方向上放置声光移频器A，反射方向上放置反射镜B，反射镜B的输出光路上设置声光移频器B，声光移频器A和声光移频器B的输出受频率控制单元A和频率控制单元B的控制，在声光移频器A和声光移频器B的输出与部分分光器之间分别放置反射镜A和偏振旋转器。
本发明具有以下特点及良好效果：
1、针对传统激光测量方法无法同时实现绝对距离测量和相对位移超精密测量的问题，通过偏振旋转控制器件和声光移频器件实现了满足两种测量系统的光源设计上的有机融合，并同时满足超长距离精密测量和局部位移快速超精密监测的要求，这是传统双频激光干涉仪所不具备的。使用单一激光器作为光源在简化测距系统结构的同时，保证了输出激光光束的高同轴度，同时降低了整套系统的成本，显著提高了性价比，这是本发明区别于现有技术的创新点之一；
2、通过偏振旋转器的控制及声光移频器的波长调谐作用，对稳频激光器的输出光进行分光并分别进行声光移频和偏振旋转控制，形成具有相同或正交线偏振态和不同波长的双频激光，其波长取决于两次声光移频的差值，偏振态由偏振旋转器控制。使用声光移频器可以实现大频差范围内的连续移频，只要选择合适的波长间隔就可以组成一系列由大到小的虚拟合成波长链，完成绝对距离由粗测到精测的整个过程，这是本发明区别于现有技术的创新点之二；
3、测量系统根据工作状态来控制测量系统的光源和信号处理单元的切换，从而有序地获取、融合绝对距离测量和相对位移监测的测量数据，该切换由控制单元自动实现，操作简便，这是本发明区别于现有技术的创新点之三。
附图说明
图1为基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距系统装置结构示意图
图2为绝对距离测量时激光波长分裂与合成单元结构示意图
图3为绝对距离测量时光学干涉镜组中的光路示意图
图4为相对位移测量时激光波长分裂与合成单元结构示意图
图5为相对位移测量时光学干涉镜组中的光路示意图
图中，1稳频激光器、2控制单元、3激光波长分裂与合成单元、4激光扩束准直器、5偏振分光镜A、6参考棱镜、71/4波片A、81/4波片B、9光学干涉镜组、10测量棱镜、11外置光电探测器A、12外置光电探测器B、13绝对距离激光测量单元、14数据融合单元、15相对位移干涉测量单元、16偏振分光镜B、17频率控制单元A、18声光移频器A、19反射镜A、20部分分光器、21偏振旋转器、22频率控制单元B、23声光移频器B、24反射镜B
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
如图1所示，开启电源，稳频激光器1进行预热，采用双纵模热稳频原理进行激光稳频控制，直至稳频激光器1输出中心频率为f的稳定激光光束；稳频激光进入激光波长分裂与合成单元3，由控制单元2判断测量系统的工作状态，选择绝对距离测量模式或相对位移测量模式，在绝对距离测量模式下，测量光源输出两种具有相同线偏振态和不同波长的双频激光，其波长将取决与两次声光移频的差值，偏振态由偏振旋转器控制。改变两次声光移频的差值，则同偏振态的双频激光将合成一系列具有50um～100um等效波长的激光波长链，通过波长链的有序组合，并结合高精度相位测量方法，可实现100m范围内绝对距离的精密测量。对稳频激光器1的输出光进行偏振分光并分别进行声光移频，形成具有两种正交线偏振态和具有0～20MHz频差的双频激光，此正交双频激光被用于双频激光相对位移干涉测量。
绝对距离测量和相对位移测量均使用同一个稳频激光器1，经过激光波长分裂与合成单元3合成高同轴度的单束激光，其一小部分能量被外置光电探测器A11接收形成参考信号，大部分能量经激光扩束准直器4成为平行光进入光学干涉镜组9，绝对距离测量过程中，呈平行偏振态的测量光全部通过偏振分光镜A5，经过1/4波片B8转换为圆偏振光，该圆偏振光经测量棱镜10反射后再次通过1/4波片B8转换为垂直偏振光，经偏振分光镜A5反射被外置光电探测器B12接收形成测量信号，绝对距离激光测量单元13检测出测量信号和参考信号的相位差，获得绝对距离L，同时数据融合单元清零；相对位移测量过程中，呈正交线偏振态的双频光被偏振分光镜A5分解为参考光和测量光，两光分别经过1/4波片A7和1/4波片B8，经参考棱镜6和测量棱镜10反射后再次通过1/4波片A7和1/4波片B8到达偏振分光镜A5，在外置光电探测器B12处产生外差干涉形成测量信号，相对位移干涉测量单元15实时监测参考信号和测量信号相位差的变化值，获得相对位移ΔL。数据融合单元14清零后，先由绝对距离激光测量单元13得到绝对距离L，再由相对位移干涉测量单元15得到实时监测的相对位移ΔL，利用绝对距离L和相对位移ΔL计算得出最终测距结果L+ΔL。
一种基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距装置，包括稳频激光器1、激光扩束准直器4、光学干涉镜组9、外置光电探测器A11和外置光电探测器B12、绝对距离激光测量单元13、相对位移干涉测量单元15、控制单元2、数据融合单元14；激光波长分裂与合成单元3配置在稳频激光器1与激光扩束准直器4之间，该激光波长分裂与合成单元3分别与控制单元2和外置光电探测器A11直接连接。光学干涉镜组9由偏振分光镜A5、参考棱镜6、1/4波片A7、1/4波片B8、测量棱镜10构成。
如图2和图4所示，激光波长分裂与合成单元3由声光调制器A18和声光调制器B23、反射镜A19和反射镜B24、频率控制单元A17和频率控制单元B22、偏振旋转器21、偏振分光镜B16、部分分光器20组成，在稳频激光器1的输出光路上设置偏振分光镜B16，其分光面与稳频激光器1的输出光路成45°，在偏振分光镜B16的输出光方向上放置声光移频器A18，透射方向上放置反射镜B24，反射镜B24的输出光路上设置声光移频器B23，声光移频器A18和声光移频器B23的输出受频率控制单元A17和频率控制单元B22的控制，在声光移频器A18和声光移频器B23的输出与部分分光器20之间分别放置反射镜A19和偏振旋转器21。
如图2所示，稳频激光器1发出45°单频偏振光，该单频光经过偏振分光镜B16分光，获得两线偏振光分别进入移频频率为f1和f2的声光移频器A18和声光移频器B23进行移频，声光移频器A18和声光移频器B23出射光的频率分别变为f+f1和f+f2；控制单元2判断测量系统的工作状态，选择绝对距离测量模式，通过开关控制电压改变偏振旋转器21的偏振旋转作用控制一路线偏振光的偏振态，使移频后的两束激光具有相同的线偏振态；精密调节反射镜A19和反射镜B24，使两束激光汇聚到部分分光器20分光面的同一点上，两光束的大部分能量形成一束合成双频激光输出，另一小部分能量形成参考信号。在绝对距离测量状态下可控制偏振旋转器21获得合成波长为c/(f1-f2)的线偏振光，改变两声光移频的差值，可获得绝对位移测量所需的系列激光波长链。
如图3所示，由激光波长分裂与合成单元3获得同偏振态的双频激光，改变声光移频的差值，则同偏振态的双频激光将合成一系列具有50um～100um等效波长的激光波长链，经过扩束准直进入光学干涉镜组9。呈平行偏振态的测量光全部通过偏振分光镜A5，经过1/4波片B8转换为圆偏振光，该圆偏振光经测量棱镜10反射后再次通过1/4波片B8转换为垂直偏振光，经偏振分光镜A5反射，在外置光电探测器B12处产生拍频干涉形成测量信号。绝对距离测量过程中双频激光同时射向测量棱镜10并被测量棱镜10所反射。
如图4所示，稳频激光器1发出45°单频偏振光，该单频光经过偏振分光镜B16分光，获得两线偏振光分别进入移频频率为f1和f2的声光移频器A18和声光移频器B23进行移频，声光移频器A18和声光移频器B23出射光的频率分别变为f+f1和f+f2；控制单元2判断测量系统的工作状态，选择相对位移测量模式，通过开关控制电压改变偏振旋转器21的偏振旋转作用控制一路线偏振光的偏振态，使移频后的两束激光具有正交的线偏振态；精密调节反射镜A19和反射镜B24，使两束激光汇聚到部分分光器20分光面的同一点上，两光束的大部分能量形成一束合成双频激光输出，另一小部分能量形成参考信号。在相对位移干涉测量状态下可控制偏振旋转器21获得频差为f1-f2的正交线偏振双频激光。
如图5所示，由激光波长分裂与合成单元3获得频率差为f1-f2的正交线偏振双频激光，经过扩束准直进入光学干涉镜组9。呈正交线偏振态的双频激光被偏振分光镜A5分解为参考光和测量光，参考光呈垂直偏振态，测量光为水平偏振态，两光分别经过1/4波片A7和1/4波片B8形成圆偏振光，参考光形成右旋偏振光，测量光形成左旋偏振光，经参考棱镜6和测量棱镜10反射后再次通过1/4波片A7和1/4波片B8转换为线偏振光，参考光转换为水平偏振态，测量光转换为垂直偏振态，仍呈正交线偏振态的双频激光光到达偏振分光镜A5，在外置光电探测器B12处产生外差干涉形成测量信号。相对位移测量过程中双频激光中一种频率的激光射向测量棱镜10并被测量棱镜10所反射，而另外一种频率的激光射向参考棱镜6并被参考棱镜6所反射。
Claims (5)
1.一种基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)开启并预热稳频激光器，直至输出中心频率稳定为f的激光，激光光束经偏振分光镜B分光获得两正交线偏振光，分别进入移频频率为f1和f2的声光移频器A和声光移频器B进行移频，控制单元判断测量系统的工作状态，利用开关控制电压改变偏振旋转器的偏振旋转作用来控制激光偏振态，最终获得光频率分别为f+f1和f+f2、具有偏振态相同或正交的两线偏振光；
(2)精密调节反射镜A和反射镜B，使声光移频器A和声光移频器B出射的两线偏振光以相互垂直的形式汇聚到部分分光器分光面的同一点上，两光束的大部分能量形成一束合成双频偏振光并经激光扩束准直器后输出，另一小部分能量被外置光电探测器A接收形成参考信号；
(3)合成双频偏振光经过激光扩束准直器成为平行光进入光学干涉镜组，绝对距离测量过程中，呈平行偏振态的测量光全部通过偏振分光镜A转换为圆偏振光，该圆偏振光经过1/4波片B，被测量棱镜反射后再次通过1/4波片B转换为垂直偏振光，经偏振分光镜A反射被外置光电探测器B接收形成测量信号，绝对距离激光测量单元检测出测量信号和参考信号的相位差，获得绝对距离L，同时数据融合单元清零；
(4)相对位移测量过程中，呈正交线偏振态的双频激光被偏振分光镜A分解为参考光和测量光，两光分别经过1/4波片A和1/4波片B，经参考棱镜和测量棱镜分别反射后再次通过1/4波片A和1/4波片B到达偏振分光镜A，在外置光电探测器B处产生外差干涉形成测量信号，相对位移干涉测量单元实时监测两信号相位差的变化值，获得相对位移ΔL；
(5)数据融合单元清零后，先由绝对距离激光测量单元得到绝对距离L，再由相对位移干涉测量单元得到实时监测的相对位移ΔL，数据融合单元利用绝对距离L和相对位移ΔL计算得出最终测距结果L+ΔL。
2.根据权利要求1所述的基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法，其特征在于其光源在相对位移测量和绝对距离测量中均使用同一个稳频激光器作为测量光源。
3.根据权利要求1所述的基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法，其特征在于通过改变声光移频器A和声光移频器B中移频信号的频率差来合成绝对位移测量所需的一系列具有50um～100um等效波长的双频激光，以及相对位移测量所需的具有0～20MHz频差的双频激光。
4.根据权利要求1所述的基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距方法，其特征在于绝对距离测量过程和相对位移测量过程中，双频激光均在外置光电探测器A和外置光电探测器B处产生拍频干涉。
5.一种基于偏振态调控与波长合成的双频激光测距装置，包括稳频激光器(1)、激光扩束准直器(4)、光学干涉镜组(9)、外置光电探测器A(11)和外置光电探测器B(12)、绝对距离激光测量单元(13)、相对位移干涉测量单元(15)、控制单元(2)、数据融合单元(14)；其特征在于激光波长分裂与合成单元(3)配置在稳频激光器(1)与激光扩束准直器(4)之间，该激光波长分裂与合成单元(3)分别与控制单元(2)和外置光电探测器A(11)直接连接；激光波长分裂与合成单元(3)由声光移频器A(18)和声光移频器B(23)、反射镜A(19)和反射镜B(24)、频率控制单元A(17)和频率控制单元B(22)、偏振旋转器(21)、偏振分光镜B(16)、部分分光器(20)构成，其中，在稳频激光器(1)的输出光路上设置偏振分光镜B(16)，其分光面与稳频激光器的输出光路成45°，在偏振分光镜B(16)的透射方向上放置声光移频器A(18)，反射方向上放置反射镜B(24)，反射镜B(24)的输出光路上设置声光移频器B(23)，声光移频器A(18)和声光移频器B(23)的输出受频率控制单元A(17)和频率控制单元B(22)的控制，在声光移频器A(18)和声光移频器B(23)的输出与部分分光器(20)之间分别放置反射镜A(19)和偏振旋转器(21)。
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