CN101832821B - 基于合成波长的激光波长测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于合成波长的激光波长测量方法及装置。选用一个波长稳定度较高的激光器作为参考激光器，参考激光器的光束和待测激光器的光束被调制为正交线偏振光后，入射同一迈克尔逊干涉仪，分别形成各自的干涉信号。当迈克尔逊干涉仪中的测量臂移动时，参考光和待测光的干涉信号的相位关系将发生变化，当这两路干涉信号的相位差变化2π时对应于测量臂移动半个由参考光和待测光形成的合成波长的位移。通过检测两路干涉信号两次同时过零点位置便可测得合成波长值，根据待测激光波长和参考激光波长与合成波长之间的关系，即可得到待测激光的波长值。本发明具有较强的环境抗干扰能力，波长测量精度可以达到10^-8以上，成本低，易于实用化。

Description

基于合成波长的激光波长测量方法及装置

技术领域

本发明涉及激光波长测量方法及装置，尤其是涉及一种基于合成波长的激光波长测量方法及装置。

背景技术

在激光技术研究及应用领域，激光波长的准确值是一个非常重要的参数。在几何测量技术领域，大量地采用激光器作为相干光源测量位移、速度、角度、平面度及直线度等几何量，因此精确地检测激光器的波长是保证这些几何量测量准确性和量值溯源的关键。在光谱学领域，要把可调谐激光器调谐至需要的波长，也必需一种精密、快速的激光波长测量装置。另外在光频标研究领域，对光频标本身的波长或频率值的测量也是必需的，光频标波长或频率的精确值是保证其他计量结果准确性的关键。

目前，国内外采用干涉技术进行激光波长测量的方法主要有法布里-珀罗干涉型、斐索干涉型和迈克尔逊干涉型。法布里-珀罗波长计是利用光束通过两块镀以高反射率、间距一定的玻璃板时产生多光束干涉的现象进行待测激光波长的测量，测量精度能达到10^-7，但是测量波长范围较窄。斐索波长计是一种薄膜双光束干涉，入射光进入标准具后其前后两个反射面返回两束光，并产生干涉条纹，最终由接收面光强分布及干涉级次可测得入射光的波长，测量精度受光学器件性能、机械振动和温度变化影响较大。迈克尔逊波长计是通过计算参考光和待测光的干涉条纹数之比来求得待测光的波长，即N_R/N_U＝λ_U/λ_R(其中，N_R是参考激光的干涉条纹数，N_U是待测激光的干涉条纹数，λ_U为待测激光的波长，λ_R为参考激光的波长)，该方法能达到10^-7～10^-8的测量精度，但是为了提高测量精度，必须增加干涉条纹的计数值或者采用条纹细分的方法以测量条纹的小数部分，这会使测量系统结构复杂，而且成本高。

发明内容

针对精密测量、激光光谱和光频标研究等技术领域需要高精度的波长，本发明的目的在于提供的一种基于合成波长的激光波长测量方法及装置，是通过检测参考激光波长和待测激光波长形成的合成波长值来实现对待测激光波长的测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于合成波长的激光波长测量方法：

参考激光器和待测激光器的光束经各自的检偏器后，成为正交线偏振光，入射到迈克尔逊干涉仪，形成各自的干涉信号分别由两个探测器接收；当迈克尔逊干涉仪中的测量臂移动时，参考光和待测光的干涉信号的相位关系将发生变化；当这两路干涉信号相位差变化2π时，对应于测量臂移动半个合成波长的位移；因此，通过检测这两路干涉信号的两次同时过零点的位置，便能测得合成波长值，根据待测激光波长λ_U和参考激光波长λ_R与合成波长λ_S之间的关系，即能得到待测激光的波长为：

${\mathrm{\λ}}_U=\frac{{\mathrm{\λ}}_S{\mathrm{\λ}}_R}{{\mathrm{\λ}}_S\±{\mathrm{\λ}}_R}.$

二、一种基于合成波长的激光波长测量装置：

参考激光器输出的光束经过透振方向平行于纸面的第一检偏器后成为平行于纸面的线偏振光λ_R，射向第一偏振分光镜；待测激光器输出的光束经过透振方向垂直于纸面的第二检偏器后成为垂直于纸面的线偏振光λ_U，经反射镜反射后射向第一偏振分光镜；线偏振光λ_R透过第一偏振分光镜后和线偏振光λ_U经第一偏振分光镜反射后，合成一束正交线偏振光，入射到由分光镜、第一角锥棱镜和第二角锥棱镜组成的迈克尔逊干涉仪，形成各自的干涉信号，经第二偏振分光镜分光后，分别由第一探测器和第二探测器接收；通过检测两路干涉信号两次同时过零点位置便能测得合成波长值，根据待测激光波长和参考激光波长与合成波长之间的关系，即能得到待测激光的波长值。

本发明具有的有益效果是：

(1)将待测激光波长的测量转换成易于检测的测量臂移动位移(即合成波长)的测量，而不是测量参考激光λ_R干涉条纹数和待测激光λ_U干涉条纹数的比值，该方法易于实现。

(2)待测光束和参考光束遵循共光路原则，可抑制环境因素对测量结果的影响，具有较强的环境抗干扰能力，因此，测量精度高，可以达到10^-8以上。

(3)结构简单，低成本且易于实用化。

附图说明

图1是基于合成波长的激光波长测量原理图。

图2是λ_R与λ_U干涉信号相位差与第二角锥棱镜移动位移关系示意图。

图中：1.参考激光器，2.第一检偏器，3.待测激光器，4.第二检偏器，5.反射镜，6.第一偏振分光镜，7.第一角锥棱镜，8.分光镜，9.第二角锥棱镜，10.第二偏振分光镜，11.第一探测器，12.第二探测器，V(λ_R)表示参考激光器的干涉信号波形，V(λ_U)表示待测激光器的干涉信号波形。

具体实施方式

基于合成波长的激光波长测量方法及装置，如附图1所示，参考激光器1输出的光束经过透振方向平行于纸面的第一检偏器2后成为平行于纸面的线偏振光λ_R，射向第一偏振分光镜6；待测激光器3输出的光束经过透振方向垂直于纸面的第二检偏器4后成为垂直于纸面的线偏振光λ_U，经反射镜5反射后射向第一偏振分光镜6；线偏振光λ_R透过第一偏振分光镜6后和线偏振光λ_U经第一偏振分光镜6反射后，合成一束正交线偏振光，入射到由分光镜8、第一角锥棱镜7和第二角锥棱镜9组成的迈克尔逊干涉仪，形成各自的干涉信号，经第二偏振分光镜10分光后，分别由第一探测器11和第二探测器12接收；通过检测两路干涉信号两次同时过零点位置便能测得合成波长值，根据待测激光波长和参考激光波长与合成波长之间的关系，即能得到待测激光的波长值。

记L₀为迈克尔逊干涉仪中参考光路和测量光路的光路差，两个探测器接收的干涉信号的相位差分别为

由以上二式可得：

式中λ_S为参考光λ_R和待测光λ_U形成的合成波长：

${\mathrm{\λ}}_S=\frac{{\mathrm{\λ}}_R{\mathrm{\λ}}_U}{|{\mathrm{\λ}}_R-{\mathrm{\λ}}_U|}---\left(4\right)$

当第二角锥棱镜9即迈克尔逊干涉仪的测量臂移动位移L＝λ_S/2时，公式(3)变成：

即：

公式(3)和(5)表明：两路干涉信号相位差变化2π对应于第二角锥棱镜9移动位移L＝λ_S/2，即可据此求得合成波长的值：

λ_S＝2·L                (6)

上式的具体实施是：参考光λ_R和待测光λ_U的干涉信号相位差与第二角锥棱镜9的移动位移之间的变化关系如附图2所示，假设第二角锥棱镜9从A点开始移动，初始相位差

即λ_R和λ_U干涉信号同时过零，当第二角锥棱镜9到达B点时两路干涉信号再次同时过零，相位差

再次为0，此时两路干涉信号相位差变化恰好是2π，第二角锥棱镜9在A点与B点之间移动的位移即为λ_S/2。因此，通过检测两路干涉信号两次同时过零点的位置，可以得出合成波长λ_S的值，即公式(6)。

根据公式(4)可得待测激光器的波长为：

${\mathrm{\λ}}_U=\frac{{\mathrm{\λ}}_S{\mathrm{\λ}}_R}{{\mathrm{\λ}}_S\±{\mathrm{\λ}}_R}---\left(7\right)$

将公式(6)求出的λ_S和已知的参考激光器的波长λ_R代入公式(7)，就可以求出待测激光器的波长。

至此完成本发明。

Claims (2)

1.一种基于合成波长的激光波长测量方法，其特征在于：参考激光器和待测激光器的光束经各自的检偏器后，成为正交线偏振光，入射到迈克尔逊干涉仪，形成各自的干涉信号分别由两个探测器接收；当迈克尔逊干涉仪中的测量臂移动时，参考光和待测光的干涉信号的相位关系将发生变化；当这两路干涉信号相位差变化2π时，对应于测量臂移动半个合成波长的位移；因此，通过检测这两路干涉信号的两次同时过零点的位置，便能测得合成波长值，根据待测激光波长λ_U和参考激光波长λ_R与合成波长λ_S之间的关系，即能得到待测激光的波长为：

${\mathrm{\λ}}_U=\frac{{\mathrm{\λ}}_S{\mathrm{\λ}}_R}{{\mathrm{\λ}}_S\±{\mathrm{\λ}}_R}.$

2.按权利要求1所述方法的一种基于合成波长的激光波长测量装置，其特征在于：参考激光器(1)输出的光束经过透振方向平行于纸面的第一检偏器(2)后成为平行于纸面的线偏振光λ_R，射向第一偏振分光镜(6)；待测激光器(3)输出的光束经过透振方向垂直于纸面的第二检偏器(4)后成为垂直于纸面的线偏振光λ_U，经反射镜(5)反射后射向第一偏振分光镜(6)；线偏振光λ_R透过第一偏振分光镜(6)后和线偏振光λ_U经第一偏振分光镜(6)反射后，合成一束正交线偏振光，入射到由分光镜(8)、第一角锥棱镜(7)和第二角锥棱镜(9)组成的迈克尔逊干涉仪，形成各自的干涉信号，经第二偏振分光镜(10)分光后，分别由第一探测器(11)和第二探测器(12)接收；通过检测两路干涉信号两次同时过零点位置便能测得合成波长值，根据待测激光波长和参考激光波长与合成波长之间的关系，即能得到待测激光的波长值。

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