CN102252764A - 激光波长实时测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光波长实时测量装置，其包括：一参考激光器，其发出特定波长的参考激光；一待测激光器，其发出待测激光；一第一偏振分光棱镜，对所述参考激光和待测激光进行偏振分光，分光后的光束经角锥棱镜反射回第一偏振分光棱镜；一消偏振分光棱镜，用于将从第一偏振分光棱镜中出射的参考激光或待测激光分成两束状态相同的光；所述两束状态相同的光通过一偏振分光棱镜进行偏振分光；多路光电探测元件，对经过所述偏振分光棱镜分光的光束进行检测，电测系统，根据所述多路光电探测元件的测量信号来确定所述待测激光波长的相位和瞬态激光波长值。本发明的高精密实时波长计在测量原理上独特、新颖，在系统硬件组成上也有许多改变、完善之处，提高了激光光功率的利用效率，改善了波长计抗干扰能力。

Description

激光波长实时测量装置

技术领域

本发明涉及一种波长测量装置，更具体地，涉及一种利用迈克尔逊干涉原理对待测激光器的波长进行实时检测和检定的测量装置。

背景技术

激光波长作为测量基准值，被广泛应用于长度、角度、速度、平面度、直线度和垂直度等多种物理量的测量，是精密计量、精密机械和微电子工业领域重要的测量参数，而精确地测量波长大小和稳定性是保证测量准确性和量值溯源的关键。

对于波长可变化的激光器来说，如可调谐半导体激光器，在使用时事前不能确定其输出波长，具体的地说、可调谐激光器可以利用其调谐结构在很宽的波长范围内调节其输出光的波长，而半导体激光器则在改变其工作参数时，输出光的波长会发生改变，而这些激光器在进行调节后，其波长会发生改变，在精密测量中，通常需要知道该些激光器的精确的输出波长值，有必要对其波长进行重新标定和测量。另外，对于大多数的激光器在维修以后，也必须对其输出波长进行重新标定。因此，对激光器的激光波长进行准确测量具有重要意义。

在激光波长测量中，采用激光波长干涉方法是最实用、最精确和最可行的波长测试技术。干涉测量的原理主要是基于未知波长激光与已知波长激光干涉图的精密比较，通过对干涉图形的比较实现由已知激光器对待测激光器的波长的标定。

光波长测量仪器按照测量原理分类，主要有斐索(Fizeau)干涉型、法布里-泊罗(Fabry-Perot)干涉型和迈克尔逊(Michelson)干涉型三种。其中，迈克尔逊型波长计相较另外两种波长计具有更高的测量精度，其具体的测量过程为：如附图1所示，参考光源输出光束1，经过反射镜R3进入分光镜P，在此点分成透射光1′和反射光1″，透射光1′经过反射镜R1，进入可动的角锥棱镜C1，其反射光线经过R1反射回到分光镜P的B处，有一部分穿过分光镜，射出光栏；同时反射光1″经过反射镜R2和角锥棱镜C2后，也返回到分光镜P的B处，光束1′和1″在B点汇合，发生干涉，由光探测器D1接收，作为参考信号。待测光由光栏射入，形成干涉条纹的过程与参考光相同，待测光分光点在B处，合光点在A处，干涉信号由光探测器D2接收，作为待测信号。待测光由光栏射入，与射出的参考光调整至重合，当角锥棱镜C1移动时，参考光和待测光分别产生光程差，发生干涉现象，由光探测器D1和D2接收、并转化为电信号，经过信号细分和计数电路分别获得参考光和待测光干涉条纹数变化数。如果角锥棱镜C1移动的距离为L则有：

λ_xN₁＝λ₀N₂＝L        (1)

其中λ_x为待测激光波长；λ₀为参考激光波长，为已知量；N₁和N₂为待测光和参考光干涉条纹数变化数，于是利用式(1)得到了待测激光的波长值。尽管利用上述传统的光路结构能够获得待测激光的波长值，然而，随着科学技术的发展，对更高精度的测量要求条件下，需要提供能够显示更高精度的波长测量要求的波长测量装置。在传统的迈克尔逊型波长计的光路结构中，存在光束的有效利用率低，干涉信号的信噪比低，通过对干涉条纹的条纹数目的变化来测量波长值，测量精度相对较低，且存在无法实时得到激光波长的相位和波长值的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用迈克尔逊干涉原理对激光器波长进行实时检测和检定的装置，即利用干涉原理获得高精度的激光波长测量值。本发明的测量装置具有光路结构紧凑、能够实时获得波长的相位和数值等优点。

为达到上述目的，本发明提供了一种激光波长实时测量装置，其包括：

一参考激光器，其发出特定波长的参考激光；

一待测激光器，其发出待测激光；

一第一偏振分光棱镜，对所述参考激光和待测激光进行偏振分光，分光后的光束经角锥棱镜反射回第一偏振分光棱镜；

一消偏振分光棱镜，用于将从第一偏振分光棱镜中出射的参考激光或待测激光分成两束状态相同的光；

其特征在于：所述两束状态相同的光通过一偏振分光棱镜进行偏振分光；多路光电探测元件，对经过所述偏振分光棱镜分光的光束进行检测，电测系统，根据所述多路光电探测元件的测量信号来确定所述待测激光波长的相位和瞬态激光波长值。

其中，所述角锥棱镜包括可移动的角锥棱镜和固定角锥棱镜，调节所述可移动的角锥棱镜的位置，在示波器上观测参考激光和待测激光从第一偏振分光镜出射的光束信号，使参考激光和待测激光的波形在任意时刻相位都相同，则该可移动的角锥棱镜的位置为所述测量装置的零相位位置。

其中，在该测量装置中进一步包括有多个四分之一波片、至少一个半波片和至少一个反射镜。

其中，在所述参考激光器和待测激光器中具有偏振调节元件，使所述参考激光和所述待测激光均为线偏振光。

其中，入射到第一偏振分光棱镜的所述参考激光和待测激光均为圆偏振光。

其中，参考激光和待测激光以相互垂直的方向从第一偏振分光棱镜中出射。

其中，采用四路光电探测元件分别对参考激光或待测激光的光束干涉信号进行探测，其中所述光电探测元件为光电二极管。

其中，所述电测系统中包括有滤波放大模块和计数器，用于对光电探测元件探测到的光束干涉信号进行分析处理。

其中，所述消偏振分光棱镜包括第一消偏振分光棱镜和第二消偏振分光棱镜，所述第一消偏振分光棱镜对应参考激光光路，所述第二消偏振分光棱镜对应待测激光光路。

其中，参考激光光路中所述两束状态相同的光通过第二偏振分光棱镜进行偏振分光；待测激光光路中所述两束偏振状态相同的光通过第三偏振分光棱镜进行偏振分光。

附图说明

图1迈克尔逊波长计结构

图2激光波长实时测量装置的光路结构示意图

图3干涉信号随着直流量变化的漂移示意图

图4参考激光光路零相位光路结构示意图

图5待测激光光路零相位光路结构示意图

具体实施方式

为了方便说明，结合附图和具体的实施例对本发明进行进一步的解释。其中针对于同一结构的元件，为了便于区分，采用“第一”、“第二”、“第三”等序号来进行区分，其不作为对具体结构的限定。

在本发明的波长测量装置中，所有的光学部件均设置在光学平台上，以保持光学系统的稳定性和可重复性。作为本发明的一个实施例，如图2所示，该测量装置的光路结构大致为参考光的行进光路和待测光的行进光路的组合，即参考激光光路和待测激光光路，优选在所述参考激光器和待测激光器中具有偏振调节元件，使所述参考激光和所述待测激光均为线偏振光。参考激光器1，其发出具有稳定频率的激光光束，在激光器运行的过程中，参考激光的波长值始终保持一个稳定值，优选该参考激光器1为He-Ne激光器、该激光器的激光波长为632.99078nm，其扩展不确定度U＝2.0×10^-8(k＝2)，或其它具有稳定波长的连续激光器，所述参考激光器已经过校准和检定。从参考激光器1发出的待测激光照射在第一偏振分光棱镜3上，在参考激光器1与第一偏振分光棱镜3之间设置有1/4波片10，从参考激光器1中发出的参考激光为线偏振光，当给线偏振光通过1/4波片10后，该参考激光由线偏振光转变为圆偏振光，所述照射在第一偏振分光棱镜3上的参考激光，在第一偏振分光棱镜3分光面的Q位置处被分光，将圆偏振状态的参考激光光束分成不同偏振状态的两束光，一束为P偏振光，另一束为S偏振光，其中在该分光位置处，S偏振光被反射、P偏振光被透射。

所述S偏振光被第一偏振分光棱镜3反射到一固定角锥棱镜4，进入固定角锥棱镜4的所述S偏振光经过两次反射再次入射到第一偏振分光棱镜4；另外，所述的P偏振光从第一偏振分光棱镜3透射而出，进入一可移动的角锥棱镜5，在所述可移动的角锥棱镜中经过两次反射后再次入射到第一偏振分光棱镜3。所述S偏振光和P偏振光共同入射到第一偏振分光棱镜的M位置处，在该M位置处所述P偏光被第一偏振分光棱镜3透射，所述S偏光被第一偏振分光棱镜3反射，所述S偏振光和P偏振光合为一束参考激光从该第一偏振分光棱镜3出射，从该第一偏振分光棱镜3出射的该参考激光通过平面镜16被反射到第一消偏振分光棱镜6，该参考激光被所述第一消偏振分光棱镜6分成两束状态完全相同的激光，即光束A和光束B，该两束相同的激光中均包含有P偏振光和S偏振光，光束A和光束B均通过一个1/4波片12，相应的光束中的P偏振光和S偏振光分别变成正时针方向和逆时针方向的圆偏振光，其中，光束A入射到第二偏振分光棱镜，S偏振方向的光被反射到光电探测器18、在反射方向上，正时针圆偏振光在此方向的分量和逆时针圆偏振光在此方向的分量叠加，两个光波信号发生干涉，其干涉信号可采用三角函数来表示，具体表示为-Asin(ωt+φ)，P偏振方向的光被透射到光电探测器21、在透射方向上，逆时针圆偏振光在此方向的分量和正时针圆偏振光在此方向的分量叠加，两个光波信号发生干涉，其干涉信号可采用三角函数来表示，具体表示为Asin(ωt+φ)；对于光束B来说，其相对于光束A来说，在其光路上设置一个1/2波片14，当圆偏振光通过1/2波片14后依然为圆偏振光，但是其旋转方向与原来的方向相反，相应的光束B中的P偏振光和S偏振光分别变成逆时针方向和正时针方向的圆偏振光，通过1/2波片14后光束B入射到第二偏振分光棱镜8，S偏振方向的光被反射到光电探测器19、其信号具体表示为Acos(ωt+φ)，P偏振方向的光被透射到光电探测器20，其信号具体表示为-Acos(ωt+φ)。

对于待测激光器来说，其光路结构原理与上述参考激光的光路原理相同，对其光路结构进行简述，如图2所示，从待测激光器2发出的待测激光通过反射镜17反射到第一偏振分光棱镜3上，在所述待测激光器2与反射镜17之间设置有1/4波片11，由于从待测激光器2中发出的待测激光为线偏振光，经过1/4波片11后变为圆偏振光，经反射镜17反射的待测激光在与参考激光入射方向相垂直的方向上，照射到第一偏振分光棱镜3上，该待测激光的分光位置和参考激光的分光位置位于第一偏振分光棱镜3的分光面的两侧，所述第一偏振分光棱镜3将圆偏振状态的待测激光光束分成P偏振光和S偏振光，其中在该分光位置处，S偏振光被反射、P偏振光被透射。所述S偏振光被第一偏振分光棱镜3反射到一移动角锥棱镜5，进入移动角锥棱镜5的所述S偏振光经过两次反射再次入射到第一偏振分光棱镜3；另外，所述P偏振光从第一偏振分光棱镜3透射而出，进入一固定的角锥棱镜4，在所述固定角锥棱镜4中经过两次反射后再次入射到第一偏振分光棱镜3。所述S偏振光和P偏振光共同入射到第一偏振分光棱镜的分光面上的同一位置处，在该位置处所述P偏振光被第一偏振分光棱镜3透射，所述S偏光被第一偏振分光棱镜3反射，所述S偏振光和P偏振光合为一束待测激光从该第一偏振分光棱镜3出射，该待测激光的出射方向与参考激光的出射方向相垂直，从该第一偏振分光棱镜3出射的该待测激光入射到第二消偏振分光棱镜7，所述待测激光被该第二消偏振分光棱镜7分成两束相同的激光，即光束C和光束D，光束C、D均通过一个1/4波片13，相应的光束中的P偏振光和S偏振光分别变成正时针方向和逆时针方向的圆偏振光，其中，光束C入射到第三偏振分光棱镜9，S偏振方向的光被反射到光电探测器23、在反射方向上，正时针圆偏振光在此方向的分量和逆时针圆偏振光在此方向的分量叠加，两个光波信号发生干涉，其干涉信号可采用三角函数来表示，具体表示为-Asin(ωt+φ)，P偏振方向的光被透射到光电探测器24、在透射方向上，逆时针圆偏振光在此方向的分量和正时针圆偏振光在此方向的分量叠加，两个光波信号发生干涉，其干涉信号可采用三角函数来表示，具体表示为Asin(ωt+φ)；对于光束D来说，其相对于光束C来说，在其光路上设置一个1/2波片15，当圆偏振光通过1/2波片15后依然为圆偏振光，但是其旋转方向与原来的方向相反，相应的光束D中的P偏振光和S偏振光分别变成逆时针方向和正时针方向的圆偏振光，通过1/2波片15后光束D入射到第三偏振分光棱镜9，S偏振方向的光被反射到光电探测器22、其信号具体表示为Acos(ωt+φ)，P偏振方向的光被透射到光电探测器25，其信号具体表示为-Acos(ωt+φ)。

对于现有技术的光路结构来说，其干涉信号一般通过一个探测器进行强度的探测，所述探测器为光电探测器，优选为光电二极管，而在本发明中，对于参考光或待测光干涉信号通过在光路中设置消偏振分光棱镜和偏振分光棱镜将一路接收变为四路接收，如上面对参考光和待测光的四路接收描述，这四路信号分别采用以下形式表示：Asin(ωt+φ)信号、-Asin(ωt+φ)信号、Acos(ωt+φ)信号、-Acos(ωt+φ)信号。通常当不采用第一消偏振分光棱镜和第二消偏振分光棱镜时，对从第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜采用两路光电探测器对P偏振和S偏振进行探测，从光电探测器探测到的干涉信号由于受到杂散光的影响或其它原因存在直流分量，造成干涉信号灯的大小漂浮不定，使得干涉信号会随着直流量A的变化而漂移，如图3所示，采用两路接收的干涉信号，由于干涉信号中存在直流分量，使得干涉信号存在漂移，实际测量的曲线相对于理论值有偏差，影响测量准确性。本发明中之所以采用四路探测接收，就是为了消除干涉信号的直流分量A，通过两路相反的信号叠加，排除了直流分量对干涉信号的影响，保证了对干涉信号测量的准确性，提高了测量精度，在电路处理上取

做为正弦信号，

做为余弦信号，消除了直流分量，减小了流量分量造成的信号漂移，消除了部分噪声。处理后的正弦信号可以确定干涉条纹变化的整数个数，正、余弦信号一起可以确定干涉条纹变化的非整数部分及变化方向，改善了信号的质量，实现了电路细分，提高了波长计的分辨能力。光电二极管接收这些干涉信号变为电信号，传送到电测系统，所述电测系统包括有滤波放大模块和计数器，用于对光电探测元件探测到的光束干涉信号进行分析处理。更具体地、所述电信号经过滤波、放大电路送入计数器，计数器记录干涉信号的变化。待测光的干涉过程与之相同。电测系统记录参考光和待测光干涉信号变化数，根据测量原理(2)计算、完成待测波长值的输出。通过上述测量可以看出，将一路干涉信号分为四路进行探测，能够实现对激光波长的相位和具体波长数值的实时检测，保证测量信号的稳定性和测量的精确性。

对于本发明的激光实时测量装置来说，要实现对待测激光器的激光波长值的实时输出，需要满足以下条件：(1)可移动的角锥棱镜初始位置为零相位位置；(2)可移动的角锥棱镜移动一段距离L后停止，测量干涉条纹的变化，实现待测波长值的输出。

所谓零相位位置就是本发明的波长测量装置进行波长计数的起点，是实现实时精确测量的必要条件，准确的确定所述零相位位置是保证对待测波长进行精确测量的关键所在。该零相位位置的具体确定过程为：首先，以机械测量器具游标卡尺为长度测量工具，使固定角锥棱镜和可移动的角锥棱镜到偏振分光棱镜的距离相等，使两个光路的光程相等；然后，在示波器上观测参考激光和待测激光从偏振分光镜出射的光束信号，该参考激光和待测激光均为正弦信号，如果所述两路正弦信号在任意时刻相位都相同，则此位置为零相位位置。否则改变可移动的角锥棱镜的位置，直至满足两路正弦信号在任意时刻相位都相同的条件，确定零相位位置。另外，所述可移动的角锥棱镜可通过设置在光学平台上的高精度步进电机进行控制。

自零相位位置起对干涉条纹进行计数，对可移动的角锥棱镜移动一段距离L，测量干涉条纹的变化，实现待测波长值的输出。可移动的角锥棱镜是固定在一维平移台上的，在电动机的带动下移动。优选该L的距离为120mm左右。

为了便于说明，将图2中的第一偏振分光棱镜3、固定角锥棱镜4和移动的角锥棱镜5的光路结构，分成图4的参考激光光路和图5的待测激光光路进行说明。如图4所示，零相位位置即是：光束在偏振分光镜的分光位置Q分成透射的P偏振光和反射的S偏振光，P偏振光从第一偏振分光棱镜3出射，经过角锥棱镜5，再反射回到第一偏振分光棱镜3的分光面，如图4所示，其光程分别为a1，a2，a3，S偏振光从第一偏振分光棱镜3出射，经过角锥棱镜4，再反射回到第一偏振分光棱镜3的分光面，如图4所示，其光程分别为a4，a5，a6。P偏振光的光程为a1+a2+a3，S偏振光的光程为a4+a5+a6，调节移动的角锥棱镜5，从参考光束在分光面分光到两束偏振光再会聚到分光面的光程中，使P偏振光和S偏振光的光程相等，可获得零相位位置。待测激光光路中，如图5所示，从待测光束在分光面分光到两束偏振光再会聚到分光面的光程中，P偏振光的光程为d4+d5+d6，S偏振光的光程为d1+d2+d3，P偏振光和S偏振光的光程相等，优选所述待测激光的P、S偏振光的光程和参考激光的P、S偏振光的光程相等，满足移动的角锥棱镜初始位置为0相位位置后，移动一段距离L后停止，继续测量干涉条纹的变化，上述测量式(1)相应的改变为：

λ_x(N₁+ΔN₁)＝λ₀(N₂+ΔN₂)                  (2)

式中λ_x为待测激光波长；λ₀为参考激光波长；N₁和N₂为待测光和参考光由于可移动角锥棱镜5移动一段距离L引起的干涉条纹数变化数；ΔN₁和ΔN₂为移动停止后，由于激光波长本身实时的变化引起的干涉条纹数变化数。做为参考光源，其不确定度一般比被测光源的不确定度小一个甚至几个量级，于是ΔN₂很小，且λ₀在测量过程中可以认为是常量，为已知值。本高精密实时波长计检测干涉条纹的变化数N₁、N₂、ΔN₁、ΔN₂利用式(2)最终实现了得待测激光波长值的实时测量。

作为本发明的可替换实施例，所述固定角锥棱镜4和可移动角锥棱镜5的位置可互换，调节可移动角锥棱镜，获得测量装置的零相位位置，另外，所述参考激光器和待测激光器均发出圆偏振光，对于图2中，位于激光器1、2和第一偏振分光棱镜之间的四分之一波片10、11可以省略，从激光器中发出的圆偏振光直接被第一偏振分光棱镜进行分光；所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜均可以为偏振分光片、偏振分光膜或其它可以对激光进行偏振分光的光学元件或上述多种分光元件的组合，所述角锥棱镜可采用其它能够实现光束平行回到偏振分光棱镜的光学元件或一个以上的反射镜的组合结构。

本高精密实时波长计除了在测量原理上独特、新颖外，在系统硬件组成上也有许多改变、完善之处，提高了激光光功率的利用效率，大大的改善了波长计抗干扰能力。

尽管参照本发明的实施例示出并描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，本说明书中列举的具体实施方案或实施例，只不过是为了理解本发明的技术内容，在不背离本发明的主旨和范围的情况下，本发明在形式上和细节上可以进行多种改变。

Claims (10)

1.一种激光波长实时测量装置，其包括：

一参考激光器，其发出特定波长的参考激光；

一待测激光器，其发出待测激光；

一第一偏振分光棱镜，对所述参考激光和待测激光进行偏振分光，分光后的光束经角锥棱镜反射回第一偏振分光棱镜；

一消偏振分光棱镜，用于将从第一偏振分光棱镜中出射的参考激光或待测激光分成两束状态相同的光；

其特征在于：所述两束状态相同的光通过一偏振分光棱镜进行偏振分光；多路光电探测元件，对经过所述偏振分光棱镜分光的光束进行检测；电测系统，根据所述多路光电探测元件的测量信号来确定所述待测激光波长的相位和瞬态激光波长值。

2.如权利要求1所述的测量装置，其中，所述角锥棱镜包括可移动的角锥棱镜和固定角锥棱镜，调节所述可移动的角锥棱镜的位置，在示波器上观测参考激光和待测激光从第一偏振分光镜出射的光束信号，使参考激光和待测激光的波形在任意时刻相位都相同，则该可移动的角锥棱镜的位置为所述测量装置的零相位位置。

3.如权利要求2所述的测量装置，其中，在该测量装置中进一步包括有多个四分之一波片、至少一个半波片和至少一个反射镜。

4.如权利要求3所述的测量装置，其中，在所述参考激光器和待测激光器中具有偏振调节元件，使从激光器出射的参考激光或待测激光均为线偏振光。

5.如权利要求1-4任一项所述的测量装置，其中，入射到第一偏振分光棱镜的所述参考激光和待测激光均为圆偏振光。

6.如权利要求5所述的测量装置，其中，参考激光和待测激光以相互垂直的方向从第一偏振分光棱镜中出射。

7.如权利要求6所述的测量装置，其中，参考激光光路中所述两束状态相同的光通过第二偏振分光棱镜进行偏振分光；待测激光光路中所述两束状态相同的光通过第三偏振分光棱镜进行偏振分光。

8.如权利要求7所述的测量装置，其中，所述电测系统中包括有滤波放大模块和计数器，用于对光电探测元件探测到的光束干涉信号进行分析处理。

9.如权利要求6-8任一项所述的测量装置，其中，所述消偏振分光棱镜包括第一消偏振分光棱镜和第二消偏振分光棱镜，所述第一消偏振分光棱镜对应参考激光光路，所述第二消偏振分光棱镜对应待测激光光路。

10.如权利要求9所述的测量装置，其中，采用四路光电探测元件分别对参考激光或待测激光的光束干涉信号进行探测，其中所述光电探测元件为光电二极管。

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