CN103278087B - MEMS扫描2μm激光外差干涉仪光学系统的装调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明MEMS扫描2μm激光外差干涉仪光学系统及其装调方法。系统包括2μm光纤激光器、光纤分束器、格林透镜、第一透镜、第二透镜、偏振分束棱镜、λ/4波片、MEMS阵镜、F-Theta透镜、反射镜、光纤接收准直器、光纤合束器、在线式起偏器、光电探测器、示波器、声光移频器、衰减器；调试过程中通过调节偏振分束棱镜、第一透镜、第二透镜以及MEMS阵镜，确定了各器件的位置和姿态，最终使示波器显示的时域曲线和频域曲线分别对应声光移频器的外部驱动信号频率；本发明使解决了大口径MEMS扫描激光外差干涉仪系统不同模式下的激光测试信号耦合效率低的问题，提高了外差干涉仪系统的系统稳定性和探测灵敏度问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有快速、合理的外差干涉仪光学系统及其装调方法。
背景技术
传统的可见光干涉仪通过测量参考光束和待测光束相互作用所形成的干涉条纹变化，来间接计算待测物的物理量信息。该方法的测量误差较大；其次，无法精确测量较大范围的待测物物理量；再次传统干涉仪对于红外材料内部物理特性无法进行测量。
近年来随着光纤激光器和光纤产业的迅速发展，基于MEMS扫描2μm激光外差干涉仪应运而生，该系统利用光纤激光器作为系统测试光源，通过光纤-自由空间作为激光信号的传播途径，综合利用外差探测和MEMS扫描的方法来最终获取待测物的二维光学厚度分布信息。这种方法具有灵敏度高、扫描速度快、结构紧凑等优点。
目前，MEMS扫描2μm激光外差干涉仪在光学装调方面存在有以下方面不足。一、工作波段为人眼不可见，因此装调难度大，存在由波长不同所引入的波相差；二、外差干涉过程是通过光纤耦合方式，因此要保证激光外差干涉仪在不同扫描模式下均能有相对较强的回波信号耦合进入到光纤。因此，急需设计并优化一种适合于近红外激光外差干涉仪光学系统装调的方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种MEMS扫描2μm激光外差干涉仪光学系统及其装调方法，解决了大口径MEMS扫描激光外差干涉仪系统不同模式下的激光测试信号耦合效率低的问题。
本发明的技术方案：MEMS扫描2μm激光外差干涉仪光学系统，包括2μm光纤激光器、光纤分束器、声光移频器、格林透镜、第一透镜、第二透镜、偏振分束棱镜、λ/4波片、MEMS阵镜、F-Theta透镜、反射镜、光纤接收准直器、衰减器、光纤合束器、在线式起偏器、光电探测器、示波器；2μm光纤激光器通过光纤分束器分为测试光束和参考光束，测试光束通过声光移频器、格林透镜将测试光束从光纤空间转移到自由空间，而后依次经过第一透镜、第二透镜、偏振分束棱镜、λ/4波片、MEMS阵镜、F-Theta透镜后到达反射镜，经反射镜反射后测试光束沿原光路返回至偏振分束棱镜；偏振分束棱镜将返回的测试光束反射进光纤接收准直器；从光纤分束器分束出来的参考光束经衰减器后与从光纤接收准直器输出的光束共同耦合进光纤合束器，而后经过在线式起偏器使两束光偏振状态保持一致，再经光电探测器将光信号转换为电信号后，由示波器显示出干涉形成的中频信号。
MEMS扫描2μm激光外差干涉仪光学系统的装调方法，步骤如下：
1）将He-Ne激光器与格林透镜相连，在格林透镜后依次放置第一透镜、第二透镜、白板；调节第一透镜和第二透镜之间的距离，直至当白板在第二透镜后，距离格林透镜2m内沿激光传播方向移动时，白板上显示的光斑直径大小始终与He-Ne激光器发射激光直径大小相等；固定第一透镜和第二透镜的位置；
2）撤掉步骤1）中的白板，在第二透镜后依次放置偏振分束棱镜、λ/4波片、MEMS阵镜、F-Theta透镜与反射镜，粗调MEMS阵镜的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮直至同时满足以下两方面的条件为止：其一，照射在反射镜上的激光光斑的尺寸和水平高度与从格林透镜出射的激光光斑的尺寸和高度一致；其二，经λ/4波片透射至MEMS阵镜上的激光光束与经反射镜反射回MEMS阵镜上的激光光束的夹角为90度；满足条件后固定MEMS阵镜的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮位置，在偏振分束棱镜的水平偏振反射面放置白板，同时粗调偏振分束棱镜的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮，直至白板上的激光光斑水平高度与从格林透镜出射的激光光斑水平高度一致后；固定偏振分束棱镜的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮位置；
3）将白板放置在F-Theta透镜与反射镜之间，调节MEMS阵镜的外部驱动电路，使MEMS阵镜依次工作在单点工作模式、横向扫描模式、纵向扫描模式和二维扫描模式，精调MEMS阵镜的水平俯仰角度旋钮和垂直俯仰角度旋钮直至照射在白板上的激光光斑在以上四种模式下依次为红色圆斑、水平红色直线、垂直红色直线与红色矩形状光斑；调好后固定MEMS阵镜的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮位置，同时将白板放置于偏振分束棱镜的水平偏振反射面外一定距离处，精调节偏振分束棱镜的水平俯仰角度旋钮和垂直俯仰角度旋钮直至同时满足以下两方面条件为止：其一，照射在白板上的激光光斑在以上四种模式下始终保持红色圆斑；其二，红色圆斑的中心高度与从格林透镜的中心位置高度一致；调好后固定偏振分束棱镜的水平俯仰角度旋钮和垂直俯仰角度旋钮位置，同时撤离白板，将光纤接收准直器放置于偏振分束棱镜反射光的出光方向位置，调节光纤接收准直器的水平俯仰角度旋钮和垂直俯仰角度旋钮直至在光纤接收准直器的输出端观测到有均匀红色激光输出为止；调好后固定光纤接收准直器的水平俯仰角度旋钮和垂直俯仰角度旋钮位置；
4）将He-Ne激光器与光纤分束器分离，同时依次将2μm光纤激光器、光纤分束器、声光移频器相连，并将声光移频器与格林透镜相连；光纤分束器分出的参考光束经衰减器后与光纤接收准直器输出的测试光束共同耦合进光纤合束器；在光纤合束器后依次连接在线式起偏器、光电探测器与示波器；调节MEMS阵镜使MEMS阵镜分别工作在单点工作、横向扫描模式、纵向扫描模式和二维扫描模式下，观察示波器的输入信号的时域曲线和频域曲线，调节衰减器直至示波器显示正弦时域波形为止。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）通过该方法可以快速实现MEMS扫描2μm激光外差干涉仪光学系统在不同工作模式下的正常工作；
（2）利用透镜组、光纤分束器、光纤合束器和He-Ne激光器对近红外激光光学系统实现光路装调，该方法简单、快速、易操作，可靠性高等特点；
（3）结合光学系统焦距和工作波长原理关系，并结合该光学装调方法，可以降低光学系统像差。
（4）利用数毫瓦量级的He-Ne激光束来对2μm激光外差干涉仪光学系统实现光学装调，将人眼不可见激光光学系统转化为人眼可见激光光学系统，其结果实现可视化，另外避免了大功率红外激光对人眼的损害，提高了系统光学装调的安全系数。
附图说明
图1为MEMS扫描2μm激光外差干涉仪光学系统原理图；
图2为MEMS扫描2μm激光外差干涉仪光学测试光路示意图；
图3为MEMS扫描2μm激光外差干涉仪光学单点工作光路示意图；
图4为MEMS扫描2μm激光外差干涉仪光学横向模式工作光路示意图。
具体实施方式
本发明系统如图1所示，包括2μm光纤激光器1、光纤分束器2、声光移频器3、格林透镜4、第一透镜5、第二透镜6、偏振分束棱镜7、λ/4波片8、MEMS阵镜9、F-Theta透镜10、反射镜11、光纤接收准直器12、衰减器13光纤合束器14、在线式起偏器15、光电探测器16、示波器17；2μm光纤激光器1通过光纤分束器2分为测试光束和参考光束，测试光束通过声光移频器3、格林透镜4将测试光束从光纤空间转移到自由空间，而后依次经过第一透镜5、第二透镜6、偏振分束棱镜7、λ/4波片8、MEMS阵镜9、F-Theta透镜10后到达反射镜11，经反射镜11反射后测试光束沿原光路返回至偏振分束棱镜7；偏振分束棱镜7将返回的测试光束反射进光纤接收准直器12，从光纤接收准直器12输出的光束与光纤分束器2分束出来的参考光束共同耦合进光纤合束器14，而后经过在线式起偏器15使两束光偏振状态保持一致，再经光电探测器16将光信号转换为电信号后，由示波器17显示出干涉形成的中频信号。
本发明系统的调试过程具体实施例如图1至图4所示：
1）首先，将He-Ne激光器18的光纤输出端口与带有光纤式尾纤的格林透镜4相连，实现将光纤空间内的传播激光发射到自由空间，通过调节第一透镜5和第二透镜6之间的距离，来观察白板19上的激光红斑，当第一透镜5和第二透镜6之间的距离分别等于12cm和25cm时，白板19上显示的激光红斑直径大小始终与He-Ne激光器18发射激光直径大小相等；固定第一透镜5和第二透镜6的位置。
2）在第二透镜6后依次放置偏振分束棱镜7、λ/4波片8、MEMS阵镜9、F-Theta透镜10与反射镜11，粗调MEMS阵镜9的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮直至同时满足以下两方面条件为止：其一，照射在反射镜11上的激光光斑尺寸和水平高度与从格林透镜4出射的激光光斑的尺寸和高度一致；其二，经λ/4波片8透射至MEMS阵镜9上的激光光束与经反射镜11反射回MEMS阵镜9上的激光光束的夹角为90度；满足条件后固定MEMS阵镜9的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮，在偏振分束棱镜7的水平偏振反射面放置白板19，同时粗调偏振分束棱镜7的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮，直至白板19上的激光光斑水平高度与从格林透镜4出射的激光光斑水平高度一致后；固定偏振分束棱镜7的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮位置；
3）将白板19放置在F-Theta透镜10与反射镜11之间，调节MEMS阵镜9的外部驱动电路，可以通过改变阵镜横向振动轴和纵向振动轴方向上的谐振频率、信号占空比等参数，使MEMS阵镜9依次工作在单点工作模式、横向扫描模式、纵向扫描模式和二维扫描模式，精调MEMS阵镜9的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮直至照射在白板19上的激光光斑在以上四种模式下依次为红色圆斑、水平红色直线、垂直红色直线与红色矩形状光斑，其中红色光斑直径为1mm，水平红色直线的长度与MEMS阵镜9的水平谐振频率参数相关，垂直红色直线的长度与MEMS阵镜9的垂直谐振频率参数相关，红色矩形光斑和水平谐振频率参数与垂直谐振频率参数相关；调好后固定MEMS阵镜9的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮位置，同时将白板19放置于偏振分束棱镜7的水平偏振反射面外一定距离处，精调节偏振分束棱镜7的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮直至照射在白板19上的激光光斑在以上四种模式下始终保持为红色圆斑；调好后固定偏振分束棱镜7的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮位置，同时撤离白板19，将光纤接收准直器12放置于偏振分束棱镜7反射光的出光方向位置，调节光纤接收准直器12的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮直至在光纤接收准直器12的输出端观测到有均匀红色激光输出为止；调好后固定光纤接收准直器12的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮位置；
4）将He-Ne激光器18与光纤分束器2分离，同时依次将2μm光纤激光器1的光线输出端口与光纤分束器2的输入端口相连接、将光纤分束器2的输出端口与声光移频器3输入端口相连，将声光移频器3的输出端口与格林透镜4的光纤输入端口相连；从光纤分束器2的另一输出端口分出的参考光束经衰减器13后与光纤接收准直器12输出的测试光束共同耦合进光纤合束器14；在光纤合束器14后依次连接在线式起偏器15、光电探测器16与示波器17；调节MEMS阵镜9的横向振动轴和纵向振动轴方向上的谐振频率、信号占空比等参数使MEMS阵镜9分别工作在单点工作、横向扫描模式、纵向扫描模式和二维扫描模式下，观察示波器17的输入信号的时域曲线和频域曲线，调节衰减器13直至示波器17显示标准的正弦时域波形为止。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领于技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.MEMS扫描2μm激光外差干涉仪光学系统的装调方法，系统包括2μm光纤激光器(1)、光纤分束器(2)、声光移频器(3)、格林透镜(4)、第一透镜(5)、第二透镜(6)、偏振分束棱镜(7)、λ/4波片(8)、MEMS阵镜(9)、F-Theta透镜(10)、反射镜(11)、光纤接收准直器(12)、衰减器(13)、光纤合束器(14)、在线式起偏器(15)、光电探测器(16)、示波器(17)；2μm光纤激光器(1)通过光纤分束器(2)分为测试光束和参考光束，测试光束通过声光移频器(3)、格林透镜(4)将测试光束从光纤空间转移到自由空间，而后依次经过第一透镜(5)、第二透镜(6)、偏振分束棱镜(7)、λ/4波片(8)、MEMS阵镜(9)、F-Theta透镜(10)后到达反射镜(11)，经反射镜(11)反射后测试光束沿原光路返回至偏振分束棱镜(7)；偏振分束棱镜(7)将返回的测试光束反射进光纤接收准直器(12)；从光纤分束器(2)分束出来的参考光束经衰减器(13)后与从光纤接收准直器(12)输出的光束共同耦合进光纤合束器(14)，而后经过在线式起偏器(15)使两束光偏振状态保持一致，再经光电探测器(16)将光信号转换为电信号后，由示波器(17)显示出干涉形成的中频信号，其特征在于步骤如下：
1)将He-Ne激光器(18)与格林透镜(4)相连，在格林透镜(4)后依次放置第一透镜(5)、第二透镜(6)、白板(19)；调节第一透镜(5)和第二透镜(6)之间的距离，直至当白板(19)在第二透镜(6)后，距离格林透镜(4)2m内沿激光传播方向移动时，白板(19)上显示的光斑直径大小始终与He-Ne激光器(18)发射激光直径大小相等；固定第一透镜(5)和第二透镜(6)的位置；
2)撤掉步骤1)中的白板(19)，在第二透镜(6)后依次放置偏振分束棱镜(7)、λ/4波片(8)、MEMS阵镜(9)、F-Theta透镜(10)与反射镜(11)，粗调MEMS阵镜(9)的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮直至同时满足以下两方面的条件为止：其一，照射在反射镜(11)上的激光光斑的尺寸和水平高度与从格林透镜(4)出射的激光光斑的尺寸和高度一致；其二，经λ/4波片(8)透射至MEMS阵镜(9)上的激光光束与经反射镜(11)反射回MEMS阵镜(9)上的激光光束的夹角为90度；满足条件后固定MEMS阵镜(9)的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮位置，在偏振分束棱镜(7)的水平偏振反射面放置白板(19)，同时粗调偏振分束棱镜(7)的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮，直至白板(19)上的激光光斑水平高度与从格林透镜(4)出射的激光光斑水平高度一致后；固定偏振分束棱镜(7)的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮位置；
3)将白板(19)放置在F-Theta透镜(10)与反射镜(11)之间，调节MEMS阵镜(9)的外部驱动电路，使MEMS阵镜(9)依次工作在单点工作模式、横向扫描模式、纵向扫描模式和二维扫描模式，精调MEMS阵镜(9)的水平俯仰角度旋钮和垂直俯仰角度旋钮直至照射在白板(19)上的激光光斑在以上四种模式下依次为红色圆斑、水平红色直线、垂直红色直线与红色矩形状光斑；调好后固定MEMS阵镜(9)的垂直俯仰旋钮和水平俯仰旋钮位置，同时将白板(19)放置于偏振分束棱镜(7)的水平偏振反射面外一定距离处，精调节偏振分束棱镜(7)的水平俯仰角度旋钮和垂直俯仰角度旋钮直至同时满足以下两方面条件为止：其一，照射在白板(19)上的激光光斑在以上四种模式下始终保持红色圆斑；其二，红色圆斑的中心高度与从格林透镜(4)的中心位置高度一致；调好后固定偏振分束棱镜(7)的水平俯仰角度旋钮和垂直俯仰角度旋钮位置，同时撤离白板(19)，将光纤接收准直器(12)放置于偏振分束棱镜(7)反射光的出光方向位置，调节光纤接收准直器(12)的水平俯仰角度旋钮和垂直俯仰角度旋钮直至在光纤接收准直器(12)的输出端观测到有均匀红色激光输出为止；调好后固定光纤接收准直器(12)的水平俯仰角度旋钮和垂直俯仰角度旋钮位置；
4)将He-Ne激光器(18)与光纤分束器(2)分离，同时依次将2μm光纤激光器(1)、光纤分束器(2)、声光移频器(3)相连，并将声光移频器(3)与格林透镜(4)相连；光纤分束器(2)分出的参考光束经衰减器(13)后与光纤接收准直器(12)输出的测试光束共同耦合进光纤合束器(14)；在光纤合束器(14)后依次连接在线式起偏器(15)、光电探测器(16)与示波器(17)；调节MEMS阵镜(9)使MEMS阵镜(9)分别工作在单点工作、横向扫描模式、纵向扫描模式和二维扫描模式下，观察示波器(17)的输入信号的时域曲线和频域曲线，调节衰减器(13)直至示波器(17)显示正弦时域波形为止。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |