CN103439010A - 基于激光合成波长干涉原理的波长测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光合成波长干涉原理的波长测量方法及装置。将参考激光器和待测激光器的输出光束调制成正交线偏振光，入射到激光合成波长干涉仪，分别形成各自的干涉信号；干涉仪的第一角锥棱镜移动时，两路干涉信号的相位差变化2π对应于第一角锥棱镜移动半个由参考激光波长λ_R和待测激光波长λ_U形成的合成波长λ_S的位移；当λ_S较小时，检测两路干涉信号两次同时过零点的位置，测得λ_S值；当λ_S较大时，先移动第二角锥棱镜，然后检测两路干涉信号两次同时过零点位置，再结合第二角锥棱镜位移和第一角锥棱镜位移之间的对应关系求出λ_S值；最后根据λ_U和λ_R与λ_S之间的关系，得到待测激光波长值。本发明激光波长测量范围大，抗环境干扰能力强，波长测量精度高。

Description

基于激光合成波长干涉原理的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激光合成波长干涉原理的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，激光波长的精确测量与校准有着重要的科学意义和实际工程价值。在长度、速度、角度、距离和表面形貌等几何量测量技术领域，大量地采用稳频激光器作为相干光源进行干涉测量，激光波长是作为几何量测量的标尺，因此精确地测量这些激光器的激光波长是保证几何量测量准确性和量值溯源的关键；在激光通信中，通常采用相干外差法接收光信号，激光波长的稳定度是影响信号接收质量的重要因素之一；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值的测量也是必需的，光频标波长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－珀罗干涉法波长计是利用光束通过两块镀以高反射率、间距一定的平行玻璃板时产生多光束干涉的方法进行待测激光波长的测量，测量精度能达到10^-9，但是波长测量范围较窄。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，通过计算条纹的周期间隔实现对待测激光波长的测量，该方法虽然不需要参考激光，结构简单，但是由于系统对环境温度变化、机械振动的抗干扰能力差，因此测量过程中需要经常标定，给使用带来不变。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_RN_U＝λ_Uλ_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，必须增加导轨运动范围或者需要对干涉信号进行高精度的细分，这会使测量系统结构复杂，而且成本高。另外，基于合成波长的激光波长测量方法是通过检测待测激光波长λ_U和参考激光波长λ_R形成的合成波长λ_S值，实现待测激光波长λ_U的测量，但是该方法当待测激光波长λ_U与参考激光波长λ_R非常接近时，其形成的合成波长λ_S将很大，会远远超过测量镜移动的导轨运动范围，因此待测激光波长的测量范围较小，受限于导轨运动范围。

发明内容

针对几何量测量、激光通信、光谱学和光频标研究等技术领域的需求，本发明的目的在于提供一种基于激光合成波长干涉原理的波长测量方法及装置，根据激光合成波长干涉原理，利用第一角锥棱镜与第二角锥棱镜的运动位移之间存在的线性关系，缩短较大合成波长所对应的长行程，解决当待测激光波长和参考激光波长非常接近时需要大长度运动导轨的技术问题，扩大待测激光波长的测量范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于激光合成波长干涉原理的波长测量方法：

（1）参考激光器和待测激光器的输出光束经各自的偏振片后，成为正交线偏振光，入射到激光合成波长干涉仪，形成各自的干涉信号，分别由两个光电探测器接收，干涉仪中的第一角锥棱镜移动时，参考激光波长λ_R和待测激光波长λ_U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时对应于第一角锥棱镜移动半个由λ_R和λ_U形成的合成波长的位移，即λ_S/2；

（2）当参考激光波长λ_R和待测激光波长λ_U的差大于或等于0.7pm时，形成的半个合成波长λ_S小于第一角锥棱镜的运动范围300mm，此时，通过移动第一角锥棱镜，检测波长λ_R和波长λ_U的干涉信号两次同时过零点所对应的位移，测得合成波长λ_S/2值；

（3）当参考激光波长λ_R和待测激光波长λ_U的差小于0.7pm时，形成的半个合成波长λ_S大于第一角锥棱镜的运动范围300mm，此时，根据激光合成波长干涉原理可知：第一角锥棱镜移动位移ΔL和第二角锥棱镜移动位移Δl之间存在对应关系

$\mathrm{\ΔL}=\frac{{\mathrm{\λ}}_S}{{\mathrm{\λ}}_R}\mathrm{\Δl},$

因此，先移动第二角锥棱镜小于λ_R/2的位移Δl来补偿部分第一角锥棱镜需要移动的位移，然后再移动第一角锥棱镜，检测波长λ_R和波长λ_U的干涉信号两次同时过零点所对应的位移ΔL′，求得合成波长值

${\mathrm{\λ}}_S=2({\mathrm{\ΔL}}^{\′}+\frac{{\mathrm{\λ}}_S}{{\mathrm{\λ}}_R}\mathrm{\Δl});$

（4）最后，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，得到待测激光器的波长

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

二、一种基于激光合成波长干涉原理的波长测量装置：

参考激光器输出的光束经过透振方向平行于y轴的第一偏振片后成为振动方向平行于y轴的线偏振光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平行于x轴的第二偏振片后成为振动方向平行于x轴的线偏振光λ_U，射向第一偏振分光镜；线偏振光λ_R透过第一偏振分光镜和线偏振光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固定在直线位移工作台上的第一角锥棱镜、分光镜、第二偏振分光镜和固定在纳米定位工作台上的第二角锥棱镜组成的激光合成波长干涉仪后，形成各自的干涉信号，经第三偏振分光镜分光后，分别由第一光电探测器和第二光电探测器接收后，经同时过零检测模块与计算机连接。

本发明具有的有益效果是：

（1）基于激光合成波长干涉原理，利用第一角锥棱镜与第二角锥棱镜的运动位移之间存在的线性关系，缩短较大合成波长所对应的长行程，解决了当待测激光波长和参考激光波长非常接近时需要大长度运动导轨的技术问题，扩大了待测激光波长的测量范围。

（2）系统光路设计遵循共光路原则，可减小环境因素变化对测量结果的影响，具有较强的抗环境干扰能力，波长测量精度高。

附图说明

图1是基于激光合成波长干涉原理的波长测量原理图。

图2是λ_R和λ_U两单波长干涉信号相位差与合成波长λ_S关系的示意图。

图中：1、参考激光器，2、第一偏振片，3、待测激光器，4、第二偏振片，5、第一偏振分光镜，6、直线位移工作台，7、第一角锥棱镜，8、分光镜，9、第二偏振分光镜，10、纳米定位工作台、11、第二角锥棱镜，12、第三偏振分光镜，13、第一光电探测器，14、第二光电探测器，15、同时过零检测模块，16、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

基于激光合成波长干涉原理的波长测量方法及装置，如图1所示，参考激光器1输出的光束经过透振方向平行于y轴的第一偏振片2后成为平行于y轴的线偏振光λ_R，射向第一偏振分光镜5；待测激光器3输出的光束经过透振方向平行于x轴的第二偏振片4后成为平行于x轴的线偏振光λ_U，射向第一偏振分光镜5；线偏振光λ_R透过第一偏振分光镜5和线偏振光λ_U经第一偏振分光镜5反射后，合成一束正交线偏振光，入射到由固定在直线位移工作台6上的第一角锥棱镜7、分光镜8、第二偏振分光镜9和固定在纳米定位工作台10上的第二角锥棱镜11组成的激光合成波长干涉仪，形成各自的干涉信号，经第三偏振分光镜12分光后，分别由第一光电探测器13和第二光电探测器14接收，第一光电探测器13和第二光电探测器14接收到的干涉信号经同时过零检测模块15（安捷伦53220A型通用频率计数器）进行两次同时过零点位置检测后，测得合成波长λ_S值，计算机16（联想启天M7300型）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，计算得出待测激光波长λ_U的值。

记L₀为激光合成波长干涉仪中分光镜8与第一角锥棱镜7之间和分光镜8与第二偏振分光镜9之间的光路差，L₁为第二偏振分光镜9与第二角锥棱镜11之间的光路差，则两个光电探测器接收的干涉信号的相位分别为

由以上二式得：

式中：λ_S为参考激光波长λ_R和待测激光波长λ_U形成的合成波长：

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

当直线位移工作台6带动第一角锥棱镜7移动位移ΔL＝λ_S2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对应于第一角锥棱镜7移动位移ΔL＝λ_S2，即可据此求得合成波长的值：

λ_S＝2·ΔL          （6）

当纳米定位工作台10带动第二角锥棱镜11移动位移Δl＝λ_R/2时，公式（3）变成：

即：

公式（3）和（7）表明，两路干涉信号相位差变化2π对应于第二角锥棱镜11移动位移Δl＝λ_R2。

根据激光合成波长干涉原理，第一角锥棱镜7和第二角锥棱镜11之间的位移对应关系为：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{{\mathrm{\λ}}_S}{{\mathrm{\λ}}_R}\mathrm{\Δl}---\left(8\right)$

待测激光波长λ_U的测量分为两种情况：

（1）如果参考激光波长λ_R与待测激光波长λ_U的差大于或等于0.7pm时，形成的半个合成波长λ_S小于第一角锥棱镜的运动范围300mm，此时，根据图2所示λ_R和λ_U的干涉信号相位差与第一角锥棱镜7的移动位移之间的变化关系，I(λ_R)表示参考激光器的干涉信号波形，I(λ_U)表示待测激光器的干涉信号波形，I(λ_S)表示I(λ_R)和I(λ_U)形成的合成波长信号波形。设第一角锥棱镜7从A点开始移动，初始相位差

即λ_R和λ_U干涉信号第一次同时过零，当第一角锥棱镜7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，第一角锥棱镜7在A点与B点之间移动的位移即为λ_S2。因此，通过直线位移工作台6带动第一角锥棱镜7，由同时过零检测模块15检测两路干涉信号两次同时过零点时，记录第一角锥棱镜7的移动位移ΔL，得出合成波长λ_S的值，即公式（6）。

（2）如果参考激光波长λ_R与待测激光波长λ_U的差小于0.7pm时，形成的半个合成波长λ_S大于第一角锥棱镜的运动范围300mm，此时，根据公式（8），先由纳米定位工作台10移动第二角锥棱镜11小于λ_R/2的位移Δl来补偿部分第一角锥棱镜7需要移动的位移，然后再移动第一角锥棱镜7，由同时过零检测模块15检测波长λ_R和波长λ_U的干涉信号两次同时过零点所对应的第一角锥棱镜7的移动位移ΔL′，从而求得合成波长值：

${\mathrm{\λ}}_S=2({\mathrm{\ΔL}}^{\′}+\frac{{\mathrm{\λ}}_S}{{\mathrm{\λ}}_R}\mathrm{\Δl})---\left(9\right)$

根据公式（4）得出待测激光器的波长为：

${\mathrm{\λ}}_U=\frac{{\mathrm{\λ}}_S{\mathrm{\λ}}_R}{{\mathrm{\λ}}_S\±{\mathrm{\λ}}_R}---\left(10\right)$

将公式（6）或者公式（9）求出的λ_S和已知的参考激光器的波长λ_R代入公式（10），就可以求出待测激光器的波长λ_U值。

代入典型值：以单频He-Ne稳频激光器作为参考激光器，波长λ_R为632.992027nm，稳频精度为1×10^-9，第一角锥棱镜的定位精度为0.01μm，第二角锥棱镜的定位精度为0.03nm；当参考激光波长λ_R与待测激光波长λ_U的差大于或等于0.7pm时，例如λ_U-λ_R＝±100pm，λ_S约为4.006mm，波长测量精度可达1.29×10^-9；当参考激光波长λ_R与待测激光波长λ_U的差小于0.7pm时，例如λ_U-λ_R＝±0.5pm，λ_S约为800mm，波长测量精度可达1.00×10^-9。

因此本方法的待测激光波长测量精度接近于参考激光器的稳频精度，可实现宽范围、高精度的激光波长测量。

至此完成本发明。

Claims (2)

1.一种基于激光合成波长干涉原理的波长测量方法，其特征在于：

（1）参考激光器和待测激光器的输出光束经各自的偏振片后，成为正交线偏振光，入射到激光合成波长干涉仪，形成各自的干涉信号，分别由两个光电探测器接收，干涉仪中的第一角锥棱镜移动时，参考激光波长λ_R和待测激光波长λ_U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时对应于第一角锥棱镜移动半个由λ_R和λ_U形成的合成波长的位移，即λ_S/2；

（2）当参考激光波长λ_R和待测激光波长λ_U的差大于或等于0.7pm时，形成的半个合成波长λ_S小于第一角锥棱镜的运动范围300mm，此时，通过移动第一角锥棱镜，检测波长λ_R和波长λ_U的干涉信号两次同时过零点所对应的位移，测得合成波长λ_S/2值；

（3）当参考激光波长λ_R和待测激光波长λ_U的差小于0.7pm时，形成的半个合成波长λ_S大于第一角锥棱镜的运动范围300mm，此时，根据激光合成波长干涉原理可知：第一角锥棱镜移动位移ΔL和第二角锥棱镜移动位移Δl之间存在对应关系

$\mathrm{\ΔL}=\frac{{\mathrm{\λ}}_S}{{\mathrm{\λ}}_R}\mathrm{\Δl},$

因此，先移动第二角锥棱镜小于λ_R/2的位移Δl来补偿部分第一角锥棱镜需要移动的位移，然后再移动第一角锥棱镜，检测波长λ_R和波长λ_U的干涉信号两次同时过零点所对应的位移ΔL′，求得合成波长值

${\mathrm{\λ}}_S=2({\mathrm{\ΔL}}^{\′}+\frac{{\mathrm{\λ}}_S}{{\mathrm{\λ}}_R}\mathrm{\Δl});$

（4）最后，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，得到待测激光器的波长

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

2.根据权利要求1所述方法的一种基于激光合成波长干涉原理的波长测量装置，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y轴的第一偏振片(2)后成为振动方向平行于y轴的线偏振光λ_R，射向第一偏振分光镜(5)；待测激光器(3)输出的光束经过透振方向平行于x轴的第二偏振片(4)后成为振动方向平行于x轴的线偏振光λ_U，射向第一偏振分光镜(5)；线偏振光λ_R透过第一偏振分光镜(5)和线偏振光λ_U经第一偏振分光镜(5)反射后，合成一束正交线偏振光入射到由固定在直线位移工作台(6)上的第一角锥棱镜(7)、分光镜(8)、第二偏振分光镜(9)和固定在纳米定位工作台(10)上的第二角锥棱镜(11)组成的激光合成波长干涉仪后，形成各自的干涉信号，经第三偏振分光镜(12)分光后，分别由第一光电探测器(13)和第二光电探测器(14)接收后，经同时过零检测模块(15)与计算机(16)连接。

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