CN103499384A

CN103499384A - 一种新型双频激光外差干涉相位测振光路

Info

Publication number: CN103499384A
Application number: CN201310446715.5A
Authority: CN
Inventors: 陈强华; 刘景海; 罗会甫; 何永熹; 吴健; 蒋弘; 王�锋
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2014-01-08

Abstract

本发明涉及激光干涉测量领域，具体涉及一种新型双频激光外差干涉相位测振光路，包括：双频激光源、第一、二半透半反镜、第一、二探测器、第一、二偏振分光镜、1/4波片、样品、全反射镜、相位测量仪。激光源发出相互正交的频率分量为f1和f2的线偏振光，光束经第一半透半反镜后被分为两束，反射光被第一探测器接收形成参考光，透射光入射至第一偏振分光镜后被分为各含平行分量f1和垂直分量f2的两束光，f1光先后经第二偏振分光镜、快轴角度为45°的1/4波片、振动样品、全反射镜，与f2光在第二半透半反镜处合光被第二探测器接收形成测量光。样品振动导致测量与参考信号的频差为△f，从而被相位测量仪测得相应的相差

Description

一种新型双频激光外差干涉相位测振光路

技术领域

本发明涉及激光干涉测量领域，尤其涉及利用多普勒原理来测量目标运动信息的外差激光测振光路。具体涉及一种新型双频激光外差干涉相位测振光路。

背景技术

振动测量因其能反映物体尤其是高速运动物体的动态特性，在工程领域中十分重要。自1960年以来，激光多普勒技术由于在测量中具有高空间和时间分辨率，不接触、扰动被测物体等优点而备受瞩目。自从1964年发表了第1篇关于激光多普勒测速的论文后，该技术立即受到各方重视并进行了大量的理论和实验研究，取得了显著成果，如今，激光多普勒测速技术以及由其发展而来的测振技术已成为科学技术及许多行业中不可缺少的检测方法。

目前，激光多普勒测速多采用外差激光干涉光路，用分光镜将激光源发出的频率为f的光束分为参考光和测量光两部分，测量光入射到被测的振动物体表面，其反射光产生多普勒频移Δf。为了确定被测物体的振动方向，在参考光路中使用声光调制器来对参考光进行移频，产生fd的频率偏移量。采用光学元件将参考光与测量光合并从而产生干涉，干涉光由光电探测器进行接收并向信号处理器输出包含频率分量（fd+Δf）的调制信号，然后将其进行混频、滤波处理后送入计算单元解调出Δf。

上述方法中对参考光进行移频时由于采用的是声光调制器，因此频移量fd一般比较大，通常大于数十MHz量级。因此当由于速度较低而导致Δf较小时，现有的外差激光测振仪会存在测量精度不高的问题。此外，由于声光调制器中对参考光进行移频以及在信号处理过程中对调制信号进行混频时都要用到晶振信号，而晶振会受到温度、磁场等环境因素影响，其相应的振荡频率会产生误差f’和f”，从而给测量结果Δf带来误差，当Δf与（f’-f”）接近时，这种影响因素变大，从而使测量结果误差增大。

因此，希望提供一种可进一步提高外差激光测振仪的精度，并使其在低频振动对象测量领域也能具有很高测量精度的新型激光外差干涉测振仪。为此，本发明提出了一种双频激光外差干涉测量光路，并采用相位测量方法解调Δf信号，可以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种新型双频激光外差干涉测量光路，并采用相位测量方法解调Δf信号，解决了目前常用的外差激光测振仪在低频振动对象测量时精度不高的问题，且相位测量可以进一步提高激光测振精度。

本发明的技术解决方案是：

一种新型双频激光外差干涉相位测振光路，包括：双频激光源（101）、第一半透半反镜（102）、第一探测器（103）、第一偏振分光镜（104）、第二偏振分光镜（105）、四分之一波片（106）、待测样品（107）、全反射镜（108）、第二半透半反镜（109）、第二探测器（110）、相位测量仪（111）。其特征在于：双频激光源（101）发出的光具有一对相互正交的线偏振分量f1和f2，其频率差值在100kHz-100MHz之间。第一半透半反镜（102）将双频激光源（101）发出的光分为均含有f1和f2频率分量的两束光，其中反射光被第一探测器（103）接收形成频率为（f1-f2）的参考信号，透射光进入后续测量光路。第一偏振分光镜（104）将从第一半透半反镜（102）出射的光分为两部分，其中反射光只含有垂直频率分量f2，透射光只含有平行频率分量f1。第二偏振分光镜（105）对从第一偏振分光镜（104）出射的含有平行频率分量f1的光束完全透射，对从待测振动样品（107）表明反射的含有垂直频率分量f1+△f的光束完全反射。四分之一波片（106）位于第二偏振分光镜（105）和待测样品（107）之间，其快轴位置与垂直方向呈45°，从第二偏振分光镜（105）出射的含平行频率分量f1的光束在通过四分之一波片（106）并被待测样品（107）表面反射，再次通过四分之一波片（106）后其偏振方向从平行方向变为垂直方向。由于多普勒效应，从待测振动样品（107）表面反射回的光束其频率变为f1+△f。第二半透半反镜（109）将从第二偏振分光镜（105）及全反射镜（108）反射并透射通过它的含垂直频率分量f1+△f的光束与从第一偏振分光镜（104）及它反射的含垂直频率分量f2的光束合并形成一束光，然后被第二探测器（110）接收形成频率为（f1-f2＋△f）的测量信号。相位测量仪（111）接收由第一探测器（103）和第二探测器（110）输出的参考信号和测量信号，测量二者由于频差变化△f引起的的相位差变化

本发明的工作原理是：

请参阅附图，双频激光源（101）发出一对偏振相互正交的线偏振光，其平行和垂直纸面的频率分量分别为f1和f2，光束经第一半透半反镜（102）后被分为两部分，两部分光均含有f1和f2频率分量，其中反射光被第一探测器（103）接收形成频率为（f1-f2）的参考信号，透射光入射至第一偏振分光镜（104）后再次被分为两部分，其中含垂直频率分量f2的光束被反射后入射至第二半透半反镜（109），含平行频率分量f1的光束透射通过第一偏振分光镜（104）后并继续透射通过第二偏振分光镜（105）和四分之一波片（106），四分之一波片（106）的快轴位置设置为与垂直方向呈45°，然后入射到产生振动的待测样品（107）表面，由于多普勒效应，从待测样品（107）表面反射回的光束其频率分量变为f1+△f，反射光再次通过四分之一波片（106），此时光偏振态旋转90°变为垂直方向，该光束再次入射到第二偏振分光镜（105）并被反射，然后被全反射镜（108）继续反射并透射通过第二半透半反镜（109），与被第二半透半反镜（109）反射的含垂直频率分量f2的光束合并形成一束光，最后被第二探测器（110）接收形成频率为（f1-f2＋△f）的测量信号。参考信号和测量信号送入相位测量仪（111）得到二者由于频差变化△f引起的的相位差变化

从而测得待测样品（107）的振动速度、频率等参数。

本发明与以前技术相比的优势在于，采用双频激光器直接输出两个具有一定频差的分量，避免了采用声光调制器来获得参考信号的频移量，与声光调制器产生的频移量较大相比，本发明的频差值可以较小，因此对低频振动对象的测量也能具有很高精度。采用的相位测量避免了以前技术采用的混频、滤波手段，信号处理过程更简单，而且相位测量精度更高。

附图说明

附图为本发明新型双频激光外差干涉相位测振光路的原理图。

具体实施方式

请参阅附图，双频激光源（101）采用频差为3MHz的横向塞曼双频激光器，发出一对偏振相互正交的波长为633nm的线偏振光，其平行和垂直纸面的频率分量分别为f1和f2，频差为3MHz。第一半透半反镜（102）为镀有半透膜的k9光学玻璃，光束经（102）后被分为光强相等的两束光，均含有f1和f2频率分量，其中反射光被第一探测器（103）接收形成频率为3MHz的参考信号，（103）为通用的商用光电探测器。透射光入射至第一偏振分光镜（104）后再次被分为两部分，（104）采用ZF玻璃并镀有偏振分光介质膜，含垂直频率分量f2的光束被（104）反射后入射至第二半透半反镜（109），（109）为镀有半透膜的k9光学玻璃，含平行频率分量f1的光束透射通过（104）后并继续透射通过第二偏振分光镜（105）和四分之一波片（106），（105）采用ZF玻璃并镀有偏振分光介质膜，（106）为高精度商用四分之一波片，其快轴位置设置为与垂直方向呈45°，光束然后入射到产生振动的待测样品（107）表面，（107）采用由压电陶瓷驱动的薄钢片，振动频率设置为500KHz。由于多普勒效应，从（107）表面反射回的光束其频率分量变为（f1＋0.5MHz），反射光再次通过（106），此时光偏振态旋转90°变为垂直方向，该光束再次入射到（105）并被反射，然后被一个商用高反射镜（108）继续反射并透射通过（109），与被（109）反射的含垂直频率分量f2的光束合并形成一束光，最后被第二探测器（110）接收形成频率为（3＋0.5）MHz的测量信号，（110）也为通用的商用光电探测器。参考信号和测量信号送入一个分辨率为0.01度的相位测量仪（111），（111）测得由于频差变化0.5MHz引起的的相位差变化

从而测得（107）的振动频率参数。

Claims

1.一种新型双频激光外差干涉相位测振光路，包括：双频激光源（101）、第一半透半反镜（102）、第一探测器（103）、第一偏振分光镜（104）、第二偏振分光镜（105）、四分之一波片（106）、待测样品（107）、全反射镜（108）、第二半透半反镜（109）、第二探测器（110）、相位测量仪（111）；其特征在于：

所述双频激光源（101）发出一对偏振相互正交的线偏振光，其平行和垂直纸面的频率分量分别为f1和f2，光束经第一半透半反镜（102）后被分为两部分，两部分光均含有f1和f2频率分量，其中反射光被第一探测器（103）接收形成频率为（f1-f2）的参考信号；透射光入射至第一偏振分光镜（104）后再次被分为两部分，其中含垂直频率分量f2的光束被反射后入射至第二半透半反镜（109）；含平行频率分量f1的光束透射通过第一偏振分光镜（104）后并继续透射通过第二偏振分光镜（105）和四分之一波片（106），四分之一波片（106）的快轴位置设置为与垂直方向呈45°，然后入射到产生振动的待测样品（107）表面，由于多普勒效应，从待测样品（107）表面反射回的光束其频率分量变为f1+△f；反射光再次通过四分之一波片（106），此时光偏振态旋转90°变为垂直方向，该光束再次入射到第二偏振分光镜（105）并被反射，然后被全反射镜（108）继续反射并透射通过第二半透半反镜（109），与被第二半透半反镜（109）反射的含垂直频率分量f2的光束合并形成一束光，最后被第二探测器（110）接收形成频率为（f1-f2＋△f）的测量信号；参考信号和测量信号送入相位测量仪（111）得到二者由于频差变化△f引起的的相位差变化

从而测得待测样品（107）的振动速度、频率等参数。

2.如权利要求1所述的一种新型双频激光外差干涉相位测振光路，其特征在于：所述双频激光源（101）发出的光具有一对相互正交的线偏振态，两个线偏振态f1和f2的频率差值在100kHz-100MHz之间。

3.如权利要求1所述的一种新型双频激光外差干涉相位测振光路，其特征在于：所述第一半透半反镜（102）将双频激光源（101）发出的光分为均含有f1和f2频率分量的两束光，其中反射光被第一探测器（103）接收形成频率为（f1-f2）的参考信号，透射光进入后续测量光路。

4.如权利要求1所述的一种新型双频激光外差干涉相位测振光路，其特征在于：所述第一偏振分光镜（104）将从第一半透半反镜（102）出射的光分为两束，反射光只含有垂直频率分量f2，透射光只含有平行频率分量f1。

5.如权利要求1所述的一种新型双频激光外差干涉相位测振光路，其特征在于：所述第二偏振分光镜（105）对从第一偏振分光镜（104）透射的含有平行频率分量f1的光束完全透射，对从待测振动样品（107）表明反射的含有垂直频率分量f1+△f的光束完全反射。

6.如权利要求1所述的一种新型双频激光外差干涉相位测振光路，其特征在于：所述四分之一波片（106）位于第二偏振分光镜（105）和待测样品（107）之间，其快轴位置与垂直方向呈45°，因此从第二偏振分光镜（105）透射的含平行频率分量f1的光束在通过四分之一波片（106）并被待测样品（107）表面反射，再次通过四分之一波片（106）后其偏振方向从平行方向变为垂直方向。

7.如权利要求1所述的一种新型双频激光外差干涉相位测振光路，其特征在于：从所述待测振动样品（107）表面反射回的光束其频率由于多普勒效应变为f1+△f。

8.如权利要求1所述的一种新型双频激光外差干涉相位测振光路，其特征在于：所述第二半透半反镜（109）将从第二偏振分光镜（105）及全反射镜（108）反射并透射通过它的含垂直频率分量f1+△f的光束与从第一偏振分光镜（104）及它反射的含垂直频率分量f2的光束合并形成一束光，然后被第二探测器（110）接收形成频率为（f1-f2＋△f）的测量信号。

9.如权利要求1所述的一种新型双频激光外差干涉相位测振光路，其特征在于：所述相位测量仪（111）接收由第一探测器（103）和第二探测器（110）输出的参考信号和测量信号，测量二者由于频差变化△f引起的的相位差变化