CN103528511A - 正弦相位调制型激光自混合干涉仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正弦相位调制型激光自混合干涉仪及其测量方法。该仪器包括：氦氖激光器、可变中性密度滤波器、电光晶体调制器、待测目标、光电探测器、信号发生器：产生频率为ω_m的正弦信号，一路用于驱动电光晶体调制器，另一路作为频率为ω_m的一倍频信号输出，还有一路经过倍频器和移相器后输出频率为2ω_m的二倍频信号；光电探测器的输出经运算放大器放大后分别与一倍频和两倍频信号混频，得到的两路信号经低通滤波，再由计算机单元控制模数转换单元采集并解调出相位，得到待测目标的实时位移并显示。该干涉仪经校准，获得～10^-6×L的相对测量精度，在100μm和300mm测量范围内测量不确定度分别为10nm和0.15μm，可测速度范围为0～60mm/s。

Description

正弦相位调制型激光自混合干涉仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及位移精密测量技术领域，准确地说是一种涉及高分辨率和大测量范围的激光自混合干涉测量仪及其测量方法。

背景技术

位移测量仪器是众多测量仪器中最基础的组成部分，许多其他物理、化学或生物量的测量均是基于位移测量，因此位移测量仪器在信息科学、生命科学、工业生产、空间技术及国防技术中得到了广泛应用。随着信息技术、先进制造产业、生物医学等研究领域的飞速发展，在很多应用场合需要高灵敏度、高测量精度和大测量范围的位移测量仪器。例如，大规模集成电路的光刻控制，集成电路芯片的表面轮廓测量及微纳机电系统中零部件的制造和加工等。因此研究具有大范围高精度的位移测量仪器具有重要的意义。

目前测量位移的方法很多，比如激光干涉仪、电容位移传感器、电感位移传感器、电涡流位移传感器等。其中，电容位移传感器、电涡流位移传感器等具有较小的体积及较低的价格，但是此类小型位移传感器的缺点是存在原理上的非线性，线性测量范围较小并需要校准。而激光干涉仪基于光学干涉的方法，以光波长作为测尺，能够实现纳米级的位移测量分辨率，是目前科学工程和工业领域中大量程精密位移测量的重要工具，然而市场上的很多干涉仪系统复杂，成本较高，属于大型贵重仪器，此外，在具体使用过程中的被测对象为合作目标。例如，美国Agilent公司的5529A双频干涉仪，光学部分具有参考光路和测量光路，因此需要配合偏振分光棱镜、参考镜和被测镜使用，其测量分辨率可达10nm，被测靶镜通常为角锥棱镜，体积较大、质量较重。而在很多应用场合中待测物本身是非配合物，且其表面不能固定合作目标。例如，微机电系统的位移测量，该器件尺寸小、质量轻，轻微的测量力都会导致被测结构发生形变，甚至损坏。现有的激光干涉仪不适合于此类非配合目标的精密位移测量。因此迫切需要发展一种新型的适用于工业现场测量的，具有高分辨率和大量程的位移测量仪器。

基于外部光反馈效应的激光自混合干涉技术是近年来兴起的一种具有很高应用价值的新型干涉计量技术，该技术利用被测物体反射或散射的部分激光重新耦合入激光器谐振腔时，调制激光器输出功率及输出频率的特性，实现速度、位移、振动及距离等物理量的精密测量，由于系统固有的结构简单、测量精度高、易于准直及可以工作于粗糙散射表面的显著优点，解决了传统干涉测量技术系统复杂、敏感于准直等问题，在很多场合可以代替传统的干涉仪。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光自混合干涉仪，该仪器是一种利用光反馈效应产生的激光自混合干涉进行大尺度位移的精密测量仪器。本发明的另外一个目的是提供一种利用该激光自混合干涉仪进行位移测量的方法。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

正弦相位调制型激光自混合干涉仪，包括：氦氖激光器，正向输出单纵模线偏振激光；可变中性密度滤波器，放置在氦氖激光器发射端轴线上；电光晶体调制器，放置在可变中性密度滤波器的透射光路上，对入射激光束进行正弦相位调制，相位调制的函数由信号发生器产生的频率为ω_m的正弦信号提供；待测目标，放置在电光晶体调制器之后，固定在运动平台上，使得反射光沿着和测量光传播方向相反的方向返回氦氖激光器；光电探测器，放置在氦氖激光器的后向输出光路上；运算放大器，输入端和光电探测器的输出端相连，将光电探测器检测到的信号放大后输出；倍频器，输入端和信号发生器的输出端相连，将频率为ω_m的信号进行倍频运算，输出频率为2ω_m的正弦电信号；移相器，输入端和倍频器的输出端相连，改变频率为2ω_m的正弦电信号的初始相位后输出；第一混频器，一输入端和信号发生器的输出端相连，另一输入端和运算放大器的输出端相连，将光电探测器输出信号的频率为ω_m处的一次谐波信号搬移至零频后输出；第二混频器，一输入端和移相器的输出端相连，另一输入端和运算放大器的输出端相连，将光电探测器输出信号的频率为2ω_m处的二次谐波信号搬移至零频后输出；第一低通滤波器，输入端与第一混频器的输出端相连，输出ω_m以内的低频信号；第二低通滤波器，输入端与第一混频器的输出端相连，输出ω_m以内的低频信号；模数转换单元，一输入端与第一低通滤波器的输出端相连，另一输入端与第二低通滤波器的输出端相连，实现两路信号的同步采样；计算机单元，输入端与模数转换单元的输出端相连，对经模数转换单元转换后得到的两路数字信号进行计算，并显示待测目标的位移。

为了实现上述的正弦相位调制型激光自混合干涉仪测量大尺度位移，本发明的测量方法主要包括以下步骤：氦氖激光器发出单纵模线偏振激光，由可变中性密度滤波器控制出射光束的衰减程度；信号发生器产生正弦信号驱动电光晶体调制器，对光束进行纯相位调制；经过调制后的光束由被测目标反射按原路返回，重新耦合入氦氖激光器的谐振器，发生自混合干涉效应，自混合干涉信号的光强由光电探测器接收；信号处理基于相位产生载波解调技术，分别产生相位调制信号的频率为ω_m的一倍频信号和频率为2ω_m的两倍频信号，并分别与自混合干涉信号进行混频运算；两路混频运算的输出经过低通滤波，产生严格的正交信号，一路信号正比于被测目标相位的正弦函数，另一路信号正比于被测目标相位的余弦函数；两路正交信号经过模数转换，并由虚拟仪器软件计算相应的反正切函数，可以获得待测目标的实时相位

最后依据相位与自混合干涉仪外腔长度之间的关系

就可以重构待测目标的实时位移，其中L(t)为物体的实时位移，λ为氦氖激光器(1)发出的激光波长。

激光自混合干涉现象是指激光器的输出光被反馈回自身的谐振腔，调制激光器输出功率的现象。由于反馈光携带了待测目标的运动信息，因此可以从激光功率的调制信号中测量待测目标的位移。在弱光反馈条件下，自混合干涉信号是周期变化的余弦信号，本发明使用高精度的体电光相位调制器对外腔中的光束进行纯相位调制，通过放置在激光器尾部的光电探测器获得调相干涉信号，利用相位生成载波解调技术对该调相干涉信号进行解调，可以获得精度极高的相位信息，也就是待测目标的位移信息。

本发明的有益效果：

1）本发明采用激光自混合干涉原理，不需要传统干涉仪的分束器和参考镜等辅助光学元件，结构简单，紧凑，实验装置易准直。

2）本发明采用氦氖激光器作为系统光源，可以利用兰姆凹陷或者是塞曼分裂的等光强点作为激光频率稳定的天然工作点，因此频率稳定性好，另外，由于光束的发散角极小，无需经过准直就可以进行大尺度位移测量，具有性能稳定，使用方便，通用性强等优点。

3）本发明提出采用电光晶体实现相位调制，将待测信息调制到高频分量上，信号处理系统基于相位产生载波解调技术，降低了低频环境噪声对测量结果的影响，从而大幅度提高了位移测量装置的分辨率和系统的抗干扰能力。目前，该位移测量系统经江苏省计量科学研究院的校准，获得了～10^-6×L的相对测量精度，在100μm和300mm的测量范围内的测量不确定度分别为10nm和0.15μm，可测速度范围为0～60mm/s。

附图说明

图1是本发明正弦相位调制型激光自混合干涉仪实验装置示意图；

图2是本发明正弦相位调制型激光自混合干涉仪机械结构图；

图3是本发明正弦相位调制型激光自混合干涉仪的软件处理流程图。

具体实施方式

本发明的正弦相位调制型激光自混合干涉仪测量原理如下：

单纵模线偏振氦氖激光器输出的光场E(t)为：

式中，各变量的含义为：E₀为光场的振幅，ω为激光角频率，为出射光场的初始相位。

在外腔中，出射激光经过电光调制器进行相位调制，调制后的光场E₁(t)为

式中，各变量的含义为：a为正弦相位调制的深度，ω_m为正弦相位调制的角频率，α为正弦相位调制的初始相位。

调制后的光束照射到待测目标上，反射光沿着来时的传播路径返回氦氖激光器，在返回过程中，光束再次经过电光晶体调制器，因此，反射光的光场E₂(t)为

式中，各变量的含义为：K_m为返回光场的反馈强度，τ为光束在外腔中的时延。返回光场耦合入氦氖激光器，引起激光器输出功率的调制ΔP(t)：

ΔP(t)=GK_m E₀cos[ωτ+2asin(ω_mt+α)]    (4)

式中，G为与激光器自身参数有关的增益项，对式(4)进行傅氏变换，可以得到激光器输出功率中频率为ω_m和2ω_m的频率分量的幅值可以表示为

F(ω_m)=-GK_mE₀sin(ωτ)J₁(2a)    (5)

F(2ω_m)=GK_mE₀cos(ωτ)J₂(2a)    (6)

式中，各变量的含义为：J₁为一阶贝塞尔函数，J₂为二阶贝塞尔函数。频率为ω_m的谐波分量的幅值正比于待测目标相位的正弦函数，频率为2ω_m的谐波分量的幅值正比于待测目标相位的余弦函数，分别将频率为ω_m和频率为2ω_m的谐波分量的振幅进行归一化处理，那么两者的比值[-F(ω_m)/F(2ω_m)]即准确反映了待测目标位移引起的外腔相位变化，测量相位可以表示为

ωτ=arctan[-F(ω_m)/F(2ω_m)]    (7)

其中，仅当外腔相位发生变化时，测量系统才进行准确地记录，并通过相位变化量的累加，计算待测目标的实时位移。

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

本发明实施例的结构如图1所示，包括：

氦氖激光器1，依次放置在该激光器正向发射端轴线上的可变中性密度滤波器2、电光晶体调制器3和固定在一维精密运动平台6上待测目标5；光电探测器7，放置在该激光器反向发射端轴线上；正弦信号发生源4，输出端与电光晶体调制器3的输入端相连，输出频率为ω_m的驱动信号；运算放大器8，输入端和光电探测器7的输出端相连；倍频器9，输入端和信号发生器4的输出端相连，输出频率为2ω_m的正弦信号；移相器10，输入端和倍频器9的输出端相连；第一混频器111，一输入端和信号发生器4的输出端相连，另一输入端和运算放大器8的输出端相连，输出自混合干涉信号的一次谐波信号；第二混频器112，一输入端和移相器10的输出端相连，另一输入端和运算放大器8的输出端相连，输出自混合干涉信号的二次谐波信号；第一低通滤波器121，输入端与第一混频器111的输出端相连；第二低通滤波器122，输入端与第一混频器112的输出端相连；模数转换单元13，一输入端与第一低通滤波器121的输出端相连，另一输入端与第二低通滤波器的输出端122相连，实现两路信号的同步采样；计算机单元14，输入端与模数转换单元13的输出端相连，输出待测目标的位移。

结合图1来具体说明本发明的位移测量方法，具体测量步骤如下：

1）氦氖激光器1输出单纵模基横模线偏振激光，经过可变线性密度滤波器2进行一定的衰减后透射到电光晶体调制器3；

2）电光晶体调制器3的主轴方向与氦氖激光器1输出激光的偏振方向重合，实现光束的纯相位调制，引入频率为ω_m的正弦附加相位；

3）调制后的光束照射到待测目标5上，在本实施例中，待测目标5为猫眼逆向反射器，其效果使反射光沿着来时的传播路径返回氦氖激光器，形成反馈光，导致激光器的输出功率受到调制；反馈光的传播路径在图1中用箭头标明；

4）放置在氦氖激光器1反向输出端的光电探测器7将光功率的调制转换为光功率电信号；将此电信号经过放大器8放大200倍后和信号发生器4输出的频率为ω_m的电信号同时送入第一混频器111中，经过第一低通滤波器121后输出自混合干涉信号的一阶谐波分量的幅度信息，反映了待测目标位移引起外腔相位变化的正弦函数；将信号发生器4的输出经过倍频器9实现频率为2ω_m信号输出，通过移相器10后和光功率电信号同时送入第二混频器112中，经过第二低通滤波器122后输出自混合干涉信号的二阶谐波分量的幅度信息，反映了待测目标位移引起外腔相位变化的余弦函数；

5）第一低通滤波器121和第二低通滤波器122的输出同时送入数据采集系统中，实现两路通道的16位同步采样，设置数据采集系统工作在最大采样率模式，采样频率为750kHz，将采集得到的数字信号交由计算机。两路数字信号的比值准确的反映了待测目标位移引起的外腔相位变化，从而可以计算得到待测目标的位移。

结合图2说明本发明正弦相位调制型激光自混合干涉仪的机械结构图，包括：

通过支架161固定在底座15上的氦氖激光器1，在该激光器正向发射端轴线上，依次固定在底座15上的有可变中性密度滤波器2和电光晶体调制器3，光束自底座侧边孔输出，入射到固定在一维精密运动平台6上待测目标5；光电探测器7，放置在该激光器反向发射端轴线上；

结合图3说明本发明正弦相位调制型激光自混合干涉仪的软件处理流程图。本发明基于虚拟仪器软件LabVIEW作为系统的编程开发平台，完成计算机与采集系统的通信、数据分析、数据显示和数据存储等功能。LabVIEW软件启动后，首先初始化模数转换单元，利用数据采集I/O模块可以灵活地控制采集的开始与终止，配置采集系统的工作方式为连续采样，在该模式下，采样系统源源不断地对输入的模拟信号进行模数转换。每经过0.1s的时间，计算机将这段时间内的两路采样信号读入内存中，其中一路信号正比于待测相位的正弦函数，另一路信号正比于待测相位的余弦函数，首先对两路信号进行振幅的归一化处理，使得两路信号的振幅相等；接着进行两路信号比值的反正切运算，获得随时间变化的外腔相位变化；由于反正切获得的相位包裹于[-π，π]之间，需要对信号进行解包裹运算；最后根据外腔相位与待测目标位移的关系计算待测位移，如此循环往复，并在显示终端上实时显示待测目标的位移。

本发明保持了氦氖激光自混合干涉仪的结构简单的优点，并且通过高精度相位调制解调技术有效地提高了系统的分辨率，通过模拟电路实现相位产生载波方法极大地改善了干涉仪的动态测量范围，提高了氦氖激光自混合干涉仪的实用性。本发明可以广泛地应用于各种大尺度非接触式的精密位移测量，应用前景很好。

Claims (2)

1.正弦相位调制型激光自混合干涉仪，其特征在于，干涉仪包括：

氦氖激光器(1)，正向输出单纵模线偏振激光；

可变中性密度滤波器(2)，放置在氦氖激光器(1)发射端轴线上；

电光晶体调制器(3)，放置在可变中性密度滤波器(2)的透射光路上，对入射激光束进行正弦相位调制，相位调制的函数由信号发生器(4)产生的频率为ω_m的正弦信号提供；

待测目标(5)，放置在电光晶体调制器(3)之后，固定在运动平台(6)上，使得反射光沿着和测量光传播方向相反的方向返回氦氖激光器(1)；

光电探测器(7)，放置在氦氖激光器(1)的后向输出光路上；

运算放大器(8)，输入端和光电探测器(7)的输出端相连，将光电探测器(7)检测到的信号放大后输出；

倍频器(9)，输入端和信号发生器(4)的输出端相连，将频率为ω_m的信号进行倍频运算，输出频率为2ω_m的正弦电信号；

移相器(10)，输入端和倍频器(9)的输出端相连，改变频率为2ω_m的正弦电信号的初始相位后输出；

第一混频器(111)，一输入端和信号发生器(4)的输出端相连，另一输入端和运算放大器(8)的输出端相连，将光电探测器(7)输出信号的频率为ω_m处的一次谐波信号搬移至零频后输出；

第二混频器(112)，一输入端和移相器(10)的输出端相连，另一输入端和运算放大器(8)的输出端相连，将光电探测器(7)输出信号的频率为2ω_m处的二次谐波信号搬移至零频后输出；

第一低通滤波器(121)，输入端与第一混频器(111)的输出端相连，输出频率ω_m以内的低频信号；

第二低通滤波器(122)，输入端与第一混频器(112)的输出端相连，输出频率ω_m以内的低频信号；

模数转换单元(13)，一输入端与第一低通滤波器(121)的输出端相连，另一输入端与第二低通滤波器的输出端(122)相连，实现两路模拟信号的同步采样；

计算机单元(14)，输入端与模数转换单元(13)的输出端相连，对经模数转换单元(13)转换后得到的两路数字信号进行计算，并显示待测目标(5)的位移。

2.利用如权利要求1所述的正弦相位调制型激光自混合干涉仪的测量方法，其特征在于主要包括以下步骤：

氦氖激光器(1)发出单纵模基横模激光，经过可变中性密度滤波器(2)后由电光相位调制器(3)对光束进行纯相位调制；

信号发生器(4)输出频率为ω_m的正弦驱动信号施加给电光相位调制器，引入光束的附加正弦相位，调制后的光束由待测目标反射并按原路返回激光器，产生自混合干涉现象，引起的激光器输出功率的变化由光电探测器(7)检测；

信号处理基于相位产生载波解调技术，由信号发生器(4)的输出产生频率为ω_m的一倍频信号，将该信号依次经过倍频器(9)和移相器(10)产生频率为2ω_m的二倍频信号，将光电探测器的输出放大200倍后分别与一倍频信号和二倍频信号进行混频运算，得出一倍频信号和二倍频信号的幅度信息，经过低通滤波后，进行模数转换；

转换后的两路数字信号为严格的正交信号，一路信号正比于被测目标相位的正弦函数，另一路信号正比于被测目标相位的余弦函数；由虚拟仪器软件首先对信号进行振幅的归一化运算，使两路信号具有相同的振幅，再计算相应的反正切函数，可以获得待测目标的实时相位

最后依据相位与自混合干涉仪外腔长度之间的关系

就可以重构待测目标的实时位移，其中L(t)为物体的实时位移，λ为氦氖激光器(1)发出的激光波长。

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