CN104266593B - 采用双可调光源法布里‑珀罗干涉仪的微位移测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用双可调激光源法布里‑珀罗干涉仪的微位移测量系统，属于几何量计量技术领域。本发明采用两套以波长可调激光为光源的法布里‑珀罗干涉仪对被测目标的位移进行测量，通过用两个可调光源对法布里‑珀罗腔不同谐振模态的频率进行交替跟踪，在保持法布里‑珀罗干涉仪高测量分辨力的同时，实现了位移测量范围的扩大。该系统有效地解决了提高干涉仪测量分辨力和扩大测量范围之间的矛盾，可以应用于纳米级准确度微位移测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用双可调激光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统，属于几何量计量技术领域。
背景技术
纳米科学技术的发展对高准确度微位移测量技术提出了迫切需求。激光干涉测量技术以其量值可溯源、测量分辨力高等优点，一直在高准确度微位移测量中占主导地位，测量准确度可达到纳米量级。然而，在与扫描探针显微镜相结合对微纳米表面形貌进行可溯源的测量时，由于干涉仪的测量准确度一般会比扫描探针显微镜的分辨力低一个数量级以上，传统的干涉仪已无法满足扫描探针显微镜类仪器的校准需求。随着各种高精度微位移传感器在精密工程中得到了越来越广泛的应用，解决其校准问题也急需研制更高准确度的测量系统。
激光干涉仪是近期进行长度测量溯源的最佳途径，国际主要计量机构的科学家们对高准确度和高分辨力的干涉技术研究都十分感兴趣。由于法布里-珀罗干涉仪可以突破双光束干涉仪在测量分辨力方面的限制，它在亚纳米及更高分辨力的微位移测量技术研究中倍受重视。通常的基于法布里-珀罗干涉仪的位移测量方法是：将可调激光源的频率锁定在法布里-珀罗干涉仪的谐振频率上，使激光频率随着被测位移发生变化，通过与稳频激光源进行拍频，测量可调激光源的频率变化，从而确定被测位移的大小。利用该方法可以实现高分辨力位移测量，但由于受到仪器原理和相关设备器件水平的制约，如高速光电接收器的测量范围和可调激光源的波长调节范围等限制，这种干涉系统的测量范围一般在微米以下量级。研究扩大法布里-珀罗干涉仪测量范围的方法对满足各种精密微位移传感器的校准需求具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服法布里-珀罗干涉仪在测量范围方面的局限，解决纳米级激光干涉仪和高精度微位移传感器的校准问题，提供了一种采用双可调光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统。
本发明系统采用两套以波长可调激光为光源的法布里-珀罗干涉仪对被测目标的位移进行测量，通过用两个可调光源对法布里-珀罗腔不同谐振模态的频率进行交替跟踪，在保持法布里-珀罗干涉仪高测量分辨力的同时，实现了位移测量范围的扩大。该系统有效地解决了提高干涉仪测量分辨力和扩大测量范围之间的矛盾，可以应用于纳米级准确度微位移测量以及各种高精度微位移量值的可溯源测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种采用双可调光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统，包括：稳频激光源、可调激光源A、可调激光源B、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第三偏振分光镜、第四偏振分光镜、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、参考反射镜、测量反射镜、第一光电接收器、第二光电接收器、第一高速光电接收器、第二高速光电接收器、频率计数器A和频率计数器B。
上述各组成部分的连接关系为：可调激光源A的右侧依次为同光轴的第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、参考反射镜、测量反射镜、第三偏振分光镜和第一光电接收器；其中，参考反射镜和测量反射镜组成法布里-珀罗腔；第三偏振分光镜的正上方为第二光电接收器，第二光电接收器与第三偏振分光镜的中心连线垂直于可调激光源A的光轴；可调激光源A的正上方为可调激光源B，可调激光源B的右侧依次为同光轴的第四偏振分光镜和第一平面反射镜；第四偏振分光镜与第二偏振分光镜中心对齐，第一平面反射镜对应的纵向位置介于第二偏振分光镜和参考反射镜之间；可调激光源A的下方为稳频激光源，稳频激光源的右侧依次为同轴的第一分光镜、第二分光镜、第二高速光电接收器和频率计数器B；第一分光镜对应的纵向位置在第一偏振分光镜的左侧，第二分光镜位于第一平面反射镜的正下方，与第一平面反射镜中心对齐；第一分光镜的正下方为第二平面反射镜，第二平面反射镜的右侧依次为同轴的第三分光镜、第一高速光电接收器和频率计数器A；第三分光镜位于第一偏振分光镜的正下方。
频率计数器A和频率计数器B分别连接至外部计算机，计算机与外部控制电路相连，控制电路接收第一光电接收器和第二光电接收器的信号，并输出控制信号至可调激光源A和可调激光源B。
本发明系统的工作过程为：从可调激光源A发出的光束，被第一偏振分光镜分为两束，透射光束经过第二偏振分光镜后射向由参考反射镜和测量反射镜组成的法布里-珀罗腔，透过测量反射镜的光束透过第三偏振分光镜，射向第一光电接收器；被第一偏振分光镜反射的光束，被第三分光镜反射，射向第一高速光电接收器。
从可调激光源B发出的光束，被第四偏振分光镜分为两束，反射光束被第二偏振分光镜反射，射向由参考反射镜和测量反射镜组成的法布里-珀罗腔，透过测量反射镜的光束被第三偏振分光镜反射，射向第二光电接收器；透过第四偏振分光镜的光束，经第一平面反射镜反射后，被第二分光镜反射，射向第二高速光电接收器。
从稳频激光源发出的光束，被第一分光镜分为两束，透射光束透过第二分光镜，与来自可调激光源B的光束相遇，射向第二高速光电接收器；被第一分光镜反射的光束，经第二平面反射镜反射后透过第三分光镜，与来自可调激光源A的光束相遇，射向第一高速光电接收器。第一高速光电接收器的输出信号送至频率计数器A，第二高速光电接收器的输出信号送至频率计数器B。
法布里-珀罗腔的测量反射镜与被测物体刚性连接。
所述光电接收器与高速光电接收器的区别为：光电接收器为普通的光电二极管等光电接收器件，高速光电接收器为用于接收快速光信号的带宽不小于1GHz的光电接收器件。
本发明的一种采用双可调光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统，为了扩大测量范围，设计了用两个干涉系统测量同一个法布里-珀罗腔长度变化的方法。其中，第一干涉系统的组成包括可调激光源A、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、参考反射镜、测量反射镜、第三偏振分光镜和第一光电接收器；第二干涉系统的组成包括可调激光源B、第四偏振分光镜、第一平面反射镜、第二偏振分光镜、参考反射镜、测量反射镜、第三偏振分光镜和第二光电接收器；第一干涉系统和第二干涉系统同用第二偏振分光镜、参考反射镜、测量反射镜和第三偏振分光镜。
开始测量时，将可调激光源A的频率锁定在法布里-珀罗干涉仪的某一谐振模N1的频率上。随着测量反射镜沿光轴的前后移动，法布里-珀罗干涉仪各模态的频率发生移动，可调激光源A跟踪第N1模的频率，利用该光源所在的第一干涉系统对测量反射镜的位移进行测量，可调激光源A的频率，通过与稳频激光源进行拍频，由频率计数器A测量。当可调激光源A的频率变化大于一个模间距且接近第一干涉系统的最大可测范围时，将可调激光源B的频率锁在法布里-珀罗干涉腔的另一个模N2上，利用该光源所在的第二干涉系统开始对测量反射镜的位移进行测量，可调激光源B的频率，通过与稳频激光源进行拍频，由频率计数器B测量。同时记录两个干涉系统的测量结果，然后由可调激光源B跟踪第N2模的频率变化,用该光源所在的第二干涉系统继续对测量反射镜的位移进行测量，将可调激光源A从第N1个模的锁定状态解开，并将其频率调回到初始值。当可调激光源B跟踪第N2模的频率变化到接近第二干涉系统的测量范围上限值时，再次将可调激光源A锁在法布里-珀罗腔的N3模上，并同时记录两个干涉系统的测量结果，然后由可调激光源A跟踪第N3模的频率变化来继续测量位移。用两个干涉测量系统如此循环交替地进行测量，直到测完整个位移范围。
所述装置还可以先从可调激光源B所在干涉系统开始测量过程。
有益效果
1、本发明的一种采用双可调光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统，因为采用两个可调激光源对法布里-珀罗干涉仪的谐振频率进行换模锁定，利用两个干涉系统循环交替地测量位移，所以能够将位移测量范围扩大，突破了传统的基于法布里-珀罗干涉仪的位移测量方法的测量范围限制。
2、本发明所述的系统，因为采用的仍然是法布里-珀罗干涉仪频率追踪测量原理，所以保持了基于法布里-珀罗干涉仪的位移测量方法的高分辨力的特点。
综上所述，本发明的一种采用双可调光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统，同时具有测量分辨力高和测量范围大的优点，有效地解决了提高测量分辨力和扩大测量范围之间的矛盾，在高准确度微位移测量、纳米级干涉仪和高精度微位移传感器校准等方面具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明所述的一种采用双可调光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统的实施例的光学系统示意图。
其中，1—稳频激光源，2—可调激光源A，3—可调激光源B，4a—第一偏振分光镜，4b—第二偏振分光镜，4c—第三偏振分光镜，4d—第四偏振分光镜，5a—第一平面反射镜，5b—第二平面反射镜，6—参考反射镜，7—测量反射镜，8a—第一光电接收器，8b—第二光电接收器，9a—第一分光镜，9b—第二分光镜，9c—第三分光镜，10a—第一高速光电接收器，10b—第二高速光电接收器，11—频率计数器A，12—频率计数器B。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1
本发明的一种采用双可调光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统，包括：稳频激光源，可调激光源A，可调激光源B，参考反射镜，测量反射镜，偏振分光镜，分光镜，平面反射镜，光电接收器和高速光电接收器。
以可调激光源A为起点，说明该系统各组成部分之间的位置关系：
可调激光源A的右侧为两块偏振分光镜，偏振分光镜的右侧依次为参考反射镜和测量反射镜，这两块反射镜组成法布里-珀罗腔，测量反射镜的右侧为偏振分光镜，偏振分光镜的右侧和上方为光电接收器；
可调激光源A的上方为可调激光源B，可调激光源B的右侧为偏振分光镜和平面反射镜，偏振分光镜与可调激光源A右侧的第二块偏振分光镜对齐，平面反射镜的横向位置介于偏振分光镜和参考反射镜之间；
可调激光源A的下方为稳频激光源，稳频激光源的右侧为两块分光镜，第一块分光镜的横向位置在可调激光源A右侧第一块偏振分光镜的左侧，第二块分光镜位于平面反射镜的下方，其右侧为高速光电接收器，第一块分光镜的下方为平面反射镜，平面反射镜的右侧为分光镜，该分光镜位于可调激光源-A右侧第一块偏振分光镜的下方，分光镜的右侧为高速光电接收器。
从可调激光源A发出的光束，被偏振分光镜分为两束，透射光束经过右侧的偏振分光镜后射向由参考反射镜和测量反射镜组成的法布里-珀罗腔，透过测量反射镜的光束透过偏振分光镜，射向光电接收器；被偏振分光镜反射的光束，被下方的分光镜反射，射向高速光电接收器。
从可调激光源B发出的光束，被偏振分光镜分为两束，反射光束被下方的偏振分光镜反射，射向由参考反射镜和测量反射镜组成的法布里-珀罗腔，透过测量反射镜的光束被偏振分光镜反射，射向光电接收器；透过偏振分光镜的光束，经平面反射镜反射后，被下方的分光镜反射，射向高速光电接收器。
从稳频激光源发出的光束，被分光镜分为两束，透射光束透过右侧的分光镜，与来自可调激光源B的光束相遇，射向高速光电接收器；被分光镜反射的光束，经平面反射镜反射后透过分光镜，与来自可调激光源A的光束相遇，射向高速光电接收器。
法布里-珀罗腔的测量反射镜与被测物体刚性连接。
以可调激光源A和可调激光源B为光源的法布里-珀罗干涉仪可分别对测量反射镜的位移进行测量，被测位移可以由式(2)确定，频率f及其变化量Δf通过将可调激光源与稳频激光源进行拍频来测量。
为了扩大测量范围，本发明中用这两个干涉系统交替测量法布里-珀罗腔测量反射镜的位移，形成对测量反射镜位移的连续跟踪。开始测量时，将可调激光源A的频率锁定在法布里-珀罗干涉仪的某一谐振模N1的频率上，用第一个干涉系统测量位移；当可调激光源A跟踪第N1个模的频率变化到接近该干涉系统可测量的最大范围时，将可调激光源B的频率锁在法布里-珀罗腔的另一个模N2上，用两个干涉系统同时测量位移；然后将可调激光源A从第N1个模的锁定状态解开，将其频率调回到初始值，由可调激光源B继续跟踪频率变化，用第二个干涉系统测量位移；当可调激光源B跟踪第N2个模的频率变化到接近该系统的最大可测量范围时，再次将可调激光源A锁在法布里-珀罗腔的N3谐振模上，同时记录两个系统所测得的位移值，然后由可调激光源A跟踪N3模的频率变化来继续测量位移。用两个干涉测量系统如此循环交替地进行测量，直到测完整个位移范围。
Claims (4)
1.采用双可调激光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统，其特征在于：采用两个可调激光源交替跟踪法布里-珀罗干涉仪谐振频率变化，具体包括稳频激光源(1)、可调激光源A(2)、可调激光源B(3)、第一偏振分光镜(4a)、第二偏振分光镜(4b)、第三偏振分光镜(4c)、第四偏振分光镜(4d)、第一平面反射镜(5a)、第二平面反射镜(5b)、参考反射镜(6)、测量反射镜(7)、第一光电接收器(8a)、第二光电接收器(8b)、第一分光镜(9a)、第二分光镜(9b)、第三分光镜(9c)、第一高速光电接收器(10a)、第二高速光电接收器(10b)、频率计数器A(11)和频率计数器B(12)；
上述各组成部分的连接关系为：可调激光源A(2)的右侧依次为同光轴的第一偏振分光镜(4a)、第二偏振分光镜(4b)、参考反射镜(6)、测量反射镜(7)、第三偏振分光镜(4c)和第一光电接收器(8a)；其中，参考反射镜(6)和测量反射镜(7)组成法布里-珀罗腔；第三偏振分光镜(4c)的正上方为第二光电接收器(8b)，第二光电接收器(8b)与第三偏振分光镜(4c)的中心连线垂直于可调激光源A(2)的光轴；可调激光源A(2)的正上方为可调激光源B(3)，可调激光源B(3)的右侧依次为同光轴的第四偏振分光镜(4d)和第一平面反射镜(5a)；第四偏振分光镜(4d)与第二偏振分光镜(4b)中心对齐，第一平面反射镜(5a)对应的纵向位置介于第二偏振分光镜(4b)和参考反射镜(6)之间；可调激光源A(2)的下方为稳频激光源(1)，稳频激光源(1)的右侧依次为同轴的第一分光镜(9a)、第二分光镜(9b)、第二高速光电接收器(10b)和频率计数器B(12)；第一分光镜(9a)对应的纵向位置在第一偏振分光镜(4a)的左侧，第二分光镜(9b)位于第一平面反射镜(5a)的正下方，与第一平面反射镜(5a)中心对齐；第一分光镜(9a)的正下方为第二平面反射镜(5b)，第二平面反射镜(5b)的右侧依次为同轴的第三分光镜(9c)、第一高速光电接收器(10a)和频率计数器A(11)；第三分光镜(9c)位于第一偏振分光镜(4a)的正下方。
2.如权利要求1所述的采用双可调激光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统，其特征在于：从可调激光源A(2)发出的光束，被第一偏振分光镜(4a)分为两束，透射光束经过第二偏振分光镜(4b)后射向由参考反射镜(6)和测量反射镜(7)组成的法布里-珀罗腔，透过测量反射镜(7)的光束透过第三偏振分光镜(4c)，射向第一光电接收器(8a)；被第一偏振分光镜(4a)反射的光束，被下方的第三分光镜(9c)反射，射向第一高速光电接收器(10a)；
从可调激光源B(3)发出的光束，被第四偏振分光镜(4d)分为两束，反射光束被下方的第二偏振分光镜(4b)反射，射向由参考反射镜(6)和测量反射镜(7)组成的法布里-珀罗腔，透过测量反射镜(7)的光束被第三偏振分光镜(4c)反射，射向第二光电接收器(8b)；透过第四偏振分光镜(4d)的光束，经第一平面反射镜(5a)反射后，被下方的第二分光镜(9b)反射，射向第二高速光电接收器(10b)；
从稳频激光源(1)发出的光束，被第一分光镜(9a)分为两束，透射光束透过右侧的第二分光镜(9b)，与来自可调激光源B(3)的光束相遇，射向第二高速光电接收器(10b)；被第一分光镜(9a)反射的光束，经第二平面反射镜(5b)反射后透过第三分光镜(9c)，与来自可调激光源A(2)的光束相遇，射向第一高速光电接收器(10a)；第一高速光电接收器(10a)的输出信号送至频率计数器A，第二高速光电接收器(10b)的输出信号送至频率计数器B。
3.如权利要求1所述的采用双可调激光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统，其特征在于：用两个干涉系统测量同一个法布里-珀罗腔长度变化：开始测量时，将可调激光源A(2)的频率锁定在法布里-珀罗干涉仪的某一谐振模N1的频率上；随着测量反射镜(7)沿光轴的前后移动，法布里-珀罗干涉仪各模态的频率发生移动，可调激光源A(2)跟踪第N1模的频率，利用该光源所在的第一干涉系统对测量反射镜(7)的位移进行测量,可调激光源A(2)的频率，通过与稳频激光源进行拍频，由频率计数器A(11)测量；当可调激光源A(2)的频率变化大于一个模间距且接近第一干涉系统的最大可测范围时，将可调激光源B(3)的频率锁在法布里-珀罗干涉腔的另一个模N2上，利用该光源所在的第二干涉系统开始对测量反射镜的位移进行测量，可调激光源B(3)的频率，通过与稳频激光源进行拍频，由频率计数器B(12)测量；同时记录两个干涉系统的测量结果，然后由可调激光源B(3)跟踪第N2模的频率变化,用该光源所在的第二干涉系统继续对测量反射镜(7)的位移进行测量，将可调激光源A(2)从第N1个模的锁定状态解开，并将其频率调回到初始值；当可调激光源B(3)跟踪第N2模的频率变化到接近第二干涉系统的测量范围上限值时，再次将可调激光源A(2)锁在法布里-珀罗腔的N3模上，并同时记录两个干涉系统的测量结果，然后由可调激光源A(2)跟踪第N3模的频率变化来继续测量位移；用两个干涉测量系统如此循环交替地进行测量，直到测完整个位移范围。
4.如权利要求1所述的采用双可调激光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统，其特征在于：所述系统还能先从可调激光源B(3)所在干涉系统开始测量过程。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |