CN104713473B - 激光自混合光栅干涉仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光自混合光栅干涉仪及其测量方法。该干涉仪包括激光器、衍射光栅、平面反射镜、光电探测器、电信号处理系统和数据采集分析系统；衍射光栅置于激光器的输出光路上，其位移方向垂直于激光器的输出光路；激光器发出的激光垂直入射至衍射光栅，在入射光路两侧形成对称分布的各级次衍射光，平面反射镜设置在某m级次衍射光的光路上，使第m(m≠0)级衍射光垂直入射至平面反射镜并沿原光路返回，并再次入射至衍射光栅发生二次衍射，二次衍射光携带光栅位移信息沿激光器出射光的相反方向返回到激光器腔内与腔内光发生自混合干涉。本发明具有结构简单紧凑，成本低、抗干扰能力强、无需控制光反馈水平、自动识别位移方向等优点。

Description

激光自混合光栅干涉仪及其测量方法

技术领域

本发明属于精密位移测量技术领域，具体地涉及一种测量微小位移的激光自混合光栅干涉仪及其测量方法。

背景技术

激光干涉仪基于光学干涉的方法，以光波长作为测尺，是目前科学工程和工业领域中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，例如，美国Agilent公司的5529A双频干涉仪。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。由于激光自混合干涉系统固有的结构简单、自准直、及可以工作于粗糙散射表面等显著优点，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。

和传统激光干涉仪一样，激光自混合干涉仪也是以激光波长作为位移或长度测量的基准。但在自混合干涉中，反馈光会影响激光器输出波长，一般使自混合干涉仪工作在弱反馈条件下，以减小(但无法避免)激光波长波动带来的测量误差。同时空气折射率波动，温度变化引起的元器件变形以及激光器自身的不稳定等因素都会导致反馈光的外腔相位发生漂移，严重影响实际测量时系统的分辨率。因此，普通的自混合干涉仪对测量环境和反馈强度等具有非常苛刻的要求，不利于其实用化。

光栅式干涉仪测量的原理是利用运动的光栅产生两路衍射光束，由于多普勒效应的作用，两路衍射光会产生符号相反的频移，经过一定的光路系统重新会合产生干涉，即可获得频率和运动速度成正比的干涉条纹信号，经过信号处理可作位移或距离测量。光栅干涉仪使用光栅的栅距作为测量基准，而非激光波长，大大提高了测量系统对外部环境的适应力。当激光入射光栅时，由于光点尺寸远大于光栅栅距，所以刻线误差也在平均效应的作用下变得微乎其微。但现有光栅干涉仪光路中含有多个光电探测器、偏振分光棱镜、波片等元件，结构复杂，光路调节困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光自混合光栅干涉仪，它以衍射光栅的栅距作为自混合干涉位移或长度的测量基准，是一种结构简单紧凑，抗干扰能力强、无需控制光反馈水平、能自动识别位移方向的低成本精密位移传感器。本发明的另外一个目的是提供一种利用该干涉仪的测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

激光自混合光栅干涉仪，包括激光器、衍射光栅、平面反射镜、光电探测器、电信号处理系统和数据采集分析系统；所述衍射光栅置于激光器的输出光路上，所述衍射光栅位移方向垂直于激光器的输出光路；所述激光器发出的激光垂直入射至衍射光栅，在入射光路两侧形成对称分布的各级次衍射光，所述平面反射镜设置在某m级次衍射光的光路上，使第m级衍射光垂直入射至平面反射镜并沿原光路返回，并再次入射至衍射光栅发生二次衍射,其中m≠0，第m级二次衍射光携带光栅位移信息沿激光器出射光的相反方向返回到激光器腔内与腔内光发生自混合干涉，所述光电探测器放置在激光器后向输出光路上，光电探测器的输出接所述电信号处理系统，电信号处理系统输出接所述数据采集分析系统。

进一步地，所述m＝1或者m＝2。

所述自混合干涉的条纹为类锯齿波，一个干涉条纹对应于所述衍射光栅的d/2m位移，其中d为光栅栅距；所述类锯齿波的倾斜方向对应于所述衍射光栅的位移方向。

所述衍射光栅为反射式衍射光栅或透射式衍射光栅。所述衍射光栅的前方或后方设置有挡板，用来挡去不需要的级数的衍射光束。衍射光栅的材料可以采用低热膨胀系数的石英或零膨胀玻璃材料制作。

所述电信号处理系统包括放大电路和滤波电路。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明位移传感器采用激光自混合干涉原理，不需要传统激光干涉仪的分束器和参考镜等辅助光学元件，也无需传统光栅干涉仪的多个光电探测器、偏振分光棱镜、波片等辅助元件，其结构简单紧凑，光路调节方便，成本低。

2)相对于现有的自混合干涉技术，本发明以光栅栅距而非波长作为测量基准。测量精度不受空气成份、压强、湿度以及光源波动的影响；允许在环境温度变化较大的情况下使用，其测量精度取决于光栅本身的精度，测量重复性取决于光栅尺的热传导性。

3)由于光栅衍射效率极限，本发明激光自混合光栅干涉仪无需控制光反馈强度。

4)本发明测量位移传感器量程主要取决于所采用光栅的长度，自混合光栅干涉信号为类锯齿波，信号倾斜方向和位移方向有关，因此具有测量范围大、自动识别位移方向等特点。

5)调整反射镜角度即可实现衍射光沿着入射光方向原路返回，若为获得更高测量分辨率而使用更小栅距的光栅，只须重新调整反射镜角度即可，因此本设计具有升级空间。

6)本发明形成了新的大量程、结构简单、抗干扰性强的低成本微位移测量原理与技术原型，其量程主要取决于所采用光栅的长度，大大提高了我国中低价位微位移测量仪器的自主研制能力，对进一步推动先进制造技术的发展具有重要的现实意义。

附图说明

图1是本发明在实施例1(基于透射式衍射光栅)中的结构原理示意图。

图2为实例1中，数值模拟的光栅位移(a)及对应的自混合光栅干涉信号(b)。

图3是本发明在实施例2(基于透射式衍射光栅)中的结构原理示意图。

图4是本发明在实施例3(基于反射式衍射光栅)中的结构原理示意图。

图5是本发明在实施例4(基于反射式衍射光栅)中的结构原理示意图。

图6是本发明自混合光栅干涉仪进行位移测量时的软件处理流程图。

图例说明

1、激光器；21、透射式衍射光栅；22、反射式衍射光栅；3、平面反射镜；4、光电探测器；5、电信号处理系统；6数据采集分析系统。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

如图1，本实施例激光自混合光栅干涉仪，包括：激光器1，透射式衍射光栅21，平面反射镜3，光电探测器4，电信号处理系统5，数据采集分析系统6。其中激光器1输出的光垂直入射至透射式衍射光栅21，各级次在入射光路两侧对称分布。平面反射镜3置于1级衍射光路上，调整平面反射镜3，使第1级衍射光束垂直入射至平面反射镜并沿原光路返回，再次入射至衍射光栅21，发生二次衍射，二次1级衍射光沿着激光器1出射光的相反方向返回到激光器腔内与腔内光发生自混合干涉，调制激光器输出功率和频率。当透射式光栅21沿图中x方向运动Δx时，1级衍射光束光栅多普勒频移为：Δω＝2πv/d，式中，v为光栅沿x方向运动的速度，d为光栅栅距。1级衍射光束相位变化为：Δφ_g1＝2πΔx/d。二次1级衍射反馈光相位变化为：Δφ＝2Δφ_g1＝4πΔx/d。当Δφ＝2π时，对应自混合干涉信号一个条纹。即当透射式衍射光栅沿x方向位移Δx＝d/2时，对应自混合干涉信号一个条纹。由于激光器1输出光频率受反馈光调制，光栅自混合干涉信号为类锯齿波，类锯齿波倾斜方向对应于透射式衍射光栅21沿x方向位移方向。自混合光栅干涉信号由置于激光器后向输出光路上的光电探测器4接受。光电探测器4输出信号经电信号处理系统5处理后，由数据采集分析系统6采集并分析处理，精确测量透射式衍射光栅21位移量。图2为二次1级衍射光反馈时数值模拟的光栅位移(a)及对应的自混合光栅干涉信号(b)。

实施例2

如图3，本实施例激光自混合光栅干涉仪，包括：激光器1，透射式衍射光栅21，平面反射镜3，光电探测器4，电信号处理系统5，数据采集分析系统6。其中激光器1输出的光垂直入射至透射式衍射光栅21，各级次在入射光路两侧对称分布。平面反射镜3置于2级衍射光路上，调整平面反射镜3，使第2级衍射光垂直入射至平面反射镜并沿原光路返回，再次入射至衍射光栅21，发生二次衍射，二次2级衍射光沿着激光器1出射光的相反方向返回到激光器腔内与腔内光发生自混合干涉，调制激光器输出功率和频率。当透射式光栅21沿图中x方向运动Δx时，2级衍射光束光栅多普勒频移为：Δω＝4πv/d，式中，v为光栅沿x方向运动的速度，d为光栅栅距。2级衍射光束相位变化为：Δφ_g2＝4πΔx/d。二次2级衍射反馈光相位变化为：Δφ＝2Δφ_g2＝8πΔx/d。当Δφ＝2π时，对应自混合干涉信号一个条纹。即当透射式衍射光栅沿x方向位移Δx＝d/4时，对应自混合干涉信号一个条纹。由于激光器1输出光频率受反馈光调制，光栅自混合干涉信号为类锯齿波，类锯齿波倾斜方向对应于透射式衍射光栅21沿x方向位移方向。自混合光栅干涉信号由置于激光器后向输出光路上的光电探测器4接受。光电探测器4输出信号经电信号处理系统5处理后，由数据采集分析系统6采集并分析处理，精确测量透射式衍射光栅21位移量。

实施例3

如图4，本实施例激光自混合光栅干涉仪，包括：激光器1，反射式衍射光栅22，平面反射镜3，光电探测器4，电信号处理系统5，数据采集分析系统6。其中激光器1输出的光垂直入射至反射式衍射光栅21，其中0级衍射光沿着原光路返回至激光器1谐振腔，其余各级次在入射光路两侧对称分布。平面反射镜3置于1级衍射光路上，调整平面反射镜3，使第1级衍射光垂直入射至平面反射镜并沿原光路返回，再次入射至衍射光栅22，发生二次衍射，二次1级衍射光沿着激光器1出射光的相反方向返回到激光器腔内与腔内光发生自混合干涉，调制激光器输出功率和频率。当反射式光栅22沿图中x方向运动Δx时，0级衍射光束光栅多普勒频移为Δω＝0，1级衍射光栅多普勒频移为：Δω＝2πv/d，式中，v为光栅沿x方向运动的速度，d为光栅栅距。0级衍射反馈光相位变化为：Δφ_g0＝0；1级衍射光束相位变化为：Δφ_g1＝2πΔx/d，二次1级衍射反馈光相位变化为：Δφ＝2Δφ_g1＝4πΔx/d。当二次1级衍射反馈光相位变化Δφ＝2π时，对应自混合干涉信号一个条纹。即当反射式衍射光栅沿x方向位移Δx＝d/2时，对应自混合干涉信号一个条纹。由于激光器1输出光频率受反馈光调制，自混合光栅干涉信号为类锯齿波，类锯齿波倾斜方向对应于反射式衍射光栅22沿x方向位移方向。自混合干涉信号由置于激光器后向输出光路上的光电探测器4接受。光电探测器4输出信号经电信号处理系统5处理后，由数据采集分析系统6采集并分析处理，精确测量反射式衍射光栅22位移量。

实施例4

如图5，本实施例激光自混合光栅干涉仪，包括：激光器1，反射式衍射光栅22，平面反射镜3，光电探测器4，电信号处理系统5，数据采集分析系统6。其中激光器1输出的光垂直入射至反射式衍射光栅22，其中0级衍射光沿着原光路返回至激光器1谐振腔，其余各级次在入射光路两侧对称分布。平面反射镜3置于2级衍射光路上，调整平面反射镜3，使第2级衍射光垂直入射平面至反射镜并沿原光路返回，再次入射至衍射光栅22，发生二次衍射，二次2级衍射光沿着激光器1出射光的相反方向返回到激光器腔内与腔内光发生自混合干涉，调制激光器输出功率和频率。当反射式光栅22沿图中x方向运动Δx时，0级衍射光束光栅多普勒频移为Δω＝0，2级衍射光束光栅多普勒频移为：Δω＝4πv/d，式中，v为光栅沿x方向运动的速度，d为光栅栅距。由光栅位移引起的0级衍射反馈光相位变化为：Δφ_g0＝0；2级衍射光束相位变化为：Δφ_g2＝2πΔx/d，二次2级衍射反馈光相位变化为：Δφ＝2Δφ_g2＝8πΔx/d。当二次2级衍射反馈光相位变化Δφ＝2π时，对应自混合干涉信号一个条纹。即当反射式衍射光栅沿x方向位移Δx＝d/4时，对应自混合干涉信号一个条纹。由于激光器1输出光频率受反馈光调制，自混合光栅干涉信号为类锯齿波，类锯齿波倾斜方向对应于反射式衍射光栅22沿x方向位移方向。自混合干涉信号由置于激光器后向输出光路上的光电探测器4接受。光电探测器4输出信号经电信号处理系统5处理后，由数据采集分析系统6采集并分析处理，精确测量反射式衍射光栅22位移量。

如图6所示，基于上述自混合光栅干涉仪，本发明进一步提供了利用激光自混合光栅干涉仪测量微位移的方法，具体步骤为：自混合光栅干涉仪的信号由置于激光器1后向输出光路上的光电探测器4接收，光电探测器4输出信号发送给电信号处理系统5处理，数据采集分析系统6对电信号处理系统5输出的自混合干涉信号进行微分，根据微分结果判定位移方向、可逆计数，从而可精确测量衍射光栅的位移量。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.激光自混合光栅干涉仪，其特征在于，包括激光器、衍射光栅、平面反射镜、光电探测器、电信号处理系统和数据采集分析系统；所述衍射光栅置于激光器的输出光路上，所述衍射光栅位移方向垂直于激光器的输出光路；所述激光器发出的激光垂直入射至衍射光栅，在入射光路两侧形成对称分布的各级次衍射光，所述平面反射镜设置在某m级次衍射光的光路上，使第m级衍射光垂直入射至平面反射镜并沿原光路返回，并再次入射至衍射光栅发生二次衍射,其中m≠0，第m级二次衍射光携带光栅位移信息沿激光器出射光的相反方向返回到激光器腔内与腔内光发生自混合干涉，所述光电探测器放置在激光器后向输出光路上，光电探测器的输出接所述电信号处理系统，电信号处理系统输出接所述数据采集分析系统。

2.如权利要求1所述激光自混合光栅干涉仪，其特征在于：所述m＝1或者m＝2。

3.如权利要求1所述激光自混合光栅干涉仪，其特征在于：所述自混合干涉的条纹为类锯齿波，一个干涉条纹对应于所述衍射光栅的d/2m位移，其中d为光栅栅距；所述类锯齿波的倾斜方向对应于所述衍射光栅的位移方向。

4.如权利要求1至3之一所述激光自混合光栅干涉仪，其特征在于：所述衍射光栅为反射式衍射光栅或透射式衍射光栅。

5.如权利要求1所述的激光自混合光栅干涉仪，其特征在于：所述衍射光栅的前方或后方设置有挡板，用来挡去不需要的级数的衍射光束。

6.如权利要求1所述激光自混合光栅干涉仪，其特征在于：所述衍射光栅的材料为低热膨胀系数的石英或零膨胀的玻璃材料。

7.如权利要求1所述激光自混合光栅干涉仪，其特征在于：所述电信号处理系统包括放大电路和滤波电路。

8.利用权利要求1所述激光自混合光栅干涉仪的测量方法，其特征在于，自混合光栅干涉仪的信号由置于激光器后向输出光路上的光电探测器接收，光电探测器输出信号发送给电信号处理系统处理，数据采集分析系统对电信号处理系统输出的自混合干涉信号进行微分和可逆计数，根据微分结果判定位移方向，从而可精确测量衍射光栅的位移量。