CN105333814A - 相位调制型激光反馈光栅干涉仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相位调制型激光反馈光栅干涉仪及其测量方法。其结构为：氦氖激光器发出的激光垂直入射至透射式衍射光栅，在入射光路两侧形成对称分布的各级次衍射光，衍射光栅的位移方向垂直于激光器的输出光路；电光调制器置于+1级次衍射光的光路上进行纯相位调制，调制后的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发生二次衍射；二次+1级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激光反馈干涉；光电探测器置于激光器后向输出光路上，光电探测器与运算放大器、数据采集卡和计算机依次连接，由计算机处理得到待测位移。本发明具有结构简单紧凑，测量范围大、对环境不敏感等优点。

Description

相位调制型激光反馈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，具体地涉及一种相位调制型激光反馈光栅干涉仪及其测量方法。

背景技术

纳米测量是先进制造业发展的关键技术，也是整个纳米科技领域的先导和基础。随着超精密加工和超微细加工技术的发展，行程达100毫米量级、运动分辨率达到纳米级的超精密和超微细加工设备，对大量程、纳米级高分辨率的位移测量提出了迫切需求。

传统的干涉测试结构，如Agilent公司5529A双频干涉仪虽然可以达到较高的位移测量精度，但普遍结构庞大，光路复杂，敏感于准直，而且价格昂贵。激光反馈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，当激光器输出光被外界物体反射或散射后，部分光将返回激光器谐振腔内与腔内光束相混合而引起激光器的输出光强的变化，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紧凑、自准直、以及可以工作于粗糙散射表面显著优点，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激光干涉仪。和传统干涉仪一样，激光反馈干涉仪对测量环境的要求非常苛刻，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严重影响实际测量时系统的分辨率，不利于在工业现场中进行测量。

光栅干涉仪具有测量范围大、测量分辨率高等特点。其测量原理是利用运动的光栅产生两路衍射光束，衍射光由于多普勒效应的作用，会产生符号相反的频移，重新汇合产生干涉，经过信号处理和计数细分，可实现位移测量。光栅干涉仪使用光栅的栅距作为位移标准，而非激光波长，测量系统几乎不受空气压强、湿度等的影响，其因此对环境要求低。但其光路结中含有多个波片、分光棱镜以及反射镜等辅助元件，结构较为复杂、体积庞大，工作人员调试起来相对困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种相位调制型激光反馈光栅干涉仪，它是一种结构简单紧凑，抗干扰能力强的大范围、高分辨率位移传感器。本发明的另外一个目的是提供一种利用该相位调制型激光反馈光栅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：

相位调制型激光反馈光栅干涉仪，包括氦氖激光器、透射式衍射光栅、电光调制器、电光调制器驱动器、平面反射镜、光电探测器、运算放大器、数据采集卡和计算机；所述氦氖激光器发出的激光垂直入射至透射式衍射光栅，在入射光路两侧形成对称分布的各级次衍射光，所述透射式衍射光栅的位移方向垂直于激光器的输出光路；所述电光调制器置于+1级次衍射光的光路上，对+1级次衍射光进行纯相位调制，调制后的衍射光垂直入射至所述平面反射镜并沿原光路返回，再次入射至所述透射式衍射光栅发生二次衍射；二次+1级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激光反馈干涉；所述光电探测器置于所述氦氖激光器后向输出光路上，光电探测器输出接所述运算放大器，运算放大器输出接所述数据采集卡，数据采集卡进行模数转换后输入计算机，由计算机基于正交解调技术处理后，得到待测位移。

所述氦氖激光器输出单纵模线偏振激光。

进一步地，所述氦氖激光器输出激光的偏振方向和所述透射式衍射光栅的刻线方向一致。

进一步地，所述电光调制器主轴方向和所述氦氖激光器输出激光偏振方向一致。

所述电光调制器对+1级次衍射光进行正弦相位调制，调制函数为：其中f_m为调制频率，t为时间。

所述电光调制器采用铌酸锂晶体。

所述透射式衍射光栅前后方设置有挡板，以挡去不需要的级数的衍射光束。

所述透射式衍射光栅采用低热膨胀系数的石英或零膨胀玻璃材料制作。

所述运算放大器为低噪声运算放大器。

利用上述干涉仪的测量方法，测量原理基于光栅衍射、光学多普勒效应和时域正交解调原理，其中，电光调制器对+1级次衍射光进行纯相位调制，每个调制周期内，对干涉信号进行采样间隔为π/6的12次采样，对采样结果进行线性组合计算，得到待测相位的正弦分量和余弦分量，解调出待测相位，再依据待测相位和光栅位移之间的关系，实时测量光栅位移。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明采用激光反馈光栅干涉原理，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偏振片、偏振分光棱镜、波片等辅助元件，其结构简单紧凑、测量范围大、测量分辨率高、光路调节方便。

2)相对于现有的激光反馈干涉技术，本发明以光栅的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，对环境不敏感，允许在环境温度变化较大的情况下使用，适用于工业现场测量。

3)本发明提出了采用电光调制器对衍射光进行纯相位调制，调制精度高，调制带宽宽，相位解调由时域正交解调技术实现，解调方法算法简单，对采样误差不敏感，可以大幅度提高位移测量装置的测量分辨率。

4)本发明形成了新的大量程、高分辨率、结构紧凑、适用于工业现场测量的微位移测量装置，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是本发明提供的相位调制型激光反馈光栅干涉仪示意图。

图2是本发明的相位调制型激光反馈干涉仪正交解调原理图。

图3是本发明的相位调制型激光反馈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、氦氖激光器；2、透射式衍射光栅；3、电光调制器；4、电光调制器驱动器；5、平面反射镜；6、光电探测器；7、运算放大器；8、数据采集卡；9、计算机。

具体实施方式

结合图1说明本发明相位调制型激光反馈光栅干涉仪工作原理。如图1，氦氖激光器1输出的线偏振光垂直入射至透射式衍射光栅2，各级次衍射光在入射光路两侧对称分布。电光调制器3置于+1级衍射光的光路上，对+1级衍射光进行纯相位调制，调制函数为：(π/2)sin(2πf_mt),其中f_m为调制频率。平面反射镜5置于+1级衍射光的光路上，置于电光调制器3后方，使第+1级衍射光垂直入射至平面反射镜并沿原光路返回，再次入射至透射式衍射光栅2发生二次衍射。二次+1级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氦氖激光器1腔内与腔内光发生激光反馈干涉。当透射式光栅2沿图中x方向运动Δx时，由透射式衍射光栅2的位移导致的二次+1级衍射反馈光相位变化为：由于+1级衍射光束在外腔中两次经过电光调制器，由电光调制器导致的二次+1级衍射反馈光相位变化为：二次+1级衍射反馈光相位总变化量为：假设单纵模线偏振氦氖激光器输出光场E(t)为：

E(t)＝E₀exp[-i(ωt+φ₀)](1)

式中，各变量的含义为：E₀为光场的振幅，ω为激光角频率，φ₀为出射光场的初始相位。二次+1级衍射反馈光光场E₁(t)为

E₁(t)＝K_mE₀exp[-i(ωt+φ₀)]exp[-iψ]exp(-iωτ)(2)

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,二次+1级衍射反馈光场耦合入氦氖激光器，产生激光反馈干涉，引起激光器输出功率的调制I(t)：

式中,I₀为干涉信号的直流分量，m为干涉信号的条纹可见深度。

对(3)式进行展开，可以得到：

式中E(t)＝cos[πsin(ω_mt)]为干涉信号的偶函数分量,F(t)＝sin[πsin(ω_mt)]为干涉信号的奇函数分量，输出激光反馈光栅干涉信号可以分解为两个相互正交的奇偶函数信号。

结合图2说明本发明相位调制型激光反馈光栅干涉仪的位移测量方法。图2(a)为数值模拟的相位调制型激光反馈光栅干涉仪输出信号。在一个调制周期内，对干涉信号进行间隔为π/6的12次采样，用S_i表示，i∈[0,11]。对S_i进行线性组合，可以得到

其中SR为相位的正弦分量，CR为相位的余弦分量。

图2(b)为干涉信号的偶函数分量E(t)和奇函数分量F(t)的波形。余弦分量CR计算公式中，S₀、S₃、S₆和S₉都在偶函数信号E(t)的峰值处，波形平坦，对时间变化不敏感，即采样精度的漂移对干涉信号偶函数分量E(t)取值影响较小；采样误差带来的奇函数分量F(t)误差可以通过S₃+S₉或者S₀+S₆消除。正弦分量SR计算公式中，S₁、S₅、S₇和S₁₁在干涉信号奇函数分量F(t)的峰值处，采样精度的漂移对F(t)取值影响较小；采样误差引起偶函数分量E(t)取值误差可以通过S₇-S₁或者S₁₁-S₅消除。

由公式(5)和(6)可得

在位移测量过程中，随着光栅位移变化而变化，ωτ为常数，则光栅位移导致的相位变化可以表示为：

由反正切函数计算的相位包裹于[-π,π]之间，解包裹运算后，得到光栅位移为：

结合图3说明本发明相位调制型激光反馈光栅干涉仪软件处理流程图。本发明以虚拟仪器软件Labview作为系统的编程开发平台，完成计算机接口控制、数据采集、分析和计算。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，采样系统输入的模拟信号进行模数转换。程序设置采样时间为t＝f_s/f_m,其中f_s为采样频率，f_m为电光调制频率，计算机将这段时间内的采样信号读入内存中，进行采样间隔为π/6的12次采样，对采样结果进行线性组合计算，得到待测相位的正弦分量和余弦分量，进行反正切运算，由于反正切函数获得的相位包裹于[-π，π]之间，需要对信号进行解包裹运算；最后根据式(8)计算光栅位移，如此循环往复，并在显示终端上实时显示光栅的位移。

本发明保持了激光反馈干涉仪结构简单紧凑的优点，同时又具有光栅干涉仪抗干扰能力强，对测量环境不敏感的特点，是一种适用于工业现场测量的高分辨率，大量程位移测量装置，对进一步推动先进制造技术的发展具有重要的现实意义。

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 (10)

1.相位调制型激光反馈光栅干涉仪，其特征在于，包括氦氖激光器、透射式衍射光栅、电光调制器、电光调制器驱动器、平面反射镜、光电探测器、运算放大器、数据采集卡和计算机；所述氦氖激光器发出的激光垂直入射至透射式衍射光栅，在入射光路两侧形成对称分布的各级次衍射光，所述透射式衍射光栅的位移方向垂直于激光器的输出光路；所述电光调制器置于+1级次衍射光的光路上，对+1级次衍射光进行纯相位调制，调制后的衍射光垂直入射至所述平面反射镜并沿原光路返回，再次入射至所述透射式衍射光栅发生二次衍射；二次+1级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激光反馈干涉；所述光电探测器置于所述氦氖激光器后向输出光路上，光电探测器输出接所述运算放大器，运算放大器输出接所述数据采集卡，数据采集卡进行模数转换后输入计算机，由计算机基于正交解调技术处理后，得到待测位移。

2.如权利要求1所述的相位调制型激光反馈光栅干涉仪，其特征在于，所述氦氖激光器输出单纵模线偏振激光。

3.如权利要求1所述的相位调制型激光反馈光栅干涉仪，其特征在于，所述氦氖激光器输出激光的偏振方向和所述透射式衍射光栅的刻线方向一致。

4.如权利要求1所述的相位调制型激光反馈光栅干涉仪，其特征在于，所述电光调制器主轴方向和所述氦氖激光器输出激光偏振方向一致。

5.如权利要求1所述的相位调制型激光反馈光栅干涉仪，其特征在于：所述电光调制器对+1级次衍射光进行正弦相位调制，调制函数为：其中f_m为调制频率，t为时间。

6.如权利要求1至5之一所述的相位调制型激光反馈光栅干涉仪，其特征在于，所述电光调制器采用铌酸锂晶体。

7.如权利要求1至5之一所述的相位调制型激光反馈光栅干涉仪，其特征在于，所述透射式衍射光栅前后方设置有挡板，以挡去不需要的级数的衍射光束。

8.如权利要求1至5之一所述的相位调制型激光反馈光栅干涉仪，其特征在于，所述透射式衍射光栅采用低热膨胀系数的石英或零膨胀玻璃材料制作。

9.如权利要求1至5之一所述的相位调制型激光反馈光栅干涉仪，其特征在于，所述运算放大器为低噪声运算放大器。

10.利用如权利要求1所述相位调制型激光反馈光栅干涉仪的测量方法，其特征在于，所述电光调制器对+1级次衍射光进行纯相位调制，每个调制周期内，对干涉信号进行采样间隔为π/6的12次采样，对采样结果进行线性组合计算，得到待测相位的正弦分量和余弦分量，解调出待测相位，再依据待测相位和光栅位移之间的关系，实时测量光栅位移。