CN106441083A - 激光回馈干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光回馈干涉仪，包括：激光输出组件，用于输出两束线偏振光；耦合透镜组件，用于将两束线偏振光耦合进入保偏光纤；偏振合束器，用于将两束线偏振光合束成为一束正交偏振光；保偏分束器，用于将从偏振合束器出射的正交偏振光分为探测光及测量光；第一偏振分束器，用于将探测光按照偏振态进行分离；光电探测器组件，用于探测探测光的光强；声光移频组件，用于对测量光进行移频；第二偏振分束器，用于将测量光进行分离，形成两束线偏振光；所述偏振合束器、保偏分束器、第一偏振分束器、光电探测组件、声光移频组件以及第二偏振分束器之间通过保偏光纤连接。本发明提供的激光回馈干涉仪采用保偏光纤连接各元件，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光回馈干涉仪，特别是基于全光纤的激光回馈干涉仪。
背景技术
激光干涉仪的应用非常广泛，在现代精密测量领域占据着非常重要的地位，由于其高精度，可溯源，应用广泛等特点，可称之为“计量之王”。在机械制造业，IC制造业，实验室等场合都可以见到激光干涉仪的身影。传统的技术成熟、应用广泛的激光干涉仪绝大多数都采用迈克尔逊干涉仪的基本结构，这一类结构相似的干涉仪我们统称为传统激光干涉仪。传统干涉仪的优点是性能稳定、技术成熟、应用广泛，但是也存在着难以弥补的缺点，即对待测目标表面要求很高，大多数情况下都需要靶镜的配合才能测量。不适合黑、柔、轻、小、透明和液面等非配合目标的测量。
自1963年，King等人首次发现激光回馈现象以来，科学界基于激光回馈现象已经开展了大量激光回馈干涉仪的研究工作。其原理为：谐振腔外物体反射或散射返回进入激光谐振腔的激光会对激光的功率产生调制，且调制的相位取决于激光在外腔所经历的光程。因此这种现象可以应用于几何量传感测量，此领域中前期绝大多数研究的对象为半导体激光器和HeNe激光器。
由于具有非常高的回馈灵敏度，固体微片激光器逐渐引起了人们的注意。然而由于回馈干涉中，整个光路都属于干涉光路，因此它对环境的变化以及光学器件的热变化等能够改变光程的因素都非常敏感。传统的位移测量仪进行位移量测量时，光学器件的热蠕动以及空气光路的扰动带来的噪声会把待测信号淹没，导致无法实现高精度测量。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种能够消除空气扰动和光路中光学器件的变化带来的干扰，且具有高测量精度的激光回馈干涉仪。
一种激光回馈干涉仪，包括：
激光输出组件，用于输出两束线偏振光；
耦合透镜组件，设置于从激光输出组件出射的两束线偏振光的光路上，用于将两束线偏振光耦合进入保偏光纤，并且两束线偏振光的偏振方向与保偏光纤的本征轴重合；
偏振合束器，设置于从耦合透镜组件出射的光路上，用于将两束线偏振光合束成为一束正交偏振光，且所述正交偏振光的两个正交分量分别沿保偏光纤的快轴、慢轴传播；
保偏分束器，设置于从偏振合束器出射的正交偏振光的光路上，用于将从偏振合束器出射的正交偏振光分为探测光及测量光；
第一偏振分束器，设置于从保偏分束器出射的探测光的光路上，用于将探测光按照偏振态进行分离；
光电探测器组件，设置于从第一偏振分束器出射的探测光的光路上，用于探测探测光的光强信号并转换为电信号；
声光移频组件，设置于从保偏分束器出射的测量光的光路上，用于对测量光进行移频；
第二偏振分束器，设置于从声光移频组件出射的测量光的光路上，用于将测量光进行分离，形成两束线偏振光；
所述偏振合束器、保偏分束器、第一偏振分束器、光电探测组件、声光移频组件以及第二偏振分束器之间通过保偏光纤连接。
在其中一个实施例中，所述耦合透镜组件包括第一耦合透镜及第二耦合透镜，分别设置于两束线偏振光的光路上。
在其中一个实施例中，从所述第二偏振分束器出射的两束线偏振光，均分别沿保偏光纤的慢轴或快轴传播，一束线偏振光作为待测目标测量光，一束光作为参考光。
在其中一个实施例中，进一步包括准直透镜组设置于从第二偏振分束器出射的两束线偏振光的光路上，用于对两束线偏振光进行准直。
在其中一个实施例中，所述准直透镜组包括第一准直透镜及第二准直透镜，所述第一准直透镜设置于待测目标测量光的传播光路上，所述第二准直透镜设置于参考光的传播光路上。
在其中一个实施例中，进一步包括参考目标，设置于从第二准直透镜出射的光路上，且所述参考目标静止设置。
在其中一个实施例中，所述激光输出组件输出的两束激光同向且相互平行传播。
在其中一个实施例中，光电探测组件包括第一光电探测器及第二光电探测器，以对从第一偏振分束器出射的按偏振态分离后的两束激光进行探测。
本发明提供的激光回馈干涉仪，采用保偏光纤柔性光路的方法，使得激光回馈干涉仪能够适应远距离、复杂狭小空间中非配合目标的测量。
此外，在保偏光纤快慢轴传输的正交偏振的两束光，一束作为测量光，一束作为参考光，由于参考光实时地监测外腔相位的变化，这样用测量光的相位减去参考光的相位就能够得到待测目标的相位变化，使得回馈干涉仪能够补偿正交偏振光共路部分空程，极大地提高了仪器测量的稳定性和抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明所述的激光回馈干涉仪的结构示意图；
图2是图1中保偏光纤端面横截面快慢轴示意图；
图3是图1中所使用的保偏分束器的工作方式示意图；
图4是参考光及测量光的光功率谱图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明提供的激光回馈干涉仪。
请参阅图1，本发明实施例提供的激光回馈干涉仪100，包括激光输出组件1，耦合透镜组件2，偏振合束器3，保偏分束器4，第一偏振分束器5，光电探测组件6，声光移频组件8，第二偏振分束器9以及准直透镜组10。所述耦合透镜组件2，偏振合束器3，保偏分束器4，第一偏振分束器5，光电探测组件6，声光移频组件8、第二偏振分束器9以及准直透镜组10之间均通过保偏光纤7光学相连。
所述激光输出组件1用于输出两束激光，所述激光均为线偏振光，且两束正交偏振的激光可在相位以及功率、频率上无固定锁定关系。所述两束激光可相互平行且沿同一方向传播。所述激光模组1可包括一第一激光器及一第二激光器间隔设置。所述第一激光器及第二激光器可分别为全内腔、半外腔或全外腔，可采用固体激光器或半导体激光器，并且可连续的输出激光。优选的，所述第一激光器及第二激光器的工作模式均为单纵模、基横模，以利于后续测量。本实施例中，所述激光输出组件1为固体微片激光器，并且可通过两束激光泵浦同一片晶体输出两路激光。具体的，可采用两个LD泵浦一片Nd:YVO4晶体，输出的两路激光。
所述耦合透镜组2设置于从激光输出组件1出射的两束激光的光路上，用于将激光输出组件1出射的两束激光耦合进入与所述耦合透镜组2相连的所述保偏光纤7中，并且两束激光的偏振方向与保偏光纤7的本征轴重合。具体的，所述耦合透镜组2包括第一耦合透镜21及第二耦合透镜22，分别设置于所述激光输出组件1输出的两束激光的光路上。本实施例中，所述第一耦合透镜21及第二耦合透镜22均为自聚焦透镜。
请一并参阅图2，所述偏振合束器3通过保偏光纤7与所述耦合透镜组2相连，具体的，所述偏振合束器3分别通过两束保偏光纤7与所述第一耦合透镜21及第二耦合透镜22相连。所述偏振合束器3用于将分别将来自第一耦合透镜21及第二耦合透镜22的线偏振光合束成为一束正交偏振光，且该正交偏振光的两个偏振分量分别沿着与偏振合束器3相连的保偏光纤7的快轴和慢轴输出并传播。
所述保偏分束器4设置于从偏振合束器3出射的正交偏振光的光路上，用于在不改变正交偏振光偏振状态的前提下，将其依能量分为两个部分，一部分作为测量光，一部分作为探测光。具体的，所述保偏分束器4可对入射的激光进行反射及透射，所述反射光可作为探测光，而所述透射光可作为测量光。
请一并参阅图3，所述第一偏振分束器5设置于从保偏分束器4出射的探测光的光路上，用于将探测光按照偏振态分开，分别通过两束保偏光纤入射到光电探测组件6中。本实施例中，所述第一偏振分束器5将正交偏振的探测光分为水平偏振光和垂直偏振光。
所述光电探测组件6包括第一光电探测器61及第二光电探测器62，所述第一光电探测器61可设置于水平偏振光的光路上并探测其光强，所述第二光电探测器62可设置于垂直偏振光的光路上并探测光强信号，并分别将光强信号转换为电信号。本实施例中，所述第一光电探测器61及第二光电探测器62均采用PIN探测器。
所述声光移频组件8设置于从所述保偏分束器4出射的测量光的光路中，用于对测量光进行移频。所述声光移频组件8可包括至少一声光移频器，以实现移频。所述移频量的大小可由声光移频器的驱动频率Ω决定。与所述声光移频组件8的输出光路连接的保偏光纤7的长度可为数厘米到数千米，可以根据测量需要等应用场合的需求进行选择。所述声光移频组件8输出的激光仍然为正交偏振光，并且所述正交偏振光的两个分量同时经历相同的由于光纤扰动带来的误差。通过将两个分量做差，就能够消除光纤应力变化等因素带来的测量误差，因此所述保偏光纤7的长短不会影响到测量的精度。
所述第二偏振分束器9设置于从声光移频组件8出射的激光的光路上，所述第二偏振分束器9通过保偏光纤7与所述声光移频组件8连接。所述第二偏振分束器9用于将从声光移频组件8出射的激光进行分离，分为两束线偏振光。具体的，从所述声光移频组件8出射的两束线偏振光分别沿所述保偏光纤7的快轴、慢轴传播；所述第二偏振分束器9将从声光移频组件8出射的测量光分离形成两束线偏振光后，分别通过两条保偏光纤7输出。进一步，经过第二偏振分束器9分光后的两束线偏振光可分别沿两条保偏光纤7的慢轴传播，作为待测目标测量光以及参考光。可以理解，经过第二偏振分束器9分光后的两束线偏振光也可分别沿两条保偏光纤7的快轴传播，作为待测目标测量光以及参考光。所述待测目标测量光用于对待测目标进行测量，所述参考光用于实时地监测外腔相位的变化。
激光回馈干涉仪可进一步包括准直透镜组10设置于从第二偏振分束器9出射的光路上，具体的，所述准直透镜组10可设置于与第二偏振分束器9相连的两条保偏光纤7的末端，用于将从两条保偏光纤7出射的激光进行准直，使得所述激光即使在传播较远距离时，依然能够保持较小的光斑尺寸，从而提高测量精度及测量距离。本实施例中，所述准直透镜组10包括第一准直透镜11及第二准直透镜12，分别用于对两条保偏光纤7出射的激光进行准直。
激光回馈干涉仪100用于测量时，可将待测目标101设置于从第一准直透镜11出射的激光的光路上，将参考目标102设置于从第二准直透镜12出射的激光的光路上。
由待测目标101和参考目标102反射或者散射后的光再沿各自的原光路返回系统，并最终返回到各自对应的激光器中，整个回路激光经历两次声光移频。所以根据激光回馈的原理，最终在激光输出组件1输出的激光功率谱中就会出现频率等于两倍声光移频频率2Ω的功率调制，在探测端接收光信号，并且经过预处理后再解调功率调制信号，就可以得到被测物体的运动相关信息，实现远距离狭小空间中的非配合目标高精度位移量以及速度、角度等几何量的高精度测量。在保偏光纤中传输的光路，因为测量光和参考光分别沿着保偏光纤的快轴和慢轴传播，两者经历完全相同的光程变化，因此即使光路很长，共路补偿的效果依然能够保证系统能够进行高精度测量。
请一并参阅图4，图4(a)及图4(b)为频率分别为2Ω参考光及测量光两路信号的光功谱图，进行相位求解即可得到各路信号代表的光束所经历的光程变化。图4(a)所示参考光形成的光功谱图中，其中参考信号Result1体现了在测量过程中由于光路中环境变化导致的光程扰动，这对于远距离高精度位移测量来说是系统内部的噪声；而图4(b)所示的测量光形成的光功谱图中，测量信号结果Result2则既包括了系统内部的噪声，又包括了被测物体运动的信息，因此将Result2与Result1做差可以在Result2中将系统由于环境的扰动带来的影响排除，只剩下待测目标与参考目标的位移差异，又由于参考目标被设置为静止不动，所以最终结果完全体现了待测目标的位移信息。
本发明提出采用保偏光纤柔性光路的方法，使得激光回馈干涉仪能够适应远距离、复杂狭小空间中非配合目标的测量，由于光源部分采用固体微片激光器，其具有超高的灵敏度，在测量中无需靶镜的配合即可直接测量大多数的物体表面。此外在保偏光纤快慢轴传输的正交偏振的两束光，一束作为测量光，一束作为参考光，由于参考光实时地监测外腔相位的变化，这样用测量光的相位减去参考光的相位就能够得到待测目标的相位变化，使得回馈干涉仪能够补偿正交偏振光共路部分空程，极大地提高了仪器测量的稳定性和抗干扰能力。
本发明提供的正交回馈测量仪，正交偏振激光之间没有相位关系，强度也是相互独立的，但是两者在空间上重合在一起的。因此本发明能够用来作为两个共光路的激光光源来进行回馈干涉测量，并能够补偿正交偏振光经过的光路噪声扰动。在此实施例中，将正交偏振光分束还可以用来进行偏摆、俯仰等多自由度的测量。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种激光回馈干涉仪，包括：
激光输出组件，用于输出两束线偏振光；
耦合透镜组件，设置于从激光输出组件出射的两束线偏振光的光路上，用于将两束线偏振光耦合进入保偏光纤，并且两束线偏振光的偏振方向与保偏光纤的本征轴重合；
偏振合束器，设置于从耦合透镜组件出射的光路上，用于将两束线偏振光合束成为一束正交偏振光，且所述正交偏振光的两个正交分量分别沿保偏光纤的快轴、慢轴传播；
保偏分束器，设置于从偏振合束器出射的正交偏振光的光路上，用于将从偏振合束器出射的正交偏振光分为探测光及测量光；
第一偏振分束器，设置于从保偏分束器出射的探测光的光路上，用于将探测光按照偏振态进行分离；
光电探测器组件，设置于从第一偏振分束器出射的探测光的光路上，用于探测探测光的光强信号并转换为电信号；
声光移频组件，设置于从保偏分束器出射的测量光的光路上，用于对测量光进行移频；
第二偏振分束器，设置于从声光移频组件出射的测量光的光路上，用于将测量光进行分离，形成两束线偏振光；
所述偏振合束器、保偏分束器、第一偏振分束器、光电探测组件、声光移频组件以及第二偏振分束器之间通过保偏光纤连接。
2.根据权利要求1的所述激光回馈干涉仪，其特征在于，所述耦合透镜组件包括第一耦合透镜及第二耦合透镜，分别设置于两束线偏振光的光路上。
3.根据权利要求1所述的激光回馈干涉仪，其特征在于，从所述第二偏振分束器出射的两束线偏振光，均分别沿保偏光纤的慢轴或快轴传播，一束线偏振光作为待测目标测量光，一束光作为参考光。
4.根据权利要求3所述的激光回馈干涉仪，其特征在于，进一步包括准直透镜组设置于从第二偏振分束器出射的两束线偏振光的光路上，用于对两束线偏振光分别进行准直。
5.根据权利要求4所述的激光回馈干涉仪，其特征在于，所述准直透镜组包括第一准直透镜及第二准直透镜，所述第一准直透镜设置于从第二偏振分束器出射的待测目标测量光的传播光路上，所述第二准直透镜设置于从第二偏振分束器出射的参考光的传播光路上。
6.根据权利要求1所述的激光回馈干涉仪，其特征在于，进一步包括参考目标，设置于从第二准直透镜出射的线偏振光的光路上，且所述参考目标静止设置。
7.根据权利要求1所述的激光回馈干涉仪，其特征在于，所述激光输出组件输出的两束线偏振光同向且相互平行传播。
8.根据权利要求1的所述激光回馈干涉仪，其特征在于，光电探测组件包括第一光电探测器及第二光电探测器，以对从第一偏振分束器出射的按偏振态分离后的探测光进行探测。
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