CN106546165A - 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:正交偏振激光模块,用于同向输出两束空间上重合的正交偏振的激光;第一分光镜,设置于从所述正交偏振激光模块输出激光的光路上;第一偏振分光镜,设置于所述第一分光镜反射形成反射光的光路上;光电探测模块,设置于所述第一偏振分光镜输出的正交偏振光的光路上;声光移频模块,设置于第一分光镜透射的透射光的光路上;第二分光镜,设置于从声光移频模块出射的光路上;汇聚模块,设置于所述第二分光镜反射的激光的光路上;反射模块,用于将入射的光再次反射回正交偏振激光模块;第二偏振分光镜,设置于从所述第二分光镜透射的光路上,用于形成偏振态分离的参考光及测量光。本发明提供的激光回馈干涉仪精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光回馈干涉仪,特别是基于偏振复用和频率复用方法的激光回馈干涉仪。
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。
传统的准共路的微片激光回馈干涉仪在很一定程度上补偿了空程扰动的影响,然而准共路的微片激光回馈干涉仪只能部分的补偿仪器内部的空程扰动,对于远距离测量时外界扰动较大的情况测量精度降低,并且测量光和参考光之间很容易产生串扰,带来测量上的误差。
发明内容
综上所述,确有必要提供一种能够消除光路串扰,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:
正交偏振激光模块,用于同向输出两束正交偏振的激光,且两束正交偏振的激光在空间上重合;
第一分光镜,设置于从所述正交偏振激光模块输出激光的光路上,用于对正交偏振激光模块输出的激光进行反射及透射,形成反射光及透射光;
第一偏振分光镜,设置于所述第一分光镜反射形成反射光的光路上,并将所述反射光分为正交偏振的第一偏振光及第二偏振光,且按照偏振态在空间上将正交偏振的第一偏振光及第二偏振光分离;
光电探测模块,设置于从所述第一偏振分光镜输出的正交偏振的第一偏振光及第二偏振光的光路上,用于探测第一偏振光及第二偏振光的光强,并将所述光强转换为电信号;
声光移频模块,设置于从分光镜出射的透射光的光路上,用于对透射光进行移频,形成相差预定频率的第一透射光及第二透射光,所述第一透射光未发生移频;
第二分光镜,设置于从声光移频模块出射的所述第一透射光及第二透射光的光路上,用于对声光移频模块出射的所述第一透射光及第二透射光进行反射及透射,所述第一透射光经过第二分光镜反射形成第一次级反射光;所述第二透射光经过所述第二分光镜的反射形成第二次级反射光,经过所述第二分光镜透射形成第二次级透射光;
汇聚模块,设置于所述第二分光镜反射的激光的光路上,将所述第一次级反射光及第二次级反射光汇聚;
反射模块,用于将所述第一次级反射光及第二次级反射光反射,并使所述第一次级反射光反射后,沿入射到所述反射模块的第二次级反射光的传输光路原路返回正交偏振激光模块;使所述第二次级反射光反射后,沿入射到所述反射模块的第一次级反射光的传输光路原路返回正交偏振激光模块;
以及,
第二偏振分光镜,设置于从所述第二分光镜透射的光的光路上,用于对从所述第二分光镜透射的第二次级透射光进行反射及透射以及偏振态分离,形成参考光及测量光,且所述参考光及测量光为正交偏振的偏振光。
在其中一个实施例中,所述汇聚模块将所述第一次级反射光及第二次级反射光汇聚至聚焦点。
在其中一个实施例中,所述反射模块设置于预定聚焦点处,以对第一次级反射光及第二次级反射光反射。
在其中一个实施例中,所述声光移频模块包括第一声光移频器及第二声光移频器沿从所述第二分光镜透射的透射光的输出方向间隔设置。
在其中一个实施例中,所述第一透射光与所述第二透射光相差频率Ω,所述Ω为声光移频模块的射频驱动频率。
在其中一个实施例中,所述正交偏振激光模块包括:
第一激光器、第二激光器、激光合束器及光阑,所述第一激光器及第二激光器用于产生激光;所述激光合束器设置于从第一激光器及第二激光器产生的激光的光路上,以获得空间上重合且偏振态正交的正交偏振光;所述光阑设置于从激光合束器出射的空间上重合且偏振态正交的正交偏振光的光路上,使空间上重合的正交偏振光通过,并挡掉其他部分的光。
在其中一个实施例中,所述激光合束器包括双折射元件,所述双折射元件根据所述双折射元件自身的本征轴,将通过双折射元件的激光分解为空间上相互分离且偏振方向相互正交的寻常光o光和非寻常光e光,且所述寻常光o光和非寻常光e光传播方向平行。
在其中一个实施例中,所述光电探测模块包括第一光电探测器及第二光电探测器,分别用于探测第一偏振光及第二偏振光的光强,并转换为电信号。
在其中一个实施例中,进一步包括参考目标,所述参考目标设置于从第二偏振分光镜出射的参考光的光路上,以对参考光进行反射,使参考光原路返回正交偏振激光模块中。
与传统技术相比较,本发明所述的激光回馈干涉仪,采用偏振标记的方法产生测量光和参考光,两者容易分离且共路部分大大增加,从而能够提高激光回馈干涉仪的分辨率。
另外,通过将两个相互独立的激光器输出的激光经过合束成为正交偏振的线偏振光,而且此正交偏振光束能够共同经历移频器等光学设备及光学元件,因此光路中的绝大多数扰动能够被消除;再者,所述激光回馈干涉仪能够补偿两个激光器工作参数的差异,抵消此差异在精密测量中引入的错误信息,提高了测量系统的分辨率以及抗环境干扰能力。
附图说明
图1为本发明所述的激光回馈干涉仪的结构及光路示意图;
图2为本发明实施例提供的激光回馈干涉仪中的光路列表;
图3为本发明所述的激光回馈干涉仪中第一激光器及第二激光器的功率谱的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明提供的正交偏振激光回馈干涉仪。
请参阅图1,本发明实施例提供的正交偏振激光回馈干涉仪100,包括正交偏振激光模块1,第一分光镜2,第一偏振分光镜3,光电探测模块4,声光移频模块5,第二分光镜7,汇聚模块8,反射模块9以及第二偏振分光镜10。
所述正交偏振激光模块1用于同向输出两束正交偏振的激光,且两束光在空间上重合。本实施例中,所述正交偏振激光模块1包括第一激光器11、第二激光器12、激光合束器13及光阑14。所述第一激光器11及第二激光器12分别用于输出相互独立的两束激光,且两束激光之间可无相位关系,且强度相互独立。
所述激光合束器13设置于从第一激光器11及第二激光器12出射的激光的光路上,用于获得空间上重合且偏振态正交的正交偏振光。具体的,所述激光合束器13可包括双折射元件如方解石等,所述双折射元件设置于第一激光器11及第二激光器12输出的激光的光路上,并可根据自身的本征轴,将通过双折射元件的激光分解为空间上相互分离且偏振方向相互正交的寻常光o光和非寻常光e光。进一步,第一激光器11输出的e光可与第二激光器12输出的o光可形成空间上相互重合且偏振态正交的正交偏振光,即第一激光L11及第二激光L12。
所述光阑14设置于从激光合束器13出射的激光的光路上,具体的,所述光阑14设置于在空间上重合、偏振态正交的两束激光第一激光L11及第二激光L12的光路上,其他状态的光均被所述光阑14阻隔,从而实现了两束空间上重合且正交偏振光的输出。本说明书中将正交偏振激光模块1输出的这两束在空间上重合、且偏振方向正交的第一激光L11及第二激光L12简称为两束正交偏振光。
可以理解,所述正交偏振激光模块1的具体结构还可以根据需要进行选择,只要能够产生如上所述的两束正交偏振光,且空间上重合即可即可。
所述第一分光镜2与所述正交偏振激光模块1间隔设置,且设置于从正交偏振激光模块1出射的所述两束正交偏振光的光路上。所述第一分光镜2将正交偏振激光模块1输出的激光分为反射光L2R及透射光L2T,且所述反射光L2R及所述透射光L2T均包括两束正交偏振光。所述反射光L2R用于光强探测,所述透射光L2T用于形成移频回馈光路。本实施例中,所述第一分光镜2的透光率为96%,反射率为4%。
所述第一偏振分光镜3设置于从所述第一分光镜2出射的反射光L2R的光路上,用以将第一分光镜2出射的反射光L2R按照偏振态分为两束正交偏振且空间上分离的第一偏振光及第二偏振光,所述第一偏振光及第二偏振光的传播方向不同。本实施例中,所述反射光经过第一偏振分光镜3之后分为平行偏振光和垂直偏振光。所述第一偏振分光镜3的角度可旋转,用以调整匹配反射光的偏振方向。
所述光电探测模块4设置于从所述第一偏振分光镜3输出的激光的光路上,用于探测反射光L2R的光强并将光强信号转换为电信号。进一步,所述光电探测模块4分别探测空间上相互分离的第一偏振光及第二偏振光的光强。具体的,所述光电探测模块4包括第一光电探测器41及第二光电探测器42,所述第一光电探测器41可设置于第一偏振光的光路上并探测其光强,所述第二光电探测器42设置于第二偏振光的光路上并探测器光强,并分别转换为电信号。本实施例中,所述第一光电探测器41及第二光电探测器42均采用PIN探测器。
所述声光移频模块5设置于从所述第一分光镜2透射的透射光L2T的光路上,用于对透射光L2T进行移频,以产生相差预定频率的两束透射光。所述声光移频模块5可包括至少一声光移频器。具体的,所述声光移频模块5用于根据透射光L2T的频率ω以及自身的射频驱动频率Ω,产生与透射光L2T频率ω相同即未发生移频的第一透射光L50,即零级衍射光束,以及与透射光L2T相差预定频率Ω的第二透射光L51,即一级衍射光束。所述声光移频模块5可包括第一声光移频器51及第二声光移频器52沿透射光L2T的光路依次间隔设置,用于对透射光L2T进行移频。具体的,所述第一声光移频器51及所述第二声光移频器52均设置于透射光L2T的光路上。
所述第二分光镜7设置于从声光移频模块5出射的第一透射光L50及第二透射光L51的光路上,用于对第一透射光L50及第二透射光L51再次进行反射及透射以实现分光。具体的,所述第二分光镜7可将第一透射光L50分为第一次级反射光L7R1及第二次级透射光(图未示),将第二透射光L51再次分为第二次级反射光L7R2及第二次级透射光L7T2。由于第一透射光L50未发生移频,因此所述第一透射光L50的反射光第一次级反射光L7R1也未发生移频;类似的,第二透射光L51经过移频,因此所述第二透射光L51的反射光第二次级反射光L7R2也发生了移频。
所述汇聚模块8设置于从第二分光镜7反射的第一次级反射光L7R1及第二次级反射光L7R2的光路上,用于对第一次级反射光L7R1及第二次级反射光L7R2进行汇聚,使第一次级反射光L7R1及第二次级反射光L7R2聚焦到预定位置。
所述反射模块9用于将所述第一次级反射光L7R1及第二次级反射光L7R2反射,并将未发生移频的第一次级反射光L7R1与发生移频的第二次级反射光L7R2的光路互换,使所述第一次级反射光L7R1反射后沿入射到所述反射模块9的第二次级反射光L7R2的传输光路返回正交偏振激光模块,使所述第二次级反射光L7R2反射后沿入射到所述反射模块9的第一次级反射光L7R1的传输光路返回正交偏振激光模块1。具体的,所述反射模块9可为反射镜,设置于从第一次级反射光L7R1及第二次级反射光L7R2的聚焦点处,对第一次级反射光L7R1及第二次级反射光L7R2进行反射,并且使第一次级反射光L7R1的反射光束L9R1与入射到反射模块9的第二次级反射光L7R2光路重合,使第二次级反射光L7R2的反射光束L9R2与入射到反射模块9的第一次级反射光L7R1重合。从而使得第一次级反射光L7R1的反射光束L9R1沿着第二次级反射光L7R2传输的光路原路返回到正交偏振激光模块1中;类似的,所述反射模块9使第二次级反射光L7R2的反射光L9R2沿着第一次级反射光L7R1的传输光路原路返回到正交偏振激光模块1中。进一步,在返回的过程中,反射光束L9R1经过声光移频模块5返回正交偏振激光模块1的过程中会经历移频;而反射光束L9R2经过声光移频模块5返回正交偏振激光模块1的过程中则不经历移频。所述反射光束L9R1及反射光束L9R2返回到正交偏振激光模块1中时,均经历过一次移频过程,会引起第一激光器11及第二激光器12的功率谱中出现频率为声光移频模块5驱动频率的调制信号,所述调制信号所包含的相位信息可通过光电探测模块4进行相位解调的方法获得。
所述第二偏振分光镜10可设置于从第二分光镜7透射的第二次级透射光L7T2的光路上,用于将第二次级透射光L7T2分光。具体的,所述第二偏振分光镜10将第二次级透射光L7T2分为参考光Lref及测量光LM,所述参考光LRef为第二次级透射光L7T2的反射光,所述测量光LM为第二次级透射光L7T2的透射光,并且同时对第二次级透射光L7T21的偏振态进行分离,按照偏振态分为两束正交偏振的偏振光,即所述测量光LM与所述参考光LRef为正交偏振的偏振光。本实施例中,所述第二次级透射光L7T21经过第二偏振分光镜10之后,分为平行偏振光和垂直偏振光,且所述测量光LM为水平偏振光,所述参考光Lref为垂直偏振光。
进一步,本发明提供的正交偏振激光回馈干涉仪100在应用时,可将参考目标112设置于从第二偏振分光镜10反射的参考光Lref的光路上,且静止设置,所述参考目标112可为反射镜等;将待测目标111设置从第二偏振分光镜10透射的测量光LM的光路上。参考光Lref投射到参考目标112上之后,经过参考目标112反射或散射后沿入射光路返回正交偏振激光模块1中,形成参考回馈光;类似的,测量光LM投射到待测目标111上之后,经过待测目标111反射或散射后,沿入射光路返回正交偏振激光模块1中,形成测量回馈光。进一步,在参考光Lref及测量光LM原路返回正交偏振激光模块1的过程中,会再次被所述声光移频模块5移频,因此在所述正交偏振激光模块1中所述的第一激光器11及第二激光器12的功率谱中,出现2Ω频率的调制信号。
请一并参阅图2,图2为第一激光器11及第二激光器12出射的激光在正交偏振激光回馈干涉仪100产生的光路,其中5(0)表示光线经过声光移频模块5没有经历移频,5(1)表示光线经过声光移频模块5时经历移频;7(R)及10(R)表示光线由第二分光镜7以及第二偏振分光镜10反射,7(T)及10(T)表示光线透射所述第二分光镜7以及第二偏振分光镜10。光路L1及光路L2可以合并为一种情况,即光路L1及光路L2在第一激光器11中引起频率为Ω的功率调制;类似的,光路L3及光路L4也可以合并为一种情况,即光路L3及光路L4在第二激光器12中引起频率为Ω的功率调制;光路L5在第一激光器11中引起频率为2Ω的功率调制,光路L6在第二激光器12中引起频率为2Ω的功率调制。
具体的,光路L1是指从第一激光器11发出的激光在经过激光合束器13、光阑14后在声光移频模块5中先不经历移频,然后经第二分光镜7反射后经过汇聚模块8打在反射模块9上,经反射模块9反射后经过声光移频模块5移频,最终仍然回到第一激光器1中,该光路最终在第一激光器11的光功率中产生了频率为Ω的调制。
类似的,光路L2同样是由针对第一激光器11发出的激光,唯一与光路L1的差别是,它先经过声光移频模块5移频,然后经反射模块9反射后返回时经过声光移频模块5不再经历移频,它同样在第一激光器11中产生频率为Ω的调制,因此光路L1和光路L2可以合并为同一个光路。
同理,光路L3和光路L4在第二激光器12中产生频率为Ω的调制。
光路L1/L2和L3/L4在光阑14之后到反射模块9之间是完全重合的,因此这两者测出的结果体现了第一激光器11和第二激光器12的差异带来的影响,以及在光阑14之前由两个激光器分别发出的激光由于空间上不重合带来的差异。所以说,通过设置反射模块9,使得这部分光路补偿两个激光器的差异以及在正交偏振激光模块1中两束激光非共路时给最终位移测量带来的误差。
而光路L5和光路L6则由于在光阑14和第二偏振分光镜10之间完全是正交偏振光,能够补偿这一部分光学器件以及空气光路热扰动带来的测量误差。
因此,光路L1、L2、L3、L4起到补偿正交偏振激光模块1的误差,而光路L5、L6起到补偿正交偏振激光模块1到第二偏振分光镜10之间的光路扰动,这两者结合起来就能够补偿光路中所有的测量误差。
请一并参阅图3,图3为两个相互独立的第一激光器11及第二激光器12的功率谱,其中,ωR是第一激光器11及第二激光器12各自激光振荡的弛豫振荡频率,Ω是沿光路L1、L2和光路L3、L4的传播的光在各自相应的第一激光器11及第二激光器12功率谱中引起的调制信号,2Ω是沿光路L5、L6传播的光在各自相应的第一激光器11及第二激光器12功率谱中引起的调制信号。
通过提取图3中频率分别为Ω及2Ω的信号,进行相位求解,即可得到各光路L1-L6所经历的光程变化。其中,由光路L5及光路L6引起的频率为2Ω产生的相位差异Result2,体现了待测目标111与参考目标112之间位移的差异以及由于第一激光器11及第二激光器12工作参数不同引入的虚假位移信息;而通过由光路L1、L2、L3、L4引起的频率为Ω产生的相位差异Result1,反映了第一激光器11及第二激光器12工作参数不同引入的虚假位移信息。因此通过将Result2与Result1再次做差:Result=Result2-Result1,即可以在Result2中将第一激光器11及第二激光器12工作参数不同引入的虚假位移信息排出,只剩下待测目标与参考目标的位移差异。另外,由于在待测目标移动的过程中,参考目标设置为静止不动,因此最后的结果Result即体现了待测目标的位移信息。进一步,所述正交偏振激光回馈干涉仪还可以用来进行偏摆、俯仰等多自由度的测量。
本发明提供的正交偏振激光回馈干涉仪,能够补偿两个独立的激光器的带来的差异,因此本发明能够用两个独立的激光器作为两个共光路的激光光源,来进行回馈干涉测量。另外,通过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。同时,采用频率复用的方式在各个激光器的功率谱中引入了多个不同频率的功率调制,可以采用滤波的方式将不同频率的信号分离并处理,此方法消除了多个激光器间工作状态参数的差异性带入到测量中的影响,在很大程度上提高了正交偏振激光回馈干涉仪的分辨率以及抗干扰性能。
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 (9)
1.一种激光回馈干涉仪,包括:
正交偏振激光模块,用于同向输出两束正交偏振的激光,且两束正交偏振的激光在空间上重合;
第一分光镜,设置于从所述正交偏振激光模块输出激光的光路上,用于对正交偏振激光模块输出的激光进行反射及透射,形成反射光及透射光;
第一偏振分光镜,设置于所述第一分光镜反射形成反射光的光路上,并将所述反射光分为正交偏振的第一偏振光及第二偏振光,且按照偏振态在空间上将正交偏振的第一偏振光及第二偏振光分离;
光电探测模块,设置于从所述第一偏振分光镜输出的正交偏振的第一偏振光及第二偏振光的光路上,用于探测第一偏振光及第二偏振光的光强,并将所述光强转换为电信号;
声光移频模块,设置于从分光镜出射的透射光的光路上,用于对透射光进行移频,形成相差预定频率的第一透射光及第二透射光,所述第一透射光未发生移频;
第二分光镜,设置于从声光移频模块出射的所述第一透射光及第二透射光的光路上,用于对声光移频模块出射的所述第一透射光及第二透射光进行反射及透射,所述第一透射光经过第二分光镜反射形成第一次级反射光;所述第二透射光经过所述第二分光镜的反射形成第二次级反射光,经过所述第二分光镜透射形成第二次级透射光;
汇聚模块,设置于所述第二分光镜反射的激光的光路上,将所述第一次级反射光及第二次级反射光汇聚;
反射模块,用于将所述第一次级反射光及第二次级反射光反射,并使所述第一次级反射光反射后,沿入射到所述反射模块的第二次级反射光的传输光路原路返回正交偏振激光模块;使所述第二次级反射光反射后,沿入射到所述反射模块的第一次级反射光的传输光路原路返回正交偏振激光模块;
以及,
第二偏振分光镜,设置于从所述第二分光镜透射的光的光路上,用于对从所述第二分光镜透射的第二次级透射光进行反射及透射以及偏振态分离,形成参考光及测量光,且所述参考光及测量光为正交偏振的偏振光。
2.根据权利要求1所述的激光回馈干涉仪,其特征在于,所述汇聚模块将所述第一次级反射光及第二次级反射光汇聚至聚焦点。
3.根据权利要求2所述的激光回馈干涉仪,其特征在于,所述反射模块设置于预定聚焦点处,以对第一次级反射光及第二次级反射光反射。
4.根据权利要求1所述的激光回馈干涉仪,其特征在于,所述声光移频模块包括第一声光移频器及第二声光移频器沿从所述第二分光镜透射的透射光的输出方向间隔设置。
5.根据权利要求4所述的激光回馈干涉仪,其特征在于,所述第一透射光与所述第二透射光相差频率Ω,所述Ω为声光移频模块的射频驱动频率。
6.根据权利要求1所述的激光回馈干涉仪,其特征在于,所述正交偏振激光模块包括:
第一激光器、第二激光器、激光合束器及光阑,所述第一激光器及第二激光器用于产生激光;所述激光合束器设置于从第一激光器及第二激光器产生的激光的光路上,以获得空间上重合且偏振态正交的正交偏振光;所述光阑设置于从激光合束器出射的空间上重合且偏振态正交的正交偏振光的光路上,使空间上重合的正交偏振光通过,并挡掉其他部分的光。
7.根据权利要求4所述的激光回馈干涉仪,其特征在于,所述激光合束器包括双折射元件,所述双折射元件根据所述双折射元件自身的本征轴,将通过双折射元件的激光分解为空间上相互分离且偏振方向相互正交的寻常光o光和非寻常光e光,且所述寻常光o光和非寻常光e光传播方向平行。
8.根据权利要求1所述的激光回馈干涉仪,其特征在于,所述光电探测模块包括第一光电探测器及第二光电探测器,分别用于探测第一偏振光及第二偏振光的光强,并转换为电信号。
9.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,所述参考目标设置于从第二偏振分光镜出射的参考光的光路上,以对参考光进行反射,使参考光原路返回正交偏振激光模块中。
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