CN108627084B - 一种基于静止的迈克尔逊干涉仪的激光器波长校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测量领域，并公开了一种基于静止的迈克尔逊干涉仪的激光器波长校准系统。该校准系统包括激光器模块、偏振干涉模块和信号处理模块，激光器模块与偏振干涉模块相连，用于发射待处理激光；偏振干涉模块与信号处理模块相连，用于使来自激光器模块的待处理激光发生偏振和干涉，从而转化为四路相位差相差90度的干涉光；信号处理模块采集四路相位差相差90度的干涉光并将其转化为电信号，计算得到偏振干涉模块干涉光的条纹变动量，然后根据该条纹变动量确定激光器模块中的激光器的波长偏移并进行误差补偿。通过本发明，测量系统结构简单，信号处理难度小，测量精度高，实现实时补偿因激光器波长漂移而引起的测量误差。

Description

一种基于静止的迈克尔逊干涉仪的激光器波长校准系统

技术领域

本发明属于激光测量领域，更具体地，涉及一种基于静止的迈克尔逊干涉仪的激光器波长校准系统。

背景技术

在激光干涉测量系统中，激光波长为测量基准值，被广泛应用于形貌测量领域，但是激光器如最常用的半导体激光器的波长是随环境温度、工作电流等因素的变化而变化，会影响到激光干涉测量系统的精度，因此实时补偿由激光器波长漂移引起的测量误差是保证高精度测量的关键。

目前常用的减少激光波长漂移误差的方法是在激光器使用前精确测量其输出波长值。在激光波长测量方法中，最常用的是激光干涉技术，主要有斐索干涉仪、法布里-铂罗干涉仪和迈克尔逊干涉仪，通过电荷耦合器件(CCD)采集干涉仪得到的干涉条纹，分析条纹信息求得激光波长。其中斐索干涉仪和法布里-铂罗干涉仪的波长测量结果与干涉仪的工作参数密切相关，为了得到较高的测量精度，需要对环境因素进行控制，难度较大。迈克尔逊干涉仪在测量激光波长时，需要有精确的位移发生器来控制反射单元的移动，这样的测量系统成本昂贵、结构复杂，测量结果易送到震动的影响，且无法实时测量波长值。

为了消除环境因素对测量结果造成的影响，进一步提高测量精度，上述干涉仪波长计通常采用双波长测量，一路为待测激光，一路为波长已知的参考激光，两路光同时射入干涉仪，通过比较待测激光和参考激光的干涉条纹，得到待测激光的波长。中国发明专利公开号为CN1077530A的专利公开的斐索干涉仪便是如此。

上述方法除结构复杂、成本昂贵外，存在另一个问题：在进行一次波长精确测量后，激光器在使用过程中波长仍然会发生漂移，此时仍然会引起测量误差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于静止的迈克尔逊干涉仪的激光器波长校准系统，通过对利用基于迈克尔逊干涉仪的偏振干涉模块，根据偏振干涉光的原理实时获得激光器波长的偏移量，并由此对测量用激光器的波长进行补偿，其目的在于补偿激光器在使用过程中由于波长漂移引起的测量误差。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于静止的迈克尔逊干涉仪的激光器波长校准系统，其特征在于，该校准系统包括激光器模块、偏振干涉模块和信号处理模块，

所述激光器模块与偏振干涉模块相连，用于发射待处理激光；

所述偏振干涉模块与信号处理模块相连，用于使来自所述激光器模块的待处理激光发生偏振和干涉，从而得到四路相位差相差90度的干涉光；

所述信号处理模块采集所述四路相位差相差90度的干涉光并将其转化为电信号，然后根据该电信号运算得到所述激光器模块中的激光器的波长偏移并进行误差补偿。

进一步优选地，所述偏振干涉模块包括二分之一波片、偏振单元和干涉单元，所述二分之一波片用于改变待处理激光的偏振态，以此改变所述偏振单元的反射光和透射光的强度；所述偏振光单元用于将来自二分之一波片的光转化为重合的左旋和右旋两路偏振光；所述干涉单元用于将所述重合的左旋和右旋两路偏振光转化为四路干涉光，四路干涉光的相位两两相差90度。

进一步优选地，所述偏振单元包括第一偏振分光棱镜，四分之一波片和反射镜，待处理激光经过二分之一波片后到达所述第一偏振分光棱镜，经该第一偏振分光棱镜后分为光强度相等的反射光S光和透射光P光，所述第一偏振分光棱镜的三个侧面的后方均设置有四分之一波片，其中两个侧面的四分之一波片后方还设置有反射镜，所述反射光S光和透射光P光均经过所述四分之一波片和反射镜后回到所述第一偏振分光棱镜，经该第一偏振分光棱镜和最后一个侧面的四分之一波片后变为重合的左旋和右旋两路偏振光。

进一步优选地，所述干涉单元包括消偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜，所述消偏振分光棱镜用于将所述重合的左旋和右旋两路偏振光分为完全相同的两束光分别射向所述第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜均用于将所述两路偏振光转化为四路相位相差90度的干涉光。

进一步优选地，所述信号处理模块包括光电转化单元和信号处理单元，其中，所述光电转化单元用于将检测的所述四路干涉光的干涉信号转化为四路电信号，该光电转化单元中包括四个分别用于检测四路干涉光的探测器，所述信号处理单元根据所述四路电信号运算得到所述激光器模块中的激光器的波长偏移并进行误差补偿。

进一步优选地，所述信号处理单元包括模拟信号调理电路和数字信号处理电路，所述模拟信号调理电路用于将所述四路电信号放大并消除直流分量，所述数字信号处理电路用于对所述四路电信号进行辩向计数和商运算，得到所述干涉条纹的移动量和移动方向，以此获得激光器的波长偏移量。

进一步优选地，所述激光器模块包括激光器、分路器和准直器，所述分路器用于将所述激光器发射的待处理激光分为两路相同的待处理激光，所述准直器用于将所述待处理激光转变为自由光射出。

进一步优选地，所述校准系统中的激光器模块与激光干涉测量系统相连后，激光干涉测量系统的测量结果经过所述校准系统校准后，按照下列表达式获得校准后的测量结果d₀，

d₀＝(λ₀-Δ₀·Y₁)·X

其中，λ₀为激光器波长未漂移时的激光波长，Δ₀是波长校准系统变动一个条纹量对应的激光波长漂移量，Y₁是波长校准系统的条纹变动量，X是激光干涉测量系统干涉条纹移动一个周期时对应的测量值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明中通过采用基于迈克尔逊干涉仪的偏振干涉模块，相较于运动的迈克尔逊干涉仪，偏振干涉模块中没有运动部件，大大降低了系统的复杂度，减少了震动对测量结果的影响，同时，激光波长的漂移实时反映在干涉信号的变动上，真正实现了实时测量；

2、本发明采用单点探测器探测干涉条纹的变动进而求出波长的变化，具有极高的精度，且通过改变系统设计光程差的大小，可控制所需的测量精度，同时单点探测器相较于传统的CCD而言大大降低了信号处理的难度；

3、本发明将激光干涉测量系统和波长校准系统结合起来，在激光干涉测量系统测量的同时实时将由波长漂移引起的误差补偿到测量结果中，保证了激光干涉测量系统测量结果的精度；

4、本发明的测量装置结构简单，信号处理难度小，测量精度高，能实时补偿因激光器波长漂移而引起的测量误差。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的校准系统的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-激光器 2-分路器 3-准直器 4-二分之一波片 5-第一偏振分光棱镜 6-四分之一波片 7,8-反射镜 9-消偏振分光棱镜 10-第二偏振分光棱镜 11-第三偏振分光棱镜12-探测器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的校准系统的结构示意图，如图所示，本发明主要包括激光器模块、偏振干涉模块、信号处理模块。

激光器模块包括激光器、分光光路和准直器，用于将激光送入校准系统和激光干涉测量系统中。

偏振干涉模块为所述激光波长校准系统的主要组成部分，为一基于静止的迈克尔逊干涉仪的偏振干涉模块，包括偏振分光棱镜、消偏振分光棱镜、波片、反射镜，用于将激光器模块送来的激光进行偏振干涉，得到四路相位相差90度的干涉光，所述激光器模块发出的激光波长的改变会引起所述干涉光的干涉条纹移动；

信号处理模块包括光电转换单元和信号处理单元。用于将偏振干涉的光信号转换为电信号，进而确定激光器波长偏移并进行误差补偿；信号处理单元包括模拟电路处理电路和数字信号处理电路。所述模拟信号调理电路用于信号放大和消除直流分量，数字信号处理电路用于对四路电信号进行辩向计数和商运算，得到干涉光干涉条纹的移动量和移动方向，进而得到激光波长的漂移量并对激光干涉测量系统进行误差补偿。

下面是按照本发明构建的一个具体实施例，具体为，

激光器模块由光纤激光器1，光纤1×2分路器2，光纤准直器3组成。

偏振干涉模块包括偏振单元和干涉单元。

信号处理模块由光电探测器12，模拟信号处理模块和MCU数字信号处理模块。

光纤激光器1发出的激光经过光纤1×2分路器2，被等分成两路，一路送入激光干涉测量系统，激光干涉测量系统即待补偿的系统，常为位移测量系统。另一路送入激光波长校准系统，即图1中的偏振干涉模块和信号处理模块。送入系统后，光纤准直器3将光纤里的光变成自由光射出。激光器模块采用光纤传输的方式，能最大限度的利用光能，且便于光路的调节。

光纤准直器3射出的光射入偏振干涉模块。本发明利用偏振光干涉，自然光经过偏振分光棱镜后，产生垂直于入射面振动的反射线偏振光和平行于入射面振动的投射线偏振光。如果入射面是平行于入射面振动的光，它被全部透过，其反射分量为零。当它入射到反射镜并反射回分光镜时，因光路加入四分之一波片，它能使两次经过四分之一波片的光振动方向转过90°，原来平行于主截面振动的分量此时变为垂直振动分量，因此该入射光被全部反射。此结构能充分利用光能，且能防止光向光源回授的不利影响。同时当入射线偏振光偏振方向相对于入射面方位变化时，可以改变从偏振分光镜出射的两束光的相对强度。

根据上述基本结构，设计实例偏振干涉模块。光纤准直器3输出的激光通过二分之一波片4射入第一偏振分光棱镜5，激光发出的光一般为线偏振光，旋转二分之一波片4的光轴方向能改变入射到偏振分光棱镜5的激光的偏振方向，使第一偏振分光棱镜5的透射和反射光的强度相等，从而得到可见度最好的干涉条纹。

偏振单元将来自4的透射光转化为左旋和右旋的两路偏振光，这两路偏振光重合；偏振单元包括四分之一波片、偏振分光棱镜和反射镜，第一偏振分光棱镜用于将来自二分之一波片4的光分为强度相等的的反射光S光和透射光P光，P光的偏振态是平行于入射面，S光的偏振态是垂直于入射面，反射光S光和透射光P光经反射镜7、8反射后分别两次经过四分之一波片，使得反射光S光变为P光，透射光P光变为S光，P光和S光再次入射到偏振分光棱镜后重合射出，再次经过四分之一波片，变为左旋和右旋的两路偏振光，这两路偏振光重合地射向干涉单元。

干涉单元将两路偏振光转化为四路相位相差90度的干涉光，消偏振分光棱镜9将入射的两路偏振光分为完全相同的两路光分别射向第二偏振分光棱镜10和第三偏振分光棱镜11，第二偏振分光棱镜10和第三偏振分光棱镜11分别用于获得两路相位相差180度的干涉光，以此获得四路相位相差90度的干涉光。

信号处理模块中用四个传感器测量四路干涉光的光强，例如光电二极管，测量的信号通过信号处理模块后获得光纤激光器的激光波长偏移量。

测量过程中的原理如下：

激光入射第一偏振分光棱镜5后，变成平行于入射面振动的透射光P光和垂直于入射面振动的反射光S光。定义垂直于纸面的方向为y轴，平行于纸面的方向为x轴。

P光和S光经反射镜反射两次经过四分之一波片6，P光变为S光，S光变为P光，同时射出第一偏振分光棱镜。其中，第一反射镜7距第一偏振分光棱镜5的距离为h1，第二反射镜8距第一偏振分光棱镜5的距离为h2，系统的光程差δ为

δ＝2*(h2-h1) (1)

此时射出的S光和P光存在相位差

,

与激光波长λ的关系如下，

其中四分之一波片的快轴方向与第一偏振分光棱镜5的光轴方向成45°角，之后再次经过四分之一波片，此时P光和S光分别变成右旋光和左旋光射向消偏振分光棱镜9。

右旋光和左旋光射向消偏振分光棱镜9，被均分成两束，射向第二分光棱镜10和第三分光棱镜11。射入第二偏振分光棱镜10的光从a、b面射出，从a、b两出射面出射的光为干涉光。从a出射的光的偏振方向沿x轴，从b出射的光偏振方向沿y轴。a处出射的干涉光为，

A₀是电场的振幅。

b处出射的干涉光为，

射入第三偏振分光棱镜11的光从c、d面射出，第三偏振分光棱镜与第二分光棱镜放置方向成45°，从c处射出的干涉光偏振方向沿x′(与x轴成45度)，从d处射出的干涉光偏振方向沿y′(与y轴成45度)。

从c处出射的干涉光为，

从d处出射的干涉光为，

从式(3)-(6)中可以看出，a、b、c、d四路干涉差相位分别为π/2，-π/2，0，π。四路干涉光强分别为，

光电探测器12将得到的四路干涉光强转换为电压信号送入信号处理电路进行处理。光电探测器由光电二极管和放大电路组成，得到的电压信号V_a～V_d与光强信号成正比。信号处理模块由模拟信号处理模块和数字信号处理模块组成。模拟信号处理模块的主要功能为信号放大、信号差分、调零调幅，将得到电压信号两两作差并消除系统的直流偏移，接着通过AD转换为数字量送入数字信号处理模块，运算得到相位

根据相位的变化便可求出波长的变化。

相位

与四路电压的关系如下，

根据式(2)可得知波长漂移量与相位的变化量关系如下，

通常，激光波长的漂移量较波长值来说很小，此时波长的变化量与相位变化量

(干涉条纹的变动量)具有很好的线性关系。

根据此原理实时补偿波长漂移误差的步骤如下：

1)测量开始前，对需要实时校准的激光干涉测量系统进行标定。得到激光干涉测量系统的测量值与干涉条纹变动量的对应关系。d＝λ₀*X₀，d是测量结果(此处以距离测量为例)，其中λ₀是光纤激光器的波长，X₀是测量距离d时激光干涉测量系统干涉条纹的变动量。

2)通过上式(9)可知激光器波长校准系统的测量值(激光波长漂移量)和干涉条纹变动量的关系。Δλ＝Δ₀*Y₀,Δλ是测得的波长漂移量，Δ₀是校准系统变动一个干涉条纹对应的激光波长的漂移量，Y₀是激光器波长校准系统干涉光的条纹变动量。其中Δ₀为，

3)激光干涉测量系统测量，每测得一次结果对应的校准系统获得一个补偿结果，激光干涉测量系统的测量结果为d＝λ₀·X，对应的波长漂移系统此时的测量结果Δλ＝Δ₀·Y。

4)补偿后的测量值d₀＝(λ₀-Δλ)·X＝(λ₀-Δ₀·Y)·X。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于静止的迈克尔逊干涉仪的激光器波长校准系统，其特征在于，该校准系统包括激光器模块、偏振干涉模块和信号处理模块，

所述激光器模块与偏振干涉模块相连，用于发射待处理激光；

所述偏振干涉模块与信号处理模块相连，用于使来自所述激光器模块的待处理激光发生偏振和干涉，从而得到四路相位差相差90度的干涉光，其中，所述偏振干涉模块是基于迈克尔逊干涉仪的偏振干涉模块；

所述信号处理模块采集所述四路相位差相差90度的干涉光并将其转化为电信号，然后根据该电信号运算得到干涉光干涉条纹的移动量和移动方向,进而获得所述激光器模块中的激光器的波长偏移，将该波长偏移用于激光器波长的误差补偿，以此实现激光器波长的校准。

2.如权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述偏振干涉模块包括二分之一波片(4)、偏振单元和干涉单元，所述二分之一波片(4)用于改变待处理激光的偏振态，以此改变所述偏振单元的反射光和透射光的强度；所述偏振单元用于将来自二分之一波片的光转化为重合的左旋和右旋两路偏振光；所述干涉单元用于将所述重合的左旋和右旋两路偏振光转化为四路干涉光，该四路干涉光的相位两两相差90度。

3.如权利要求2所述的校准系统，其特征在于，所述偏振单元包括第一偏振分光棱镜(5)，四分之一波片(6)和反射镜(7,8)，待处理激光经过二分之一波片后到达所述第一偏振分光棱镜，经该第一偏振分光棱镜后分为光强度相等的反射光S光和透射光P光，所述第一偏振分光棱镜的三个侧面的后方均设置有四分之一波片，其中两个侧面的四分之一波片后方还设置有反射镜(7,8)，所述反射光S光和透射光P光均经过所述四分之一波片和反射镜后射回所述第一偏振分光棱镜，经该第一偏振分光棱镜和最后一个侧面的四分之一波片后变为重合的左旋和右旋两路偏振光。

4.如权利要求2所述的校准系统，其特征在于，所述干涉单元包括消偏振分光棱镜(9)、第二偏振分光棱镜(10)和第三偏振分光棱镜(11)，所述消偏振分光棱镜用于将所述重合的左旋和右旋两路偏振光分为完全相同的两束光分别射向所述第二偏振分光棱镜(10)和第三偏振分光棱镜(11)，所述第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜用于将所述两路偏振光转化为四路相位相差90度的干涉光。

5.如权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述信号处理模块包括光电转化单元和信号处理单元，其中，所述光电转化单元用于将检测的所述四路干涉光的干涉信号转化为四路电信号，该光电转化单元中包括四个分别用于检测四路干涉光的探测器(12)，所述信号处理单元根据所述四路电信号运算得到为所述激光器模块中的激光器的波长偏移。

6.如权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述信号处理单元包括模拟信号调理电路和数字信号处理电路，所述模拟信号调理电路用于将所述四路电信号放大并消除直流分量，所述数字信号处理电路用于对所述四路电信号进行辩向计数和商运算，得到所述干涉条纹的移动量和移动方向，以此获得激光器的波长偏移量。

7.如权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述激光器模块包括激光器、分路器和准直器，所述分路器用于将所述激光器发射的待处理激光分为两路相同的待处理激光，所述准直器用于将所述待处理激光转变为自由光射出。

8.如权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述校准系统中的激光器模块与激光干涉测量系统相连后，激光干涉测量系统测量的结果经过所述校准系统校准后，按照下列表达式获得激光干涉测量系统校准后的测量结果d₀，

d₀＝(λ₀-Δλ)·X＝(λ₀-Δ₀·Y)·X

其中，λ₀为激光器波长未漂移时的激光波长，Δ₀是波长校准系统变动一个条纹量对应的激光波长漂移量，Y是波长校准系统的条纹变动量，X是激光干涉测量系统干涉条纹移动一个周期时对应的测量值，Δλ是测得的波长漂移量。

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