CN109883657B - 基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置和方法，所述装置包括：激光器；安装于精密导轨上的滑台，滑台可沿预设光路在第一和第二干涉光腔腔镜之间移动；设置于滑台上的第一和第二平移轴干涉测量模块，每个平移轴干涉测量模块包括依次排布于预设光路上的第一准直小孔、分光棱镜、第二准直小孔以及设置于分光棱镜两侧且位于干涉光路上的第一和第二干涉测量模块腔镜，其中，第一和第二平移轴干涉测量模块的干涉光路相互垂直；成像透镜，用于对第一和第二平移轴干涉测量模块的干涉图像进行成像；图像传感器，用于输出干涉图像的数字图像；计算机，用于处理数字图像，并根据处理结果反馈自补偿多轴精密调节策略。

Description

基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置和方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置和一种长干涉光腔调谐方法。

背景技术

干涉式光学测量系统是现代激光干涉、光谱检测设备等应用的核心器件，其腔内模式特性、结构尺寸稳定性等作为关键特性直接影响其性能表现。利用干涉光谱技术、干涉信号处理等技术能够定性、定量的测量事物的多种物理量，如空间位置、成分、浓度等，是一种利用时间、空间信号作为测量参考的精密光学测量手段，具有抗干扰能力强、测量稳定性好、精度高、灵敏度高、方便使用等优点。一般由激光光源或宽谱光源、干涉光光腔、探测器以及辅助控制系统组成。根据干涉光腔腔内光束谐振的原理特性，可知决定测量精度的关键技术是腔镜空间位置如何确定与保证，即如何通过精密装调的手段获得理想的干涉光腔。

为提高测量精度，干涉谐振腔的精密装校与精密结构设计成为重中之重，在无可调元器件(一般为压电陶瓷驱动器)的情况下，无源谐振腔产品必须能够在各种条件下保持不变。而在挂载可调补偿元件的情况下，谐振腔也必须保证变形在压电陶瓷变形范围内(通常为微米到亚微米级别)。一般地，短距离干涉测量设备，如迈克尔逊干涉仪等，装调相对容易，利用自准直仪等设备即可完成，但对于超长距离干涉光腔，很多情况下无法直接装调，受到机械精度、装调仪器精度、人工误差等的影响，想要进一步提升长干涉光腔的装校精度是非常困难的。近年来，由于人们对灵敏度、测量精度、复合测量等的不断追求，特别是美国LIGO激光干涉望远镜(干涉光腔长度为公里级)的成功应用等成果的出现，对长距离干涉光腔的精密装校技术提出了更高的要求。

发明内容

本发明为解决目前难以实现长距离干涉光腔的精密装调的技术问题，提供了一种基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置和方法，能够方便地完成长距离干涉光腔的精密装调。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置，包括：激光器，所述激光器作为发射激光的光源；安装于精密导轨上的滑台，所述滑台可沿预设光路在第一干涉光腔腔镜和第二干涉光腔腔镜之间移动；设置于所述滑台上的第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块，每个平移轴干涉测量模块包括依次排布于预设光路上的第一准直小孔、分光棱镜、第二准直小孔以及设置于所述分光棱镜两侧且位于干涉光路上的第一干涉测量模块腔镜和第二干涉测量模块腔镜，其中，所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块的干涉光路相互垂直；成像透镜，所述成像透镜用于对所述第一平移轴干涉测量模块和所述第二平移轴干涉测量模块的干涉图像进行成像；图像传感器，所述图像传感器用于输出所述干涉图像的数字图像；计算机，所述计算机分别与所述图像传感器、所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块相连，所述计算机用于处理所述数字图像，并根据处理结果向所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块反馈自补偿多轴精密调节策略。

所述第一平移轴干涉测量模块和所述第二平移轴干涉测量模块包括自补偿多轴精密调节机构，所述自补偿多轴精密调节策略包括：根据所述自补偿多轴精密调节机构的运动反馈信号，通过所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块坐标系的三维平移和两维转动，以自动调节所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块坐标系与所述预设光路的空间位置关系。

所述图像传感器为CCD(Charge Coupled Device，电耦合器件)图像传感器。

所述滑台为电动滑台或手动滑台。

一种基于上述装置的长干涉光腔调谐方法，包括：搭建所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块；利用标准光源观察所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块的干涉图案，并进行精密调谐校准；将搭建完成的所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块设置于所述滑台上，并将所述滑台安装于所述精密导轨上；将所述第一干涉光腔腔镜设置于精密调谐的初始位置，并将所述滑台移动至所述第一干涉光腔腔镜位置处；向所述第一干涉光腔腔镜射入校准激光，所述校准激光透过所述第一干涉光腔腔镜后，穿过所述第一平移轴干涉测量模块的第一准直小孔，并在所述第一平移轴干涉测量模块中形成第一干涉图像；所述第一平移轴干涉测量模块的分光棱镜透过的校准激光射入所述第二平移轴干涉测量模块，穿过所述第二平移轴干涉测量模块的第一准直小孔，并在所述第二平移轴干涉测量模块中形成第二干涉图像；试调整所述第一干涉光腔腔镜的空间位置，观察所述第一干涉图像和所述第二干涉图像的变化是否符合一般规律，开启所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块的自补偿多轴精密调节机构；控制所述滑台匀速运动，其中，在所述滑台移动过程中，所述第一干涉图像和所述第二干涉图像发生变化；在所述滑台移动过程中，所述自补偿多轴精密调节机构根据所述第一干涉图像和所述第二干涉图像的变化自动调节所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块坐标系与所述校准激光光轴的空间位置关系；待所述滑台匀速运动至所述第二干涉光腔腔镜的安装位置处，安装所述第二干涉光腔腔镜；观察所述第二干涉光腔腔镜反射回来的光束，通过所述第二平移轴干涉测量模块和所述第一平移轴干涉测量模块分别产生第三干涉图像和第四干涉图像；比较所述第三干涉图像和所述第四干涉图像，逐步调节所述第二干涉光腔腔镜的空间位置，使所述第三干涉图像和所述第四干涉图像完全重合并与理论图案最为接近，则完成了所述第一干涉光腔腔镜和所述第二干涉光腔腔镜的长距离光腔调谐。

本发明的有益效果：

本发明能够实现超长干涉光腔的精密装调，将困难的长腔装校转化为短腔装校，利用已经搭建好的平移轴干涉测量模块，将两个干涉光腔腔镜的空间位置变化转化为干涉图像的变化，利用干涉图像反馈亚微米级别的变化量，再通过自补偿多轴精密调节策略实时校正光轴与运动机械轴，实现长距离亚微米级别的精度传输；经过本发明实施例装调完成后的长光学腔，其腔镜已具备较高的轴线平行精度及一定的平移精度，而后通过常规的干涉调谐方法，简单调节第二干涉光腔腔镜，即可完成长距离干涉光腔的精密装调，达到良好的干涉参数。

附图说明

图1为本发明一个实施例的基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例的基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置，包括激光器1、安装于精密导轨上的滑台2、设置于滑台2上的第一平移轴干涉测量模块3和第二平移轴干涉测量模块4、成像透镜5、图像传感器6和计算机7。其中，激光器1作为发射激光的光源，滑台2可沿预设光路在第一干涉光腔腔镜8和第二干涉光腔腔镜9之间移动，第一干涉光腔腔镜8和第二干涉光腔腔镜9构成干涉光腔，二者相距较远。每个平移轴干涉测量模块包括依次排布于预设光路上的第一准直小孔10、分光棱镜11、第二准直小孔12以及设置于分光棱镜11两侧且位于干涉光路上的第一干涉测量模块腔镜13和第二干涉测量模块腔镜14，其中，第一平移轴干涉测量模块3垂直于第二平移轴干涉测量模块4，第一平移轴干涉测量模块3和第二平移轴干涉测量模块4的干涉光路相互垂直。分光棱镜11可用于对激光进行分束，图1中15表示分出的干涉光束的方向，准直小孔可用于框定光束传输的空间范围及可偏转的角度，干涉测量模块腔镜14作为短腔腔镜，平移轴干涉测量模块可输出干涉图像16。成像透镜5用于对第一平移轴干涉测量模块3和第二平移轴干涉测量模块4的干涉图像进行成像，干涉图像可直接打在光屏上，在无条件的时候可由人眼直接观察。图像传感器6用于输出干涉图像的数字图像。计算机7分别与图像传感器6、第一平移轴干涉测量模块3和第二平移轴干涉测量模块4相连，计算机7用于处理数字图像，并根据处理结果向第一平移轴干涉测量模块3和第二平移轴干涉测量模块4反馈自补偿多轴精密调节策略。图1中17表示计算机7的反馈信号。

在本发明的一个实施例中，第一平移轴干涉测量模块3和第二平移轴干涉测量模块4包括自补偿多轴精密调节机构。自补偿多轴精密调节机构可根据自补偿多轴精密调节策略实现自补偿多轴精密调节，其运动方向在图1中由18表示。具体地，可根据计算机7反馈的自补偿多轴精密调节机构的运动反馈信号，通过第一平移轴干涉测量模块3和第二平移轴干涉测量模块4坐标系的三维平移和两维转动，以自动调节第一平移轴干涉测量模块3和第二平移轴干涉测量模块4坐标系与预设光路的空间位置关系。

在本发明的一个具体实施例中，图像传感器6为CCD图像传感器，滑台2为电动滑台或手动滑台。

对应上述实施例的基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置，本发明还提出一种长干涉光腔调谐方法。

本发明的长干涉光腔调谐方法基于上述长干涉光腔调谐装置实施，如图2所示，长干涉光腔调谐方法包括以下步骤：

S1，搭建第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块。

具体地，首先搭建第一平移轴干涉测量模块，按照预设光路布置元件，再利用短距离平平腔做干涉谐振腔，精密调谐、基模起振，观察输出镜端的干涉现象，调谐直至理论干涉图案，然后在第一平移轴干涉测量模块直角坐标系合适位置上布置精密小孔，框定光束的空间位置，并给有一定转动自由度与平移余量。

利用分光棱镜透过的激光，按照上述相同的方法搭建第二平移轴干涉测量模块。

S2，利用标准光源观察第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块的干涉图案，并进行精密调谐校准。

S3，将搭建完成的第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块设置于滑台上，并将滑台安装于精密导轨上。

S4，将第一干涉光腔腔镜设置于精密调谐的初始位置，并将滑台移动至第一干涉光腔腔镜位置处。

S5，向第一干涉光腔腔镜射入校准激光，校准激光透过第一干涉光腔腔镜后，穿过第一平移轴干涉测量模块的第一准直小孔，并在第一平移轴干涉测量模块中形成第一干涉图像。

S6，第一平移轴干涉测量模块的分光棱镜透过的校准激光射入第二平移轴干涉测量模块，穿过第二平移轴干涉测量模块的第一准直小孔，并在第二平移轴干涉测量模块中形成第二干涉图像。

S7，试调整第一干涉光腔腔镜的空间位置，观察第一干涉图像和第二干涉图像的变化是否符合一般规律，开启第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块的自补偿多轴精密调节机构。同时观察装置是否正常工作，排出系统错误。

S8，控制滑台匀速运动，其中，在滑台移动过程中，第一干涉图像和第二干涉图像发生变化。由于精密导轨具有一定的机械精度，因此滑台在长距离运动过程中保持一定的位置公差，由于滑台的运动存在位置公差，此时两干涉图像会发生一定变化，包括“明暗吞噬”、“周期改变”。

S9，在滑台移动过程中，自补偿多轴精密调节机构根据第一干涉图像和第二干涉图像的变化自动调节第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块坐标系与校准激光光轴的空间位置关系。

S10，待滑台匀速运动至第二干涉光腔腔镜的安装位置处，安装第二干涉光腔腔镜。同时保证预定机械定位精度。

S11，观察第二干涉光腔腔镜反射回来的光束，通过第二平移轴干涉测量模块和第一平移轴干涉测量模块分别产生第三干涉图像和第四干涉图像。

S12，比较第三干涉图像和第四干涉图像，逐步调节第二干涉光腔腔镜的空间位置，使第三干涉图像和第四干涉图像完全重合并与理论图案最为接近，则完成了第一干涉光腔腔镜和第二干涉光腔腔镜的长距离光腔调谐。

根据本发明实施例的基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置和方法，能够实现超长干涉光腔的精密装调，将困难的长腔装校转化为短腔装校，利用已经搭建好的平移轴干涉测量模块，将两个干涉光腔腔镜的空间位置变化转化为干涉图像的变化，利用干涉图像反馈亚微米级别的变化量，再通过自补偿多轴精密调节策略实时校正光轴与运动机械轴，实现长距离亚微米级别的精度传输；经过本发明实施例装调完成后的长光学腔，其腔镜已具备较高的轴线平行精度及一定的平移精度，而后通过常规的干涉调谐方法，简单调节第二干涉光腔腔镜，即可完成长距离干涉光腔的精密装调，达到良好的干涉参数。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置，其特征在于，包括：

激光器，所述激光器作为发射激光的光源；

安装于精密导轨上的滑台，所述滑台可沿预设光路在第一干涉光腔腔镜和第二干涉光腔腔镜之间移动；

设置于所述滑台上的第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块，每个平移轴干涉测量模块包括依次排布于预设光路上的第一准直小孔、分光棱镜、第二准直小孔以及设置于所述分光棱镜两侧且位于干涉光路上的第一干涉测量模块腔镜和第二干涉测量模块腔镜，其中，所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块的干涉光路相互垂直；

成像透镜，所述成像透镜用于对所述第一平移轴干涉测量模块和所述第二平移轴干涉测量模块的干涉图像进行成像；

图像传感器，所述图像传感器用于输出所述干涉图像的数字图像；

计算机，所述计算机分别与所述图像传感器、所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块相连，所述计算机用于处理所述数字图像，并根据处理结果向所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块反馈自补偿多轴精密调节策略。

2.根据权利要求1所述的基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置，其特征在于，所述第一平移轴干涉测量模块和所述第二平移轴干涉测量模块包括自补偿多轴精密调节机构，所述自补偿多轴精密调节策略包括：根据所述自补偿多轴精密调节机构的运动反馈信号，通过所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块坐标系的三维平移和两维转动，以自动调节所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块坐标系与所述预设光路的空间位置关系。

3.根据权利要求1所述的基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置，其特征在于，所述图像传感器为CCD图像传感器。

4.根据权利要求1所述的基于自补偿式平移轴的长干涉光腔调谐装置，其特征在于，所述滑台为电动滑台或手动滑台。

5.一种基于权利要求1-4中任一项所述的装置的长干涉光腔调谐方法，其特征在于，包括：

搭建所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块；

利用标准光源观察所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块的干涉图案，并进行精密调谐校准；

将搭建完成的所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块设置于所述滑台上，并将所述滑台安装于所述精密导轨上；

将所述第一干涉光腔腔镜设置于精密调谐的初始位置，并将所述滑台移动至所述第一干涉光腔腔镜位置处；

向所述第一干涉光腔腔镜射入校准激光，所述校准激光透过所述第一干涉光腔腔镜后，穿过所述第一平移轴干涉测量模块的第一准直小孔，并在所述第一平移轴干涉测量模块中形成第一干涉图像；

所述第一平移轴干涉测量模块的分光棱镜透过的校准激光射入所述第二平移轴干涉测量模块，穿过所述第二平移轴干涉测量模块的第一准直小孔，并在所述第二平移轴干涉测量模块中形成第二干涉图像；

试调整所述第一干涉光腔腔镜的空间位置，观察所述第一干涉图像和所述第二干涉图像的变化是否符合一般规律，开启所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块的自补偿多轴精密调节机构；

控制所述滑台匀速运动，其中，在所述滑台移动过程中，所述第一干涉图像和所述第二干涉图像发生变化；

在所述滑台移动过程中，所述自补偿多轴精密调节机构根据所述第一干涉图像和所述第二干涉图像的变化自动调节所述第一平移轴干涉测量模块和第二平移轴干涉测量模块坐标系与所述校准激光光轴的空间位置关系；

待所述滑台匀速运动至所述第二干涉光腔腔镜的安装位置处，安装所述第二干涉光腔腔镜；

观察所述第二干涉光腔腔镜反射回来的光束，通过所述第二平移轴干涉测量模块和所述第一平移轴干涉测量模块分别产生第三干涉图像和第四干涉图像；

比较所述第三干涉图像和所述第四干涉图像，逐步调节所述第二干涉光腔腔镜的空间位置，使所述第三干涉图像和所述第四干涉图像完全重合并与理论图案最为接近，则完成了所述第一干涉光腔腔镜和所述第二干涉光腔腔镜的长距离光腔调谐。

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