CN110849593B - 基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备 - Google Patents

基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备 Download PDF

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Abstract

基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备涉及光学检验测量技术领域，解决了现有装调难度和成本较高、测量精度低的问题，该装置包括第一激光器、光纤分束器、第一光纤声光调制器、第二光纤声光调制器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一分束器、第一合束器、点探测器、第一偏振调节系统、第二合束器、第二分束器、第二偏振调节系统、第一面阵探测器；待测光学系统设置在第一偏振调节系统内。本发明利用光纤分束器、第一光纤声光调制器和第二光纤声光调制器，实现装调成本低，装调精度高、克服单声光调制器基频过高的问题、克服了单声光调制器本身引入的测量误差，提高了测量精度。

Description

基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备
技术领域
本发明涉及光学检验测量技术领域，具体涉及基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备。
背景技术
以空间引力波探测为代表的空间探测前沿技术，对长基线激光干涉测距精度的要求提出了极大的挑战。以望远镜为代表的光学系统是长基线激光干涉测距系统的重要组成部分，其系统波像差是影响干涉测距精度的重要因素。
目前高精度的望远镜系统波像差检测方式通常是采用相移干涉测量，常用的相移方法是通过机械结构推动参考镜的机械式相移。机械式相移最主要的问题包括：相移速度慢，无法实现高速相移测量；相移器的振动降低测量精度。
采用声光调制器实现相移干涉测量可以解决上述问题。与本发明最接近已有技术是英国诺丁汉大学的论文“Widefield ultrastable heterodyne interferometry usinga custom CMOS modulated light camera”中的方案，如图1所示，包括激光器一(1)、分束器一(2)、空间声光调制器(3)、第一会聚透镜(4)、针孔滤波器(5)、第一准直透镜(6)、转向镜一(7)、合束器一(8)、面阵探测器一(9)、转向镜二(10)、第二会聚透镜(11)、第二准直透镜(12)、转向镜三(13)、第三会聚透镜(14)；其中，激光器一(1)的出射光经过分束器一(2)分束为光束a和光束b；光束a是分束器一(2)的透射光，光束b是分束器一(2)的反射光；光束a依次经过空间声光调制器(3)、第一会聚透镜(4)、针孔滤波器(5)、第一准直透镜(6)和转向镜一(7)形成相位调制的平行光到合束器一(8)；光束b依次通过转向镜二(10)、第二会聚透镜(11)、第二准直透镜(12)到达合束器一(8)；光束a和光束b在合束器一(8)合束形成相移干涉后分为两束；一束直接被面阵探测器一(9)接收并采集形成测试信号，另一束干涉光依次通过转向镜三(13)和第三会聚透镜(14)到达面阵探测器一(9)单独的测试像素形成参考像素。
该方案的主要问题包括：采用空间声光调制器结合针孔滤波器作为相移组件其装调难度和成本较高；采用单声光调制的方案，其调制频率受其基频的制约一般大于40MHz，太高的调制频率限制了面阵探测器的选择，很难提高探测器信号的性噪比；同时单声光调制器的方案将声光调制器本身的噪声引入了测量中，降低了测量精度。该方案只采用一个干涉仪，未对光学系统的测量做针对性的优化。
发明内容
为了解决现有相移干涉测量设备的装调难度较大、成本较高、难以提高探测器信号的性噪比、测量精度低的问题，本发明提供基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备，包括第一激光器、光纤分束器、第一光纤声光调制器、第二光纤声光调制器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一分束器、第一合束器、点探测器、第一偏振调节系统、第二合束器、第二分束器、第二偏振调节系统、第一面阵探测器；待测光学系统设置在第一偏振调节系统内；
所述第一激光器输出的线偏振光被光纤分束器分为光束一和光束二，光束一依次经过第一光纤声光调制器调制频率、第一光纤准直器准直后经第一分束器分成光束三和光束四，光束三传输至第一合束器；光束四传输经第一偏振调节系统和经待测光学系统后光束四的偏振态改变90°，然后传输至第二合束器；光束二依次经过第二光纤声光调制器调制频率、第二光纤准直器准直后经第二分束器分为光束五和光束六，光束五传输至第一合束器；光束六经第二偏振调节系统将偏振态改变90°后传输至第二合束器；传输至第一合束器上的光束三和光束五经第一合束器合束后被点探测器接收，传输至第二合束器上的光束四和光束六被第二合束器合束后被第一面阵探测器接收；经过第一光纤声光调制器调制频率后的光束一和经过第二光纤声光调制器调制频率后的光束二之间存在频率差。
本发明的有益效果是：
1、利用光纤分束器作为分光元件，利用第一光纤声光调制器和第二光纤声光调制器作为相位调制元件，装调成本低，装调精度高。
2、利用第一光纤声光调制器和第二光纤声光调制器产生相位调制，克服单声光调制器基频过高的问题，扩大面阵探测器的选择范围，因此容易提高探测器信号的性噪比；
3、利用第一光纤声光调制器和第二光纤声光调制器，克服了单声光调制器本身引入的测量误差，提高了测量精度。
4、针对待测光学系统进行了专门的优化，采用点探测器作为参考干涉仪和第一面阵探测器作为测量干涉仪的设计，提高了测量精度，对光学系统的测量做针对性的优化。
附图说明
图1为本发明的背景技术中实现相移干涉测量的结构的示意图。
图2为本发明的基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备，包括第一激光器15、光纤分束器16、第一光纤声光调制器17、第二光纤声光调制器18、第一光纤准直器19、第二光纤准直器20、第一分束器23、第一合束器25、点探测器26、第一偏振调节系统、第二合束器31、第二分束器32、第二偏振调节系统、第一面阵探测器37。第一偏振调节系统包括顺次设置的第一偏振分束器27、第一四分之一波片28和第一反射镜30，待测光学系统29设置在第一偏振调节系统内，具体为待测光学系统29位于第一四分之一波片28和第一反射镜30之间。第二偏振调节系统包括顺次设置的第二偏振分束器33、第二四分之一波片34和第二反射镜35。测量设备还包括第二转向镜36、第一转向镜24、第一线偏振片21和第二线偏振片22。测量设备如图2所示。第一转向镜24位于之间第一分束器23和第一合束器25之间。第一偏振调节系统和第二偏振调节系统均用于将入射到其内的线偏振光的偏振方向改变90°。测量设备还包括处理器，连接点探测器26和第一面阵探测器37，处理点探测器26和第一面阵探测器37发送的信号得到待测光学系统29的波像差信息。
第一激光器15输出的线偏振光被光纤分束器16分为两束，称为光束一和光束二，光束一依次经过第一光纤声光调制器17调制频率、第一光纤准直器19准直和第一线偏振片21；光束二依次经过第二光纤声光调制器18调制频率、第二光纤准直器20准直和第二线偏振片22。经过第一光纤声光调制器17调制频率后的光束一和经过第二光纤声光调制器18调制频率后的光束二之间存在频率差。本实施方式中，第一激光器15采用1064nm波长的窄线宽高稳频的单模固体激光器，保偏光纤输出；光纤分束器16，采用50:50的保偏光纤分束器；第一光纤声光调制器17和第二光纤声光调制器18采用硬件相同的保偏光纤分束器，通过软件设置使从第一光纤声光调制器17出射的光和第二光纤声光调制器18出射的光的频率差可调，如频率差为1kHz，第一光纤声光调制器17用于调制光束一的相位和频率，第二光纤声光调制器18用于调制光束二的相位和频率；第一光纤准直器19和第二光纤准直器20采用相同的保偏光纤准直器；第一激光器15出射的线偏振光的偏振方向、第一线偏振片21的透光轴方向和第二线偏振片22的透光轴方向相互平行，第一线偏振片21和第二线偏振片22起到模式清洁的作用，从第一线偏振片21出射的光束一的偏振方向和从第二线偏振片22出射的光束二的偏振方向相互平行。
从第一线偏振片21出射的光束一经第一分束器23后被分为光束三和光束四，其中光束三为反射光束，光束四为透射光束；光束三接下来经第一转向镜24反射后照射到第一合束器25；光束四接下来依次经第一偏振分束器27透射、经第一四分之一波片28改变偏振态、经待测光学系统29、垂直入射到第一反射镜30并发生反射、经待测光学系统29、经第一四分之一波片28改变偏振态、经第一偏振分束器27反射后照射到第二合束器31。本实施方式中，第一分束器23采用半反半透的平板分束器放置在光束一传输路径上，与光束一光轴方向呈45°；第一转向镜24采用平面反射镜；第一合束器25采用半反半透平板分束器，第一转向镜24和第一合束器25放置方向均与第一分束器23平行。第一偏振分束器27采用立方偏振分束器；第一四分之一波片28采用1064nm激光对应波长的四分之一波片，其快轴放置角度保证线偏振光两次通过改变偏振方向90°。
光束二被第二分束器32分为光束五和光束六，其中光束五为反射光束，光束六为透射光束；光束五照射至第一合束器25；光束六接下来依次经第二偏振分束器33透射、经第二四分之一波片34改变偏振态、垂直入射到第二反射镜35并发生反射、经第二四分之一波片34改变偏振态、经第二偏振分束器33反射、经第二转向镜36反射后照射至第二合束器31。本实施方式中，第二分束器32，采用半反半透的平板分束器放置在光束二上，与光轴方向呈45°；第二偏振分束器33，采用立方偏振分束器；第二四分之一波片34，采用1064nm激光对应波长的四分之一波片，其快轴放置角度保证线偏振光两次通过改变偏振方向90°。
照射到第一合束器25上的光束三和光束五经第一合束器25合束后被点探测器26接收。本实施方式中光束五经过第一合束器25发生透射、光束三经第一合束器25发生反射后合并为一束照射到点探测器26上。光束三和光束五在点探测器26上形成参考干涉信号。照射到第二合束器31上的光束六和光束四被第二合束器31合束后传输至第一面阵探测器37，被第一面阵探测器37接收本。实施方式中光束四经过第二合束器31发生透射、光束六经第二合束器31发生反射后合并为一束照射到第一面阵探测器37上。光束四和光束六在第一面阵探测器37上形成测量干涉信号。通过处理参考干涉信号和测量干涉信号测得待测光学系统29的波像差信息。本实施方式中，第一面阵探测器37采用铟镓砷面阵探测器点，探测器26采用铟镓砷点探测器。待测光学系统29放在第一反射镜30前，使光束原路返回第二次通过第一四分之一波片后被第一偏振分束器反射，透射通过半反半透的第二合束器31，被第一面阵探测器37接收。光束六被第二反射镜35反射原路返回，第二次通过第二四分之一波片34，被第二偏振分束器33反射；依次被第二转向镜36、第二合束器31反射，被第一面阵探测器37接收。
入射到点探测器26的光束(光束五和光束三)的偏振态、第一激光器15输出的线偏振光的偏振态、第一线偏振片21的偏振态、第二线偏振片22的偏振态均相同。入射到第一面阵探测器37的光束(光束六和光束四)的偏振态垂直于入射到点探测器26的光束的偏振态；光束四两次经过第一四分之一波片28后偏振态改变90°，入射到第一四分之一波片28时光束四的偏振态和经由第一四分之一波片28出射后的光束四的偏振态相互垂直。光束六两次经过第二四分之一波片34后偏振态改变90°；光束六两次经过第二四分之一波片34后偏振态改变90°，入射到第二四分之一波片34时光束六的偏振态和经由第二四分之一波片34出射后的光束六的偏振态相互垂直。
点探测器26和第一面阵探测器37将探测的信号传输至处理器，处理器处理接收的信号得到待测光学系统29的波像差信息，即用于处理参考干涉信号和测量干涉信号测得待测光学系统29的波像差信息。
本发明基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备的积极效果：
利用光纤分束器16作为分光元件，利用第一光纤声光调制器17和第二光纤声光调制器18作为相位调制元件，装调成本低，装调精度高。
利用第一光纤声光调制器17和第二光纤声光调制器18产生相位调制，克服单声光调制器基频过高的问题，扩大面阵探测器的选择范围，因此容易提高探测器信号的性噪比；
克服了单声光调制器本身引入的测量误差，提高了测量精度。
针对望远镜系统(待测光学系统29)进行了专门的优化，采用点探测器26作为参考干涉仪和第一面阵探测器37作为测量干涉仪的设计，提高了测量精度。
采用偏振分束器结合四分之一波片(第一偏振分束器27结合第一四分之一波片28、第二偏振分束器33结合第二四分之一波片34)，充分利用光强，防止回授光对光源稳定性的影响，并且可以有效抑制杂散光的影响。
光束三和光束五在点探测器26上形成参考干涉信号，光束四和光束六在第一面阵探测器37上形成测量干涉信号，本发明采用两个干涉仪，对光学系统的测量做针对性的优化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备，其特征在于，包括第一激光器(15)、光纤分束器(16)、第一光纤声光调制器(17)、第二光纤声光调制器(18)、第一光纤准直器(19)、第二光纤准直器(20)、第一分束器(23)、第一合束器(25)、点探测器(26)、第一偏振调节系统、第二合束器(31)、第二分束器(32)、第二偏振调节系统、第一面阵探测器(37)；待测光学系统(29)设置在第一偏振调节系统内；
所述第一激光器(15)输出的线偏振光被光纤分束器(16)分为光束一和光束二，光束一依次经过第一光纤声光调制器(17)调制频率、第一光纤准直器(19)准直后经第一分束器(23)分成光束三和光束四，光束三传输至第一合束器(25)；光束四传输经第一偏振调节系统和经待测光学系统(29)后光束四的偏振态改变90°，然后传输至第二合束器(31)；光束二依次经过第二光纤声光调制器(18)调制频率、第二光纤准直器(20)准直后经第二分束器(32)分为光束五和光束六，光束五传输至第一合束器(25)；光束六经第二偏振调节系统将偏振态改变90°后传输至第二合束器(31)；传输至第一合束器(25)上的光束三和光束五经第一合束器(25)合束后被点探测器(26)接收，传输至第二合束器(31)上的光束四和光束六被第二合束器(31)合束后被第一面阵探测器(37)接收；经过第一光纤声光调制器(17)调制频率后的光束一和经过第二光纤声光调制器(18)调制频率后的光束二之间存在频率差。
2.如权利要求1所述的基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备，其特征在于，所述测量设备还包括第一转向镜(24)，第一转向镜(24)位于第一分束器(23)和第一合束器(25)之间，光束三经第一转向镜(24)反射后传输至第一合束器(25)。
3.如权利要求1所述的基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备，其特征在于，所述第一偏振调节系统包括顺次设置的第一偏振分束器(27)、第一四分之一波片(28)和第一反射镜(30)，待测光学系统(29)位于第一四分之一波片(28)和第一反射镜(30)之间；
经第一分束器(23)分束得到的光束四依次经第一偏振分束器(27)透射、经第一四分之一波片(28)改变偏振态、经待测光学系统(29)、垂直入射到第一反射镜(30)并发生反射、经待测光学系统(29)、经第一四分之一波片(28)改变偏振态、经第一偏振分束器(27)反射后传输至第二合束器(31)。
4.如权利要求1所述的基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备，其特征在于，所述测量设备还包括第二转向镜(36)；所述光束六经第二偏振调节系统将偏振态改变90°后，经第二转向镜(36)反射至第二合束器(31)。
5.如权利要求4所述的基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备，其特征在于，所述第二偏振调节系统包括顺次设置的第二偏振分束器(33)、第二四分之一波片(34)和第二反射镜(35)；
经第二分束器(32)分束得到的光束六依次经第二偏振分束器(33)透射、经第二四分之一波片(34)改变偏振态、垂直入射到第二反射镜(35)并发生反射、经第二四分之一波片(34)改变偏振态、经第二偏振分束器(33)反射、经第二转向镜(36)反射后传输至第二合束器(31)。
6.如权利要求1所述的基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备，其特征在于，所述测量设备还包括第一线偏振片(21)和第二线偏振片(22)，所述第一线偏振片(21)位于第一光纤准直器(19)和第一分束器(23)之间，第二线偏振片(22)位于第二光纤准直器(20)和第二分束器(32)之间，第一线偏振片(21)和第二线偏振片(22)的透光轴方向均与第一激光器(15)输出的线偏振光的偏振方向平行。
7.如权利要求1所述的基于声光调制器外差干涉测量光学系统波像差的测量设备，其特征在于，所述光束四和光束六在第一面阵探测器(37)上形成干涉信号，光束三和光束五在点探测器(26)上形成干涉信号。
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