CN110864621A - 一种空分式多波长调频连续波激光干涉仪 - Google Patents

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郑刚
王欢
白浪
孙彬
张雄星
高明
刘卫国
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Abstract

本发明一种空分式多波长调频连续波激光干涉仪。提供的技术方案是:包括两个或两个以上不同中心波长的光纤调频连续波激光干涉子系统，每个子系统包括一个半导体激光器、一个光纤环行器、一个光纤准直器和一个光电探测器。两个或两个以上子系统通过各自的光纤准直透镜使用同一个部分反射镜产生参考光，并测量同一个全反射镜的位移。利用两个或两个以上子系统对目标在参考位置和待测位置两次测量得到的干涉级尾数，计算出其中一个子系统待测位置相对于参考位置干涉级变化量的整数和尾数，从而得到相应光程差变化量的绝对值。其优点是：可以实现光程差变化量的高精度绝对测量，无论是光程差快速变化、发生突变或在测量过程发生中断，都可以进行测量。

Description

一种空分式多波长调频连续波激光干涉仪
技术领域：
本发明涉及光学调频连续波干涉测量技术领域，具体涉及一种空分式多波长调频连续波激光干涉仪。
背景技术：
光学调频连续波(FMCW)干涉是一项新的精密测量技术。这种光学干涉技术使用的测量装置由一个光频率周期性连续线性调制的激光光源、一个光纤环行器、一个光纤准直器和一个光电探测器构成，当干涉仪中的信号光和参考光相遇干涉时，产生一个动态拍频信号，其频率和初位相都与信号光和参考光之间的光程差有关。检测其拍频频率可以得出光程差的绝对值，但是分辨率较低，一般为几十微米。检测初相位可以得出光程差，但是由于干涉信号是初相位的周期性函数，一次测量只能得到初相位不足于一个周期的小数部分。虽然在一定条件下，例如当光程差缓慢连续变化时，不间断连续测量可以得到初相位变化量的整周期数和尾数，但是一旦光程差变化速度过快或发生突变，或者在测量过程有意或无意发生中断，初相位变化量的整周期数就会丢失，导致测量失败。
发明内容：
本发明提出一种空分式多波长调频连续波激光干涉仪，可以克服现有技术存在的无法进行高精度绝对测量的问题。
为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种空分式多波长调频连续波激光干涉仪，包括两个或两个以上不同中心波长的光纤调频连续波激光干涉子系统，每个子系统均包括一个半导体激光器、一个光纤环行器、一个光纤准直器和一个光电探测器，其中，半导体激光器的输出尾纤与光纤环行器的输入尾纤连接，光纤环行器的输出尾纤与光纤准直器的输入尾纤连接，光纤环行器的反向输出尾纤与光电探测器的输入尾纤连接，两个或两个以上子系统通过各自的光纤准直透镜使用同一个部分反射镜产生参考光，并测量同一个全反射镜的位移。
进一步优化：每一个干涉子系统都有独立的压控电流源激光器驱动电路、放大滤波干涉信号预处理电路和温控电路，它们使用同样的调制波形、进行同步调制和解调。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本方法与现有的单频激光干涉技术和双频激光技术干涉装置相比，在一定的量程以内，可以实现前者无法实现的光程差变化量的高精度绝对测量。
2、本方法与现有的白光干涉技术相比，由于避免使用辅助干涉仪和扫描机制，所以结构简单、响应速度快、测量精度高。
3、适应能力强，无论是光程差快速变化或发生突变或者在测量过程发生中断，都可以进行测量。
附图说明：
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
标记说明：1、第一半导体激光器，2、第一光纤环行器，3、第一光纤准直器，4、第一光电探测器，5、第二半导体激光器，6、第二光纤环行器，7、第二光纤准直器，8、第二光电探测器，9、反射镜，10、全反射镜，11、第三半导体激光器，12、第三光纤环行器，13、第三光纤准直器，14、第三光电探测器。
具体实施方式
下面将通过附图和实施例对本发明进行详细地说明。
本发明提供一种空分式多波长调频连续波激光干涉仪，包括两个或两个以上不同中心波长的光纤调频连续波激光干涉子系统，每个子系统均包括一个半导体激光器、一个光纤环行器、一个光纤准直器和一个光电探测器；
其中，半导体激光器的输出尾纤与光纤环行器的输入尾纤连接，光纤环行器的输出尾纤与光纤准直器的输入尾纤连接，光纤环行器的反向输出尾纤与光电探测器的输入尾纤连接，两个或两个以上子系统通过各自的光纤准直透镜使用同一个部分反射镜产生参考光，并测量同一个全反射镜的位移。
所说的每一个干涉子系统都有独立的压控电流源激光器驱动电路、放大滤波干涉信号预处理电路和温控电路，它们使用同样的调制波形、进行同步调制和解调。
实施例1：
参见图1，本发明提出的空分式双波长调频连续波激光干涉仪包括两个光纤调频连续波激光干涉子系统。第一个子系统包括第一半导体激光器1、第一光纤环行器2、第一光纤准直器3和第一光电探测器4。第二个子系统包括第二半导体激光器5、第二光纤环行器6、第二光纤准直器7和第二光电探测器8。两个干涉系统共用由部分反射镜9和全反射镜10构成的干涉腔。全反射镜与被测目标粘在一起。
从第一半导体激光器1发出的激光经过第一光纤环行器2、从第一光纤准直器3射出。从第二半导体激光器5发出的激光经过第二光纤环行器6、第二光纤准直器7射出。这两束出射激光同时照射在部分反射镜9和全反射镜10上。其反射光所形成的两个干涉信号分别反向进入第一光纤准直器3和第二光纤准直器7，经过第一光纤环行器2和第二光纤环行器6，最后由第一光电探测器4和第二光电探测器8接收。
双波长FMCW激光干涉仪的每一个子干涉系统都有独立的压控电流源激光器驱动电路、放大滤波干涉信号预处理电路、以及温控电路。但是，它们需要使用同样的调制波形、进行同步调制和解调。
根据双波长调频连续波激光干涉技术，利用全反射镜位于参考位置和待测位置时测得的两个干涉信号的干涉级尾数，推算出其中一个子系统干涉级变化量的整数和尾数，从而得到对应光程差变化量的绝对值。
实施例2：
参见图2，本发明提出的空分式三波长调频连续波激光干涉仪包括三个光纤调频连续波激光干涉子系统。第一个子系统包括第一半导体激光器1、第一光纤环行器2、第一光纤准直器3和第一光电探测器4。第二个子系统包括第二半导体激光器5、第二光纤环行器6、第二光纤准直器7和第二光电探测器8。第三个子系统包括第三半导体激光器11、第三光纤环行器12、第三光纤准直器13和第三光电探测器14。三个干涉子系统共用由部分反射镜9和全反射镜10构成的干涉腔。全反射镜与被测目标粘在一起。
从第一半导体激光器1发出的激光经过第一光纤环行器2、从第一光纤准直器3射出；从第二半导体激光器5发出的激光经过第二光纤环行器6、第二光纤准直器7射出；从第三半导体激光器11发出的激光经过第三光纤环行器12、从第三光纤准直器13射出，这三束出射激光同时照射在部分反射镜9和全反射镜10上。其反射光所形成的三个干涉信号分别反向进入第一光纤准直器3、第二光纤准直器7和第三光纤准直器13，经过第一光纤环行器2、第二光纤环行器6和第三光纤环行器12，最后由第一光电探测器4、第二光电探测器8和第三光电探测器14接收。
三波长FMCW激光干涉仪的每一个子干涉系统都有独立的压控电流源激光器驱动电路、放大滤波干涉信号预处理电路、以及温控电路。但是，它们需要使用同样的调制波形、进行同步调制和解调。

Claims (2)

1.一种空分式多波长调频连续波激光干涉仪，其特征在于：包括两个或两个以上不同中心波长的光纤调频连续波激光干涉子系统，每个子系统均包括一个半导体激光器、一个光纤环行器、一个光纤准直器和一个光电探测器，其中，半导体激光器的输出尾纤与光纤环行器的输入尾纤连接，光纤环行器的输出尾纤与光纤准直器的输入尾纤连接，光纤环行器的反向输出尾纤与光电探测器的输入尾纤连接，两个或两个以上子系统通过各自的光纤准直透镜使用同一个部分反射镜产生参考光，并测量同一个全反射镜的位移。
2.根据权利要求1所述的一种空分式多波长调频连续波激光干涉仪，其特征在于：所述每一个干涉子系统都有独立的压控电流源激光器驱动电路、放大滤波干涉信号预处理电路和温控电路，它们使用同样的调制波形、进行同步调制和解调。
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