CN111664786B - 适用于双频激光干涉测量的光隔离装置及方法 - Google Patents
适用于双频激光干涉测量的光隔离装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种适用于双频激光干涉测量的光隔离装置及方法，包括：第一偏振分光镜、第一单向通过光路、第二偏振分光镜和第二单向通过光路；光束经过第一偏振分光镜分束为S光和P光；S光经过第一单向通过光路后进入第二偏振分光镜；P光经过第二单向通过光路后进入第二偏振分光镜；第二偏振分光镜对进入的光进行合束输出。本发明通过通过构建了单向传输路径，保证了双频激光光束的偏振特性不变，同时具备光隔离效果好、激光能量损失少、机理明确、工程实践效果好、应用范围广泛等优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光干涉测量领域，具体地，涉及一种适用于双频激光干涉测量的光隔离装置及方法。
背景技术
随着光学测量技术的快速发展，激光干涉测量技术得到了飞速发展，传统的单频激光干涉测量受制于其光强信号及光电传感器件输出的都是直流量，直流的漂移问题一直是影响其测量量准确度的重要原因，此外，信号处理以及后续的细分都较为困难。随着上世纪70年代电通信领域的外差技术被引入光学干涉测量领域，产生了激光外差测量技术，光外差干涉技术通过两路相干光束的光波频率产生一个小的频率差，在干涉场产生干涉条纹，再经过光电传感器转换为电信号，最后由后端的处理电路和计算机计算出相位差。克服了单频的漂移问题，使细分变得容易，并显著提高了抗干扰性能。应用此项技术，美国HP公司率先研制出双频激光干涉仪并获专利，双频激光干涉测量是一种精密，多功能的测量方法，可以测量多种几何量，如位移、角度、垂直度、平行度及直线度、平面度等，常被用于装配、制造、非接触测量及转台系统等精密计量方面的研究和开发。
激光干涉测量光学系统是激光干涉测量系统的重要组成部分，由于光学仪器表面的反射、折射效应，例如透镜的残余反射、未镀膜的光学透镜表面的反射会导致部分激光最终回到激光器，即回授效应，会造成激光器稳频失效，测量系统无法正常工作。
目前抑制回授效应多采取对透镜表面镀增透膜、在光路中加装光阑、将光路部分器件偏移使回授光偏移主光路方向、以及加装光隔离装置等。其中安装光隔离装置效果最好，其主要原理是应用磁致旋光效应，结合启偏器和检偏器的组合使逆向回来的光束偏振方向偏转无法通过启偏器，从而达到光隔离的目的。对于双频激光干涉测量而言，由于不同频率的激光偏振方向不同(垂直)致使传统的光隔离装置及其引申装置失效，公开专利及论文尚未涉及到针对双频干涉测量的光隔离装置(防回授装置)的研究。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于双频激光干涉测量的光隔离装置及方法。
根据本发明提供的一种适用于双频激光干涉测量的光隔离装置，其特征在于，包括：第一偏振分光镜3、第一单向通过光路、第二偏振分光镜6和第二单向通过光路；
光束经过所述第一偏振分光镜3分束为S光和P光；
所述S光经过所述第一单向通过光路后进入所述第二偏振分光镜6；
所述P光经过所述第二单向通过光路后进入所述第二偏振分光镜6；
所述第二偏振分光镜6对进入的光进行合束输出。
优选地，所述第一单向通过光路包括：前端的第一法拉第光隔离器4和后端的第一波片5，所述第二单向通过光路包括：前端的第二法拉第光隔离器8和后端的第二波片9。
优选地，所述第一偏振分光镜3分束出的所述S光直接进入所述第一单向通过光路，所述第一偏振分光镜3分束出的所述P光通过第一全反射棱镜7进入所述第二单向通过光路后，通过第二全反射棱镜10进入所述第二偏振分光镜6。
优选地，还包括缩束系统2，设置于所述光源1与所述第一偏振分光镜3之间，对所述光源1射出的光束进行缩束。
优选地，所述缩束系统2包括双平凸透镜或者倒置的扩束系统；
缩束后的光束直径小于所述第一第一单向通过光路和所述第一单向通过光路的通光口径。
优选地，所述第一偏振分光镜3将光束分束为偏振方向相互垂直的S光和P光。
优选地，S光的振动方向垂直于水平面，P光的振动方向平行于水平面。
优选地，还包括测量光路11，所述测量光路11设置于所述第二偏振分光镜6的输出端。
优选地，所述第一单向通过光路将进入的S光变为P光输出，所述第二单向通过光路将进入的P光变为S光输出；或者，
所述第一单向通过光路将进入的S光变为第二S光输出，所述第二单向通过光路将进入的P光变为第二P光输出。
根据本发明提供的一种适用于双频激光干涉测量的光隔离方法，将光束分束为S光和P光；
所述S光经过第一单向通过光路传输，所述P光经过第二单向通过光路传输；
将第一单向通过光路和第二单向通过光路的输出进行合束。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过构建了单向传输路径，保证了双频激光光束的偏振特性不变，同时具备光隔离效果好、激光能量损失少、机理明确、工程实践效果好、应用范围广泛等优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种适用于双频激光干涉测量的光隔离装置，包括：光源1、第一偏振分光镜3、第一法拉第光隔离器4、第一波片5、第二偏振分光镜6、第一全反射棱镜7、第二法拉第光隔离器8、第二波片9和第二全反射棱镜10。光源1输出的光束经过第一偏振分光镜3分束为S光和P光；S光依次经过第一法拉第光隔离器4和第一波片5后进入第二偏振分光镜6。P光依次经过第一全反射棱镜7、第二法拉第光隔离器8、第二波片9和第二全反射棱镜10后进入第二偏振分光镜6。S光和P光在第二偏振分光镜6中合束输出。双频激光器通常需要配置专用云台，便于对激光器的位姿调整，保证出射光束满足后续光路需求。
在图1所示方案下，缩束系统2有多种选择，可用双平凸透镜构成，或者使用倒置的扩束系统，保证压缩后的光束直径小于第一法拉第光隔离器4和第二法拉第光隔离器8的通光口径。从双频激光器输出的激光光束经过缩束系统2进入第一偏振分光镜3后，激光光束被分为偏振方向相互垂直的两束光束(S光和P光，S光的振动方向垂直于水平面，P光的振动方向平行于水平面)分别进入不同光路。图1所示方案选用的两个偏振分光镜，其特性是透射入射光的P光分量，沿着与入射光垂直方向折射S光分量。
其中，从第一偏振分光镜3折射出的S光进入第一法拉第光隔离器4，第一旋转法拉第光隔离器4使其进光方向与S光偏振方向重合，S光经过第一法拉第光隔离器4后进入1/2波片，此时从1/2波片出射的激光光束变为P光，P光进入第二偏振分光镜6。
从第一偏振分光镜3透射出来的P光，经过第一全反射棱镜7反射后，进入第二法拉第光隔离器8，第二旋转法拉第光隔离器8使其进光方向与P光偏振方向重合，P光经过第二法拉第光隔离器8后进入1/2波片，此时从1/2波片出射的激光光束变为S光，S光经由第二全反射棱镜10反射后进入第二偏振分光镜6。
P光与S光在第二偏振分光镜6中心再次相遇并合束，从第二偏振分光镜6出射的激光光束特性与从双频激光器出射的初始激光光束特性相同，只是光束能量有少许损失。光束进入后续测量光路11，测量光路11可能包含分光镜、反射镜、角锥棱镜、全反射器(猫眼)等，不局限于此。
如图2所示为一种可应用于双频激光干涉测量的光隔离装置原理示意图，以其中一路光路为例，经由第一偏振分光镜3折射出的S光(偏振方向如图所示，垂直于水平面)进入第一法拉第光隔离器4，其偏振方向偏转45度后，进入第一波片5。调整第一波片5的快轴方向使其与水平面(P光振动方向)成22.5度，光束进入第一波片5后其偏振方向向P光振动方向再次偏转45度，经由两次偏转叠加，从第一波片5出射的激光光束便成了P光，透过第二偏振分光镜6进入后续测量光路11。
从测量光路反射、折射回来的光束中的S光分量被第二偏振分光镜6阻挡(折射)，P光分量进入第一波片5后其偏振方向向S光振动方向偏转45度(1/2波片光学特性：使入射光偏振方向向快轴方向偏转，且偏转角度为入射光偏振方向与快轴夹角角度的2倍)，此时光束的偏振方向与正向传输到此的光偏振方向一致，光束进入第一法拉第光隔离器4后，偏振方向向着P光振动方向偏转45度，最终再次变为P光，由于第一法拉第光隔离器4的检偏方向是S光方向，回授光被阻断。另一路光路光隔离原理类似。
采取了空间上先分束、再合束的方法，使分束的激光通过不同的单向通过光路实现光隔离效果，再合束，保持了激光光束特性通过整个系统前后保持不变。采用图1所示方案的情况下，双频激光光束分束为P光与S光，P光变为S光、S光变为P光，新S光与新P光合束为双频激光光束，保证了整个激光光束的偏振、频率、频差等特性不变。
通过改变1/2波片快轴方向，可使双频激光光束分束为P光与S光后，P光变为P光、S光变为S光，新P光与新S光再次合束为双频激光光束。可根据后续光路的特点、空间约束等限制进行切换、调整。
光束的分束、合束是基于光的偏振特性，即利用的光的偏振特性，将不同频率的激光分束，进而通过保证单一频率激光的单向通过实现光隔离效果。
通过法拉第光隔离器与1/2波片的组合实现对其中单一分量的偏振光的单向通过功能，其中法拉第光隔离器对正向、逆向通过它的偏振光的偏振方向偏转的方向是不变的，而1/2波片的偏转方向是由入射光的偏振方向指向其快轴的方向，是可变的，通过“不变”+“可变”的正向叠加偏转、逆向抵消偏转的组合实现单向通过的功能。但不局限于法拉第光隔离器与1/2波片，可替换为具有相似功能的器件或器件组合。
光源不仅局限于双频激光器，包括可产生双频激光的其它器件，且本装置可满足系统中局部光路的单向通过、防回授功能的需求，视具体应用情形，可置于光源与光学系统的第一面透镜之间、光学系统光路器件之间、光学系统最后一个透镜与测量物体之间。
最终P光与S光合束的偏振分光镜不仅具有合束的功能，同时起到对回授光的隔离、筛选功能，即将回授光不同偏振方向的偏振分量送入不同光单向通过光路，进而实现光隔离(防回授)功能。不局限于偏振分光镜，可替换为功能相同的仪器或仪器组合。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (7)
1.一种适用于双频激光干涉测量的光隔离装置，其特征在于，包括：第一偏振分光镜（3）、第一单向通过光路、第二偏振分光镜（6）和第二单向通过光路；
光束经过所述第一偏振分光镜（3）分束为S光和P光；
所述S光经过所述第一单向通过光路后进入所述第二偏振分光镜（6）；
所述P光经过所述第二单向通过光路后进入所述第二偏振分光镜（6）；
所述第二偏振分光镜（6）对进入的光进行合束输出；
所述第一单向通过光路包括：前端的第一法拉第光隔离器（4）和后端的第一波片（5），所述第二单向通过光路包括：前端的第二法拉第光隔离器（8）和后端的第二波片（9）；
所述第一偏振分光镜（3）分束出的所述S光直接进入所述第一单向通过光路，所述第一偏振分光镜（3）分束出的所述P光通过第一全反射棱镜（7）进入所述第二单向通过光路后，通过第二全反射棱镜（10）进入所述第二偏振分光镜（6）；
还包括缩束系统（2），设置于光源（1）与所述第一偏振分光镜（3）之间，对所述光源（1）射出的光束进行缩束。
2.根据权利要求1所述的适用于双频激光干涉测量的光隔离装置，其特征在于，所述缩束系统（2）包括双平凸透镜或者倒置的扩束系统；
缩束后的光束直径小于所述第一单向通过光路和所述第一单向通过光路的通光口径。
3.根据权利要求1所述的适用于双频激光干涉测量的光隔离装置，其特征在于，所述第一偏振分光镜（3）将光束分束为偏振方向相互垂直的S光和P光。
4.根据权利要求1所述的适用于双频激光干涉测量的光隔离装置，其特征在于，S光的振动方向垂直于水平面，P光的振动方向平行于水平面。
5.根据权利要求1所述的适用于双频激光干涉测量的光隔离装置，其特征在于，还包括测量光路（11），所述测量光路（11）设置于所述第二偏振分光镜（6）的输出端。
6.根据权利要求1所述的适用于双频激光干涉测量的光隔离装置，其特征在于，所述第一单向通过光路将进入的S光变为P光输出，所述第二单向通过光路将进入的P光变为S光输出；或者，
所述第一单向通过光路将进入的S光变为第二S光输出，所述第二单向通过光路将进入的P光变为第二P光输出。
7.一种基于权利要求1所述的适用于双频激光干涉测量的光隔离装置实现的方法，其特征在于，将光束分束为S光和P光；
所述S光经过第一单向通过光路传输，所述P光经过第二单向通过光路传输；
将第一单向通过光路和第二单向通过光路的输出进行合束。
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