CN111912338A - 一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密位移测量技术领域，提供一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量系统，包括包括耦合激光源、探测激光源、偏频锁频光路、电磁诱导锁频光路、参考干涉光路、测量干涉光路和光电探测光路；本发明通过干涉光路搭建相应驻波场结构，在电磁诱导透明机制下周期性地修改原子介质中的折射率，构建了栅距可调的原子光栅，通过四个双通道光电探测器进行探测，实现了通过原子光栅进行位移测量，提高了测量精度。而且，本发明突破了实体光栅栅距不可调节的局限，可针对待测物体不同的位移程度，合理设置栅距，实现位移最小分辨率可调的光栅位移测量系统，从而适应多种环境下的位移测量需求。

Description

一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置和方法

技术领域

本发明属于精密位移测量技术领域，具体涉及一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置和方法。

背景技术

光栅位移测量技术最早是利用光栅重叠形成的莫尔条纹现象，实现位移的精密测量，但基于这种测量原理的光栅只适合用于对精度要求不高的场合。之后随着干涉测量原理的光栅位移测量技术的发展，光栅位移测量的精度提高到了纳米量级，并在光刻机等前沿装备上得到应用。但传统的光栅位移测量技术均以实体光栅为主，光栅的制造技术包括激光直写、电子束光刻、纳米压印等，光栅的加工精度直接影响着光栅位移测量的精度。其中光栅加工误差主要以栅距误差为主，栅距误差所导致的累计误差是实体光栅所不可避免的问题。使用传统实体光栅的位移测量方法存在两方面的局限性。首先，传统光栅制作中不可避免的存在缺陷，这将会导致测量误差；而且，实体光栅的使用存在单一性，单次制作的光栅只能在一个应用场景中，测量需求的改变只能通过光栅的更换而实现，这将会带来成本的提高和重复调节系统的复杂性。

光栅被定义为能使入射光的振幅或相位产生周期性空间调制的光学元件，这表明可使介质折射率周期性变化的机制均可实现光栅的相关功能。电磁诱导透明作为一种量子相干效应，一般需要一束强的耦合光和一束弱的探测光同时与原子相互作用，受强耦合光的作用，原子被布局到“暗态”，这导致弱的探测光能够在共振频率处吸收减弱。电磁诱导透明实质上通过耦合光操控了相干原子介质的吸收与色散，控制了原子介质的折射率变化。在电磁诱导透明基础上发展而来的电磁诱导透明原子光栅，凭借将电磁诱导透明中的耦合光行波场转换为驻波场，借助驻波场周期性的干涉条纹，实现了相干原子介质的周期性结构制备。该原子光栅与传统的实体光栅相比，以光场结构代替实体结构，解决了实体光栅加工制造流程中带来的缺陷。另外实体光栅在加工后周期固定不可调节，但原子光栅可通过控制光场结构实现光栅周期可调，并可以通过实时操控耦合光的频率失谐以及功率等参数，实现光栅参数的动态操控，从而应对不同的测量需求与测量环境，配置不同的光栅参数即可，降低位移测量成本及装置的复杂程度。

发明内容

为了满足精密位移测量领域的实际需求，本发明克服现有技术传统光栅位移测距的技术局限性，所要解决的技术问题为：提供一种易集成，周期可控的基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置和方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置，包括耦合激光源、探测激光源、偏频锁频光路、电磁诱导锁频光路、参考干涉光路、测量干涉光路和光电探测光路；

所述耦合激光源输出的耦合光经第一分束组件分为三束光泵浦光，一束作为电磁诱导耦合光入射至所述电磁诱导锁频光路，另一束作为参考耦合光经参考干涉光路后入射至原子蒸汽池，第三束作为测量耦合光经测量干涉光路后入射至原子蒸汽池，所述测量干涉光路固定设置在待测样品上；所述探测激光源输出的探测光经第二分束组件后分为四束光，其中，一束作为电磁诱导探测光与所述电磁诱导耦合光反向重合入射至所述电磁诱导锁频光路，第二束作为偏频锁频光束入射至所述偏频锁频光路（，第三束作为参考探测光与参考耦合光反向重合入射至所述入射至原子蒸汽池，第四束作为测量探测光与所述测量耦合光反向重合入射至原子蒸汽池；

所述偏频锁频光路用于获得锁频信号对所述探测激光源输出的探测光的频率进行锁定，所述电磁诱导锁频光路用于获得电磁诱导透明信号进而对所述耦合激光源输出的耦合光频率进行锁定；所述参考干涉光路包括第一迈克尔逊干涉仪，用于使参考耦合光产生干涉条纹，所述测量干涉光路包括第二迈克尔逊干涉仪，用于使测量耦合光产生干涉条纹；

所述光电探测光路包括合束组件、第三分束组件和四个双通道光电探测器，所述参考探测光和参考耦合光以及所述测量探测光和测量耦合光分别在所述原子蒸汽池内发生电磁诱导透明形成原子光栅，参考探测光和测量探测光分别穿过原子光栅后分别形成的多级衍射信号经合束组件合束，被所述第三分束组件分成相位差为0°、90°、180°和270°四束光，然后分别被一个双通道探测器探测，双通道光电探测器的两个通道分别用于接收正一级和负一级的衍射干涉信号。

所述第一分束组件包括两个分束器，所述第二分束组件包括三个分束器；所述第三分束组件包括第一二分之一波片、第一消偏振分束棱镜、第一偏振分束棱镜和第二偏振分束棱镜，参考探测光和测量探测光分别穿过原子光栅后分别形成的多级衍射信号经合束组件合束后，入射到所述第一二分之一波片，然后经第二消偏振分束棱镜后分为两束光，这两束光分别经第一偏振分束棱镜和第二偏振分束棱镜后分成相位差为0°、90°、180°和270°四束光。

所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置，还包括第一声光调制器、光纤入光耦合头和光纤，所述测量干涉光路还包括光纤出光耦合头和光功率探测单元，所述光纤的两端分别与所述光纤入光耦合头和光纤出光耦合头连接，测量耦合光依次经声光调制器、光纤入光耦合头和光纤从所述光纤出光耦合头入射至测量干涉光路，所述光功率探测单元用于获得从光纤出光耦合头输出的激光功率起伏信号，并通过伺反馈控制模块将其转换为功率反馈信号后输出给所述声光调制器，进而对所述光纤出光耦合头输出的激光功率进行锁定。

所述参考干涉光路还包括第一整形棱镜对，所述测量干涉光路包括还第二整形棱镜对，所述第一整形棱镜对和第二整形棱镜对分别用于将所述参考耦合光和测量耦合光整形为椭圆光斑后发送给所述第一迈克尔逊干涉仪和第二迈克尔逊干涉仪；

所述第一迈克尔逊干涉仪包括第二二分之一波片、第二消偏振分束棱镜、第三消偏振分束棱镜、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，第一整形棱镜对的输出光经第二二分之一波片、第二消偏振分束棱镜、第三消偏振分束棱镜后分为两束，一束经第一反射镜后返回第三消偏振分束棱镜，另一束经第二反射镜和第三反射镜后依次返回第二反射镜和第三消偏振分束棱镜，然后在第三消偏振分束棱镜发生干涉后入射到所述原子蒸汽池；

所述第二迈克尔逊干涉仪包括第三二分之一波片、第四消偏振分束棱镜、第五消偏振分束棱镜、第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜，第二整形棱镜对的输出光经第三二分之一波片、第四消偏振分束棱镜、第五消偏振分束棱镜后分为两束，一束经第四反射镜后返回第五消偏振分束棱镜，另一束经第五反射镜和第六反射镜后返回依次返回第五反射镜和第五消偏振分束棱镜，然后在第五消偏振分束棱镜发生干涉后入射到所述原子蒸汽池。

所述电磁诱导锁频光路包括第三偏振分束棱镜、第一光电探测器和第二原子蒸汽池，所述电磁诱导耦合光经所述第三偏振分束棱镜后入射至第二原子蒸汽池，所述电磁诱导探测光与所述电磁诱导耦合光反向重合入射至第二原子蒸汽池后经所述第三偏振分束棱镜反射至所述第一光电探测器中获得电磁诱导透明信号。

所述偏频锁频光路包括第二声光调制器和饱和吸收光谱光路，所述偏频锁频光束两次通过所述第二声光调制器进行频移后，进入所述饱和吸收光谱光路，产生饱和吸收光谱信号经伺服反馈控制模块转换为稳频信号对所述探测激光源输出的探测光频率进行锁定；所述第二声光调制器用于调节所述原子光栅的栅距。

所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置，还包括用于对原子蒸汽池进行恒温控制的温控装置；所述耦合激光源输出激光为波长为776nm的单频激光，探测激光源输出激光为波长为780nm的单频激光，所述原子蒸汽池为铷原子蒸汽池。

本发明还提供了一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量方法，基于所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置实现，包括以下步骤：

S1、将测量干涉光路固定设置在待测样品上；

S2、通过光电探测光路测量得到衍射干涉光斑中相位差为0°、90°、180°和270°的正一级和负一级衍射干涉光电信号；

S3、根据步骤S2得到的光电信号，实时解调得到待测样品的位移量，解调公式为：

；

其中，

表示位移量，d表示原子光栅的栅距；

、

、

和

分别表示相位差为0°、90°、180°和270°的正一级衍射干涉光电信号的强度，

、

、

和

分别表示相位差为0°、90°、180°和270°的负一级衍射干涉光电信号的强度。

所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量方法，还包括通过光束质量分析仪（23）测量原子光栅栅距d的步骤。

所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量方法，还包括改变探测光的频移频率，激光功率以及改变原子蒸汽池中原子密度来改变原子光栅栅距以适应不同的位移最小分辨率的测量需求的步骤。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置和方法，具有传统实体光栅位移测量系统不易受环境影响的特点。在常见的干涉位移测量系统中，其干涉臂光路中空气折射率变化所造成的光程变化，会造成位移测量不准确。而光栅位移测量系统在原理上避免了因光程差所造成的误差，具有更高的位移测量精度。其次在传统的实体光栅位移测量系统中，通常将小栅距实体光栅固定在待测物体上进行测量，但小栅距实体光栅的相应制造工艺较复杂。而原子光栅则是将测量干涉光路固定在待测物体上即可，相较制作工艺要求较高的实体光栅，降低了对测量装置的生产工艺要求，且从测量干涉光路的简单光路结构出发，原子光栅的集成难度更低。另外原子光栅位移测量系统以电磁诱导透明机制为基础，可通过控制光场结构调整光栅周期，并可分别针对激光频率、激光功率以及原子密度这三种参数进行光栅衍射效率、栅距等参数调节操作，且调节操作的同时无须对实验中的实体元器件进行调节。这在保证位移测量系统的装置稳定性的同时，突破了实体光栅栅距不可调节的局限，可针对待测物体不同的位移程度，合理设置栅距，实现位移最小分辨率可调的光栅位移测量系统，从而适应多种环境下的位移测量需求。

附图说明

图1为本发明位移测量系统的整体结构示意图。

图2为本发明位移测量系统的光电探测光路的结构示意图。

图3为本发明位移测量系统的饱和吸收光谱偏频锁频光路的结构示意图。

图4为本发明位移测量系统的电磁诱导透明锁频光路的结构示意图。

图5为本发明位移测量系统的参考干涉测量光路的结构示意图。

图6为本发明位移测量系统的测量干涉测量光路的结构示意图。

图7为本发明位移测量系统中单频激光器输出的高斯光斑示意图。

图8为本发明位移测量系统中高斯光斑整形后的光斑示意图。

图9为本发明位移测量系统中通过参考干涉光路驻波场后产生的多级衍射示意图。

图10为本发明原子光栅位移测量系统中通过测量干涉光路驻波场后产生的多级衍射示意图。

图中：1为耦合激光源，2为探测激光源，3为偏频锁频光路，4为电磁诱导锁频光路，5为参考干涉光路，6为测量干涉光路，7为光电探测光路，8为原子蒸汽池，9为待测样品，10为第一分束组件，11为第三偏振分束棱镜，12为第一二分之一波片，13为第一声光调制器，14为第二原子蒸汽池，15为光纤入光耦合头，16为光纤，17为光纤出光耦合头，18为第五二分之一波片，19为光功率探测单元，20为合束器，21为第一光电探测器，22为第一整形棱镜对，23为光束质量分析仪，24为第二整形棱镜对，25为第一消偏振分束棱镜，26为第一偏振分束棱镜， 27为第二偏振分束棱镜，28为双通道光电探测器，29为第一分束镜，30为第二分束镜，31为第二二分之一波片，32为第二消偏振分束棱镜，33为第三消偏振分束棱镜，34为第一反射镜，35为第二反射镜，36为第三反射镜，37为第三二分之一波片，38为第四消偏振分束棱镜，39为第五消偏振分束棱镜，40为第四反射镜，41为第五反射镜，42为第六反射镜，43为第四二分之一波片，44为第三偏振分束棱镜，45为第一透镜，46为第二声光调制器，47为第一四分之一波片，48为第二透镜，49为第三原子蒸汽池，50为第四偏振分束棱镜，51为第二光电探测器，52为第二四分之一波片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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，本发明实施例提供了一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置，包括耦合激光源1、探测激光源2、偏频锁频光路3、电磁诱导锁频光路4、参考干涉光路5、测量干涉光路6和光电探测光路7。

如图1所示，所述耦合激光源1输出的耦合光经第一分束组件10分为三束光泵浦光，一束作为电磁诱导耦合光入射至所述电磁诱导锁频光路4，另一束作为参考耦合光经参考干涉光路5后入射至原子蒸汽池8，第三束作为测量耦合光经测量干涉光路6后入射至原子蒸汽池8，所述测量干涉光路6固定设置在待测样品9上；所述探测激光源2输出的探测光经第二分束组件12后分为四束光，其中，一束作为电磁诱导探测光与所述电磁诱导耦合光反向重合入射至所述电磁诱导锁频光路4，第二束作为偏频锁频光束入射至所述偏频锁频光路3，第三束作为参考探测光与参考耦合光反向重合入射至所述入射至原子蒸汽池，第四束作为测量探测光与所述测量耦合光反向重合入射至原子蒸汽池。

具体地，本实施例中，所述耦合激光源1输出激光为波长为776nm的单频激光，探测激光源2输出激光为波长为780nm的单频激光，所述原子蒸汽池8为铷原子蒸汽池。

本发明实施例利用饱和吸收光谱偏频锁频光路3针对探测光单频激光器2，建立必要的频率稳定伺服反馈回路，以及操纵原子光栅参数时所需的探测光频率调谐手段。同样利用电磁诱导透明锁频光路4探测得到电磁诱导透明光谱，建立针对776 nm耦合光的频率参考标准，对耦合光单频激光器1的频率进行锁定，避免因激光频率漂移造成的原子光栅结构变化。

如图1~2所示，本实施例中，所述光电探测光路7包括合束组件、第三分束组件和四个双通道光电探测器28，所述参考探测光和参考耦合光以及所述测量探测光和测量耦合光分别在所述原子蒸汽池内发生电磁诱导透明形成原子光栅，参考探测光和测量探测光分别穿过原子光栅后分别形成的多级衍射信号经合束组件合束，被所述第三分束组件分成相位差为0°、90°、180°和270°四束光，然后分别被一个双通道探测器28探测，双通道光电探测器28的两个通道分别用于接收正一级和负一级的衍射干涉信号。

具体地，如图1~2所示，本实施例中，所述第三分束组件包括第一二分之一波片12、第一消偏振分束棱镜25、第一偏振分束棱镜26和第二偏振分束棱镜27，参考探测光和测量探测光分别穿过原子光栅后分别形成的多级衍射信号经合束组件合束后，入射到所述第一二分之一波片12，然后经第一消偏振分束棱镜25后分为两束光，这两束光分别经第一偏振分束棱镜26和第二偏振分束棱镜27后分成相位差为0°、90°、180°和270°四束光。具体地，本领域的技术人员完全知道如何设置第一偏振分束棱镜26和第二偏振分束棱镜27的放置角度，使得第一偏振分束棱镜26和第二偏振分束棱镜27将这两束光分成相位差为0°、90°、180°和270°四束光，设置方法参见论文“A sub-nanometric three-axis surface encoderwith short-period planargratings for stage motion measurement.PrecisionEngineering 36(2012)576-585.”中的光栅位移测量系统，因此，在此不做赘述。

具体地，本实施例中，所述偏频锁频光路3包括第二声光调制器46和饱和吸收光谱光路，所述偏频锁频光束两次通过所述第二声光调制器46进行频移后，进入所述饱和吸收光谱光路，产生饱和吸收光谱信号经伺服反馈控制模块转换为稳频信号对所述探测激光源2输出的探测光频率进行锁定。本实施例中，所述偏频锁频光路3用于获得锁频信号对所述探测激光源2输出的探测光的频率进行锁定。如图3所示，780 nm探测光经反射镜调节，注入第四二分之一波片43和第三偏振分束棱镜44的偏振组合，通过第四二分之一波片43调节光的偏振使780 nm探测光全部为p偏光穿过第三偏振分束棱镜44。随后使用第一透镜45将780nm探测光全部耦合进入第二声光调制器46，使探测光产生多级衍射。选择多级衍射中的1级衍射，利用反射镜使其原路返回第二声光调器46，再一次发生衍射。通过调节光路中的第一四分之一波片47使1级衍射由p偏光变为s偏光，从而利用第三偏振分束棱镜44将再次发生频率偏移的1级衍射光选出。选出的1级衍射光经第四偏振分束棱镜50反射进入第三原子蒸汽池49中，并经反射镜使其在铷蒸汽气池48中原路返回从而达到形成饱和吸收光谱的必要条件，然后从第四偏振分束棱镜50透射被第二光电探测器51探测。饱和吸收光谱经第四偏振分束棱镜透射后同样饱和吸收光谱光路中加装有第二四分之一波片52，以便调节偏振为p偏光，利用偏振分束棱镜将1级衍射光导入第二光电探测器51中，获得铷原子饱和吸收光谱，通过偏频后获得的饱和吸收光谱，可以将探测光激光源2的激光频率进行偏频后的频率锁定，使位移测量系统在频率偏移的同时实现探测光频率的高稳定性，保证了位移测量过程中的精度；此外，所述第二声光调制器46还可以用于调节所述原子光栅的频率失谐程度，进而控制光栅的衍射效率、栅距等光栅参数，以适应于不同分辨率的位移测量。

具体地，本实施例中，所述电磁诱导锁频光路4用于获得电磁诱导透明信号进而对所述耦合激光源1输出的耦合光频率进行锁定；如图4所示，所述电磁诱导锁频光路4包括第三偏振分束棱镜11、第一光电探测器21和第二原子蒸汽池14，所述电磁诱导耦合光经第五二分之一波片18及第三偏振分束棱镜11后入射至第二原子蒸汽池14，所述电磁诱导探测光与所述电磁诱导耦合光反向重合入射至第二原子蒸汽池14后经所述第三偏振分束棱镜11反射至所述第一光电探测器21中获得电磁诱导透明信号。电磁诱导透明锁频光路4中通过将780 nm探测光与776 nm耦合光对向传输进入第二原子蒸汽气池14中，以获得无多普勒背景的电诱导透明光谱。与饱和吸收光谱偏频锁频光路3中利用第三偏振分束棱镜44选光方式相同，电磁诱导透明锁频光路4利用第三偏振分束棱镜11，将穿过铷原子蒸汽气池8的s偏振780 nm探测光反射进入第一第一光电探测器21中，从而建立针对776 nm耦合光的频率参考标准。在光路之外借助伺服反馈回路频率锁定装置，即可实现对776 nm耦合光的激光频率锁定。

具体地，如图1所示，本实施例提供的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置，还包括第一声光调制器13、光纤入光耦合头15和光纤16，所述测量干涉光路6还包括光纤出光耦合头17和光功率探测单元19，所述光纤16的两端分别与所述光纤入光耦合头15和光纤出光耦合头17连接，测量耦合光依次经声光调制器13、光纤入光耦合头15和光纤16从所述光纤出光耦合头17入射至测量干涉光路6，所述光功率探测单元19用于获得从光纤出光耦合头17输出的激光功率起伏信号，并通过伺反馈控制模块将其转换为功率反馈信号后输出给所述第一声光调制器13，进而对所述光纤出光耦合头17输出的激光功率进行锁定。由于测量光路6与待测样品9相固定，整体在测量过程中相对位置与待测样品9同步位移，故本实施例通过光纤入光耦合头15、光纤出光耦合头17和光纤16的组合传输耦合光。在进行位移测量时，光纤出光耦合头17随测量参考光路6与待测样品9同步移动，使光纤16同时产生移动，加上受环境温度变化，导致测量干涉光路6中的功率发生变化。故在使用两片反射镜14将耦合光耦合进入光纤耦合头15前，在光路中安装第一声光调制器13。通过测量干涉光路6中的光功率探测单元19（具体可以为光电探测器）获得相应的功率变化信号，结合额外的伺服反馈控制模块为声光调制器提供功率反馈信号，将测量参考光路6中的耦合光功率进行锁定，保证原子光栅结构的稳定性。

如图1和图5所示，本实施例中，所述参考干涉光路5包括第一整形棱镜对22和第一迈克尔逊干涉仪，所述第一整形棱镜对22用于将所述参考耦合光整形为椭圆光斑后发送给所述第一迈克尔逊干涉仪，第一迈克尔逊干涉仪用于使参考耦合光产生干涉条纹，具体地，所述第一迈克尔逊干涉仪包括第二二分之一波片31、第二消偏振分束棱镜32、第三消偏振分束棱镜33、第一反射镜34、第二反射镜35和第三反射镜36，第一整形棱镜对22的输出光经第二二分之一波片31、第二消偏振分束棱镜32、第三消偏振分束棱镜33后分为两束，一束经第一反射镜34后返回第三消偏振分束棱镜33，另一束经第二反射镜35和第三反射镜36后依次返回第二反射镜35和第三消偏振分束棱镜33，然后在第三消偏振分束棱镜33发生干涉后入射到所述原子蒸汽池8。776 nm耦合光高斯光斑参见图7，椭圆光斑参见图8，通过将光斑拉长可获得面积更大的干涉条纹，从而增加原子光栅的尺寸大小，提升原子光栅位移测量系统的量程范围。此外，本实施例中，原子蒸汽池8通过温控装置进行恒温控制，保证了原子光栅的稳定度。

本实施例中，第一整形棱镜对22后的第二二分之一波片31用于调整776 nm耦合光的偏振，使其严格为p偏振，便于之后进入控温的铷原子蒸汽气池8形成原子光栅。第一整形棱镜对对22后的第二消偏振分束棱镜32将光斑拉长后的776 nm耦合光反射，第三消偏振分束棱镜33用于将光分束，搭建迈克尔逊干涉结构光路，通过使用三片反射镜，即第一反射镜34、第二反射镜35和第三反射镜36可以实现光束的调重，进而实现对干涉条纹间距的控制，粗调节原子光栅栅距。而参考干涉条纹可通过设置在第二消偏振分束棱镜32上方的光束质量分析仪23实时监测。

如图1和6所示，本实施例中，所述测量干涉光路6包括第二整形棱镜对24和第二迈克尔逊干涉仪，所述第二整形棱镜对24用于将所述测量耦合光整形为椭圆光斑后发送给所述第二迈克尔逊干涉仪；第二迈克尔逊干涉仪用于使测量耦合光产生干涉条纹；具体地，所述第二迈克尔逊干涉仪包括第三二分之一波片37、第四消偏振分束棱镜38、第五消偏振分束棱镜39、第四反射镜40、第五反射镜41和第六反射镜42，第二整形棱镜对24的输出光经第三二分之一波片37、第四消偏振分束棱镜38、第五消偏振分束棱镜39后分为两束，一束经第四反射镜40后返回第五消偏振分束棱镜39，另一束经第五反射镜41和第六反射镜42后返回依次返回第五反射镜41和第五消偏振分束棱镜39，然后在第五消偏振分束棱镜39发生干涉后入射到所述原子蒸汽池8。

本实施例中，耦合激光源1通过光纤出光耦合头17与光纤16的组合，为测量干涉光路6提供光源。测量干涉光路6与参考干涉光路5光路结构一致，但测量干涉光路整体集成于一体，固定在待测样品9上。集成测量干涉光路6的少量光学元器件难度较低且易实现，与实体光栅相比较，省去了实体光栅制造时所需高精度工艺流程，在减少加工难度的同时兼顾了光栅位移测量这种方法的测量精度。测量干涉光路6中的光功率探测单元19为光路中耦合光功率稳定提供实时的光功率变化信息通过测量光路中的耦合光功率起伏来进行相应功率锁定，同样，通过在第五消偏振分束棱镜39的上方设置光束质量分析仪23，可以监测干涉条纹图样，保证测量干涉光路6与参考干涉光路5具有相同的条纹间距，可形成栅距相同的原子光栅。

进一步地，本实施例还包括第一分束镜29和第二分束镜30，这两个分束镜分别设置在测量干涉光路6和参考干涉光路5的出光光路上，分别用于将干涉光路6和参考干涉光路5输出的干涉信号分出一部分入射到原子蒸汽池8中，还用于将测量探测光和参考探测光分别反射至合束器8。

本发明的工作原理如下：本发明提供的所述原子光栅位移测量装置是建立在可改变相关原子介质吸收和色散特性的电磁诱导透明机制上，其通过两束光干涉产生的驻波场，在控温的铷原子蒸汽气池8中形成针对探测光折射率周期性分布的原子光栅结构。其中参考干涉光路5形成的原子光栅作为参考光栅，测量干涉光路6所形成的原子光栅作为测量光栅。探测光激光源2通过第二分束组件将探测光分为4束，分别分光给饱和吸收光谱偏频锁频光路3、电磁诱导透明锁频光路4以及两个原子光栅。探测光在穿过原子光栅的周期性结构后产生多级衍射，由于参考干涉条纹与测量干涉条纹干涉间距通过调控严格保持一致，图9中由参考光栅生成的多级衍射与图10中测量光栅生成的多级衍射基本一致。通过偏振分束棱镜将两种多级衍射选出，再利用光电探测光路7中的合束器20将两种多级衍射按级数分布严格调重，并保证其中两一级衍射形成的干涉条纹周期大于一级衍射光斑直径。随后借助四通道探测技术（即四个双通道光电探测器），将衍射干涉信号进行相应处理以及电子细分，即可测量得到待测样品9的实际位移量。

具体地，如图1所示，所述第一分束组件包括两个分束器，所述第二分束组件包括三个分束器；本实施例中，分束器是由一个二分之一波片和一个偏振分束棱镜组成的，通过旋转二分之一波片，可以连续调节分光比。

具体地，本实施例中，光电探测光路7采用了干涉位移测量中使用的四通道探测技术，也称瞬间移相技术。其通过利用偏振光学器件可以改变入射光相位的特性，通过第三分束组件，使入射至光电探测光路7的一路干涉信号被分为四路相位相差90°的干涉信号。通过后续处理，可由这四路相位差90°的干涉信号得到满足电子细分的两路正交的正余弦信号，从而实现对位移的测量。由于参考干涉光路5与测量干涉光路6具有相同的干涉条纹间距，故参考原子光栅与测量原子光栅的栅距相同，两者产生的多级衍射基本一致。参见图9和图10，分别为参考原子光栅与测量原子光栅形成的多级衍射，两者的衍射级数与光斑大小基本相同。光电探测光路7中的合束器20将参考原子光栅与测量原子光栅的两种多级衍射合束。调节过程中通过光束质量分析仪23实时监视两衍射重合情况，直至调节至参考原子光栅产生的多级衍射，与测量原子光栅产生的多级衍射相互重合干涉。衍射干涉时取强度较高的正负1级衍射干涉信号进行探测，正负1级的衍射干涉信号干涉相消产生干涉条纹。此时为保证各个双通道光电探测器28的两个通道在分别接收正1级衍射干涉信号和负1级衍射干涉信号时，获得明显的信号起伏，即干涉信号有明显的亮暗切换，在调节衍射干涉信号时需保证衍射干涉间距大于相对应的衍射光斑直径。这样在待测样品9发生位移时，正负1级衍射干涉光斑会产生明暗变化，便于提取准确的光电信号。利用四个双通道探测器28分别接收相位差为0°、90°、180°和270°衍射干涉光电信号，每个双通道探测器28的两个通道分别接收正负1级的衍射干涉信号并转换为光电信号。所得光电信号可以利用四通道探测技术并后续电子细分处理得到待测样品9的位移量。

具体地，四通道探测技术可将衍射干涉信号处理为对应位移测量值。其中四个双通道探测器28所探测的测量信号表达形式分别为：

其中，

、

、

、

分别表示各个双通道探测器28所探测的测量信号，E ₀为光栅衍射光的光振动振幅，

表示测量原子光栅与参考原子光栅两者产生的衍射之间的相位差。其中测量原子光栅的正1级衍射和与其干涉的参考原子光栅的正1级衍射光之前的相位差为：

； （5）

其中，Δx为待测样品的实际位移量，d为原子光栅的栅距。由于所述原子光栅位移测量系统中为一维光栅，故不涉及空间中其他两个维度的位移量测量。以四个双通道光电探测器的正1级衍射的四个通道和负1级的四个通道的探测到的信号分别为：

其中，

、

、

和

分别表示相位差为0°、90°、180°和270°的正一级衍射干涉光电信号的强度，

、

、

和

分别表示相位差为0°、90°、180°和270°的负一级衍射干涉光电信号的强度。

所得各光电信号均由衍射干涉信号明暗变化产生，故可视为正余弦信号。借助相位差为90°相互正交的正余弦信号，可以进行位移的电子细分。为了有效消除扰动，处理过程中将相互正交的两信号进行差分处理，有：

；（14）

；（15）

所以测量原子光栅与参考原子光栅的正1级衍射相位差、负1级衍射相位差分别为：

可以得到系统待测位移信号的解算表达式为：

；（18）

因此，通过式（16）~（18）可将所述原子光栅位移测量系统中的衍射干涉光电信号转换为待测样品9的实际位移量Δx。另外本实施例中位移Δx的测量基准为原子光栅的栅距d，可通过光束质量分析仪测量评估获得。

因此，本发明实施例还提供了一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量方法，基于图1所述的位移测量装置实现，包括以下步骤：

S1、将测量干涉光路6固定设置在待测样品9上；

S2、通过光电探测光路7测量得到衍射干涉光斑中相位差为0°、90°、180°和270°的正一级和负一级衍射干涉光电信号；

S3、根据步骤S2得到的光电信号，实时解调得到待测样品的位移量，解调公式为上述（16）~（18）式。

进一步地，本实施例提供的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量方法，还包括通过光束质量分析仪23测量原子光栅栅距d的步骤。本实施例中，原子光栅栅距的测量基于光栅方程

来实现，方程中d为光栅栅距，φ为衍射角，θ为探测光与原子光栅平面法线之间的夹角，k为衍射条纹级数，λ为探测光波长。其中φ可通过移动光电探测光路7中的光束质量分析仪23获得，只需测量参考光栅衍射或测量光栅衍射中一种的衍射光即可；θ受光路设置，可认为角度近似为0°；k则可由光束质量分析仪23直观得到；λ由所设置的饱和吸收光谱可得到准确的参考频率位置，另外声光调制器46自身可准确调节频率偏移量，误差在十赫兹量级，两者相结合可准确获得探测光的频率，即探测光波长。由所知的各参数即可计算得到准确的光栅栅距d。

进一步地，本实施例提供的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量方法，还包括改变探测光的频移频率，激光功率以及改变原子蒸汽池中原子密度来改变原子光栅栅距以适应不同的位移最小分辨率的测量需求的步骤。

综上所述，本发明提供了一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置和方法，具有传统实体光栅位移测量系统不易受环境影响的特点。在常见的干涉位移测量系统中，其干涉臂光路中空气折射率变化所造成的光程变化，会造成位移测量不准确。而光栅位移测量系统在原理上避免了因光程差所造成的误差，具有更高的位移测量精度。其次在传统的实体光栅位移测量系统中，通常将小栅距实体光栅固定在待测物体上进行测量，但小栅距实体光栅的相应制造工艺较复杂。而原子光栅则是将测量干涉光路固定在待测物体上即可，相较制作工艺要求较高的实体光栅，降低了对测量装置的生产工艺要求，且从测量干涉光路的简单光路结构出发，原子光栅的集成难度更低。另外原子光栅位移测量系统以电磁诱导透明机制为基础，可分别针对激光频率、激光功率以及原子密度这三种参数进行光栅衍射效率、栅距等参数调节操作，且调节操作的同时无须对实验中的实体元器件进行调节。这在保证位移测量系统的装置稳定性的同时，突破了实体光栅栅距不可调节的局限，可针对待测物体不同的位移程度，合理设置栅距，实现位移最小分辨率可调的光栅位移测量系统，从而适应多种环境下的位移测量需求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置，其特征在于，包括耦合激光源（1）、探测激光源（2）、偏频锁频光路（3）、电磁诱导锁频光路（4）、参考干涉光路（5）、测量干涉光路（6）和光电探测光路（7）；

所述耦合激光源（1）输出的耦合光经第一分束组件（10）分为三束光泵浦光，一束作为电磁诱导耦合光入射至所述电磁诱导锁频光路（4），另一束作为参考耦合光经参考干涉光路（5）后入射至原子蒸汽池（8），第三束作为测量耦合光经测量干涉光路（6）后入射至原子蒸汽池（8），所述测量干涉光路（6）固定设置在待测样品（9）上；所述探测激光源（2）输出的探测光经第二分束组件（12）后分为四束光，其中，一束作为电磁诱导探测光与所述电磁诱导耦合光反向重合入射至所述电磁诱导锁频光路（4），第二束作为偏频锁频光束入射至所述偏频锁频光路（3，第三束作为参考探测光与参考耦合光反向重合入射至所述入射至原子蒸汽池，第四束作为测量探测光与所述测量耦合光反向重合入射至原子蒸汽池；

所述偏频锁频光路（3）用于获得锁频信号对所述探测激光源（2）输出的探测光的频率进行锁定，所述电磁诱导锁频光路（4）用于获得电磁诱导透明信号进而对所述耦合激光源（1）输出的耦合光频率进行锁定；所述参考干涉光路（5）包括第一迈克尔逊干涉仪，用于使参考耦合光产生干涉条纹，所述测量干涉光路（6）包括第二迈克尔逊干涉仪，用于使测量耦合光产生干涉条纹；

所述光电探测光路（7）包括合束组件、第三分束组件和四个双通道光电探测器（28），所述参考探测光和参考耦合光以及所述测量探测光和测量耦合光分别在所述原子蒸汽池内发生电磁诱导透明形成原子光栅，参考探测光和测量探测光分别穿过原子光栅后分别形成的多级衍射信号经合束组件合束，被所述第三分束组件分成相位差为0°、90°、180°和270°四束光，然后分别被一个双通道探测器（28）探测，双通道光电探测器（28）的两个通道分别用于接收正一级和负一级的衍射干涉信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置，其特征在于，所述第一分束组件包括两个分束器，所述第二分束组件包括三个分束器；所述第三分束组件包括第一二分之一波片（12）、第一消偏振分束棱镜（25）、第一偏振分束棱镜（26）和第二偏振分束棱镜（27），参考探测光和测量探测光分别穿过原子光栅后分别形成的多级衍射信号经合束组件合束后，入射到所述第一二分之一波片（12），然后经第二消偏振分束棱镜（25）后分为两束光，这两束光分别经第一偏振分束棱镜（26）和第二偏振分束棱镜（27）后分成相位差为0°、90°、180°和270°四束光。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置，其特征在于，还包括第一声光调制器（13）、光纤入光耦合头（15）和光纤（16），所述测量干涉光路（6）还包括光纤出光耦合头（17）和光功率探测单元（19），所述光纤（16）的两端分别与所述光纤入光耦合头（15）和光纤出光耦合头（17）连接，测量耦合光依次经声光调制器（13）、光纤入光耦合头（15）和光纤（16）从所述光纤出光耦合头（17）入射至测量干涉光路（6），所述光功率探测单元（19）用于获得从光纤出光耦合头（25）输出的激光功率起伏信号，并通过伺反馈控制模块将其转换为功率反馈信号后输出给所述声光调制器（13），进而对所述光纤出光耦合头（25）输出的激光功率进行锁定。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置，其特征在于，所述参考干涉光路（5）还包括第一整形棱镜对（22），所述测量干涉光路（6）包括还第二整形棱镜对（24），所述第一整形棱镜对（22）和第二整形棱镜对（24）分别用于将所述参考耦合光和测量耦合光整形为椭圆光斑后发送给所述第一迈克尔逊干涉仪和第二迈克尔逊干涉仪；

所述第一迈克尔逊干涉仪包括第二二分之一波片（31）、第二消偏振分束棱镜（32）、第三消偏振分束棱镜（33）、第一反射镜（34）、第二反射镜（35）和第三反射镜（36），第一整形棱镜对（22）的输出光经第二二分之一波片（31）、第二消偏振分束棱镜（32）、第三消偏振分束棱镜（33）后分为两束，一束经第一反射镜（34）后返回第三消偏振分束棱镜（33），另一束经第二反射镜（35）和第三反射镜（36）后依次返回第二反射镜（35）和第三消偏振分束棱镜（33），然后在第三消偏振分束棱镜（33）发生干涉后入射到所述原子蒸汽池（8）；

所述第二迈克尔逊干涉仪包括第三二分之一波片（37）、第四消偏振分束棱镜（38）、第五消偏振分束棱镜（39）、第四反射镜（40）、第五反射镜（41）和第六反射镜（42），第二整形棱镜对（24）的输出光经第三二分之一波片（37）、第四消偏振分束棱镜（38）、第五消偏振分束棱镜（39）后分为两束，一束经第四反射镜（40）后返回第五消偏振分束棱镜（39），另一束经第五反射镜（41）和第六反射镜（42）后返回依次返回第五反射镜（41）和第五消偏振分束棱镜（39），然后在第五消偏振分束棱镜（39）发生干涉后入射到所述原子蒸汽池（8）。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置，其特征在于，所述电磁诱导锁频光路（4）包括第三偏振分束棱镜（11）、第一光电探测器（21）和第二原子蒸汽池（14），所述电磁诱导耦合光经所述第三偏振分束棱镜（11）后入射至第二原子蒸汽池（14），所述电磁诱导探测光与所述电磁诱导耦合光反向重合入射至第二原子蒸汽池（14）后经所述第三偏振分束棱镜（11）反射至所述第一光电探测器（21）中获得电磁诱导透明信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置，其特征在于，所述偏频锁频光路（3）包括第二声光调制器（46）和饱和吸收光谱光路，所述偏频锁频光束两次通过所述第二声光调制器（46）进行频移后，进入所述饱和吸收光谱光路，产生饱和吸收光谱信号经伺服反馈控制模块转换为稳频信号对所述探测激光源（2）输出的探测光频率进行锁定；所述第二声光调制器（46）用于调节所述原子光栅的栅距。

7.根据权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置，其特征在于，还包括用于对原子蒸汽池（8）进行恒温控制的温控装置；所述耦合激光源（1）输出激光为波长为776nm的单频激光，探测激光源（2）输出激光为波长为780nm的单频激光，所述原子蒸汽池（8）为铷原子蒸汽池。

8.一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量方法，基于权利要求1所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将测量干涉光路（6）固定设置在待测样品（9）上；

S2、通过光电探测光路（7）测量得到衍射干涉光斑中相位差为0°、90°、180°和270°的正一级和负一级衍射干涉光电信号；

S3、根据步骤S2得到的光电信号，实时解调得到待测样品的位移量，解调公式为：

；

其中，

表示位移量，d表示原子光栅的栅距；

、

、

和

分别表示相位差为0°、90°、180°和270°的正一级衍射干涉光电信号的强度，

、

、

和

分别表示相位差为0°、90°、180°和270°的负一级衍射干涉光电信号的强度。

9.根据权利要求8所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量方法，其特征在于，还包括通过光束质量分析仪（23）测量原子光栅栅距d的步骤。

10.根据权利要求8所述的一种基于电磁诱导透明原子光栅的位移测量方法，其特征在于，还包括改变探测光的频移频率，激光功率以及改变原子蒸汽池中原子密度来改变原子光栅栅距以适应不同的位移最小分辨率的测量需求的步骤。

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