CN112255640B - 一种自适应调整光路的可变频差激光干涉测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种自适应调整光路的可变频差激光干涉测距装置。此装置可分解为提供可变频差两束光源的光源系统、实现两束光外差干涉的干涉仪系统、模拟由引力波或重力场变化引起的卫星微小位移振荡的测量端平移系统、对干涉信号进行相位鉴别反演出位移信息的相位计、以及最核心的能抵消掉频差变化导致的微小光路偏移的自适应光路调整系统。所需要的外围支持设备包括隔振系统、降低空气干扰模拟真空环境的真空系统、数据采集与处理的计算机等。可变频差的自适应光路调整能够高度模拟真实空间双星干涉仪相对运动速度变化导致的多普勒频移改变的情况，大大加快实验模拟进度，也可以用于其他类型的外差干涉频率不断改变的应用场景中。

Description

一种自适应调整光路的可变频差激光干涉测距装置

技术领域

本发明涉及一种自适应调整光路的可变频差激光干涉测距装置，可用于两物体之间在不同外差频率下的精密距离测量，测距精度可达到皮米量级，可有效模拟空间双星不变改变相对速度情况下的高精度激光干涉测距系统的运作。

背景技术

激光外差干涉测距技术是非常精密的测距技术，不仅精度高，而且量程大，抗干扰能力强，在精密测量与机械制造、工业工程、卫星遥感上应用广泛，特别是在光刻机、精密机床等先进制造设备的干涉仪，起到了关键的核心作用。不过因为这些工业需求一般不是低频场景，故而在低频长时间条件下精度不算太高，尤其在mHz波段的外差干涉仪，在低频段的典型精度为10nm或100nm。而以目前国内最顶尖的某双频激光外差干涉仪为例，拍频为零到十兆赫兹，而在mHz的低频段的精度只可达到1nm甚至10nm。

随着现代工业对产品性能、公差等技术参数的要求越来越高，先进制造开始渐渐从微纳米时代深入到纳皮米时代，因此工业界呼唤亚纳米、皮米级别精度的大量程测距设备。而外差干涉仪是当仁不让的最具优势的亚纳米测距技术路线之一。因此发展皮米级外差干涉仪的社会动力、科学动力十分强劲。在技术上，稳频激光器、超稳光学平台、低噪声探测器、电子学与集成电路等设备的发展使得外差干涉仪中对分立器件的指标要求在如今已经能够达到，技术准备已经充分，皮米级测距设备的发展条件已经比较成熟。航天精密测量是激光外差干涉测距的重要应用领域，高精度多频差外差干涉仪可以用于重力场的卫星测量，其科学目标在测距精度在1mHz低频波段必须达到10nm左右。高精度多频差皮米级外差干涉仪可以用于国内引力波项目比如中国太极计划或中国天琴计划，或者用于欧洲的LISA计划，并且此类空间引力波探测项目要求测距精度在1mHz低频波段必须达到10pm以下乃至1pm。

为了能够真实准确模拟空间应用情况，高精度激光干涉测距地面模拟系统需要实时调整声光移频器的移频频率，从而在不同外差频率下完成超高精度测距，以模拟真实卫星中因相对速度不断变化产生的不断变化的多普勒频移，因此要发明自适应反馈光路调节方法，有效地自动解决外差频率调整引起的光路改变问题，无需进行手动调整，可以大大节省调整光路所需的时间，并保证测量精度不随外差频率的改变而降低，并且不引入过大的系统测量误差。

目前国内外的激光干涉系统没有为多个激光外差拍频频率而设计系统，同时也没有为了适应多个外差频率段而设计自适应反馈光路调节系统。特别是在长时间的低频测距中，必须针对性地设计隔振、隔热等措施，做出优良的温度控制，以达到皮米级的测量精度要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种自适应调整光路的可变频差激光干涉测距装置，可有效实时进行多个不同外差频率的高精度激光干涉测距，大幅提升测距精度，不仅可以充分模拟空间中相对速度不断变化的双星间的激光干涉测距，而且可用于其它相似应用领域。

本发明的技术方案是：一种自适应调整光路的可变频差激光干涉测距装置，包括

可变频差双路光源系统，用于提供可变频差的两束高稳频高稳定性的激光并将激光经光纤引入干涉仪系统；

干涉仪系统，用于实现两束可变频差激光的外差干涉，此外差干涉会受到测量端平移系统位移变化的直接影响，外差干涉的光学结果转化成外差干涉电信号后传输给相位计；

测量端平移系统，与干涉仪系统连接，用于模拟由引力波或重力场变化引起的卫星的微小位移振荡；

相位计，接收干涉仪系统的外差干涉电信号结果，对其进行相位鉴别反演出位移信息，结果传输给数据处理与分析系统；

数据处理与分析系统，接收相位计输出的含有系统噪声的数据，在全部数据中提取出测量端平移系统的位移变化信息并做噪声功率谱的分析，评价系统测距精度与性能；

自适应光路调整系统，包含控制端部分和测量端部分，其中控制端嵌入在可变频差双路光源系统中，测量端部分嵌入于干涉仪系统中，两部分联合起来实时纠正两束激光频差变化导致的微小光路偏移。

所述可变频差双路光源系统包括沿光轴方向依次设置的：

高稳频激光器，用于产生高稳激光光源；

半波片，用于进一步将轻微的椭圆偏振转化为更好的线性偏振；

光隔离器，用于防止后面光路中返回的激光反射回激光器从而影响或损坏激光器；

分光镜，较小的反射光束打向探测器作为光源功率监测，较大的透射光束射入另一个分光镜；

探测器，在上述分光镜的上方，检测激光光源功率；

分光镜，接收上述分光镜透射的光束并将此光束平均分为两路，每路各射入一个声光移频器；其中第一路光束通向：第一声光移频器，使经过的激光发生声光相互作用后产生一定的频移；第一光纤耦合器，使空间光经过透镜的光束变换后顺利进入光纤一，最终组成第一路固定光频率大小的激光光源；

第二路光通向：第二声光移频器，使经过的激光发生声光相互作用后产生一定的频移，但移频频率与第一移频器的频率不同，可通过手动或用驱动器编程实时调节；反射镜，使光束转向，并射向电控反射镜；电控二维位移台，用于装载电控反射镜，控制其平面两个自由度的位移；电控反射镜，用于实时控制与改变射出的光束方向，使其顺利入射光纤耦合器；第二光纤耦合器，使空间光经过透镜的光束变换后顺利进入光纤二，最终组成第二路可实时调节光频率大小的激光光源。

所述干涉仪系统包括：

超稳光学平台，用于放置干涉仪系统的光学部分，隔绝机械噪声，减少温度噪声；

参考端外差干涉光学系统及光电转换部分，产生参考端外差干涉并把位移参考信号传递给相位计；

位移测量端外差干涉光学系统及光电转换部分，产生测量端外差干涉并把位移测量信号传递给相位计。

所述测量端平移系统包括压电陶瓷位移平台、反射镜。

所述相位计包括模数电路模块与数字电路模块。

所述数据处理与分析系统包括计算机与相关数据处理算法。

所述自适应光路调整系统包括控制端部分与测量端部分；

所述控制端部分包括嵌入于可变频差双路光源系统第二路光源沿光轴方向依次设置的：

反射镜，接收来自第二声光移频器的移频出射光，调整此光束方向使其射向电控高精度旋转反射镜；

电控高精度旋转反射镜，接收上述反射镜反射的光束并将光束再次反射进光纤耦合器中，其旋转角度受计算机控制；

电动位移台，支撑电控高精度旋转反射镜，位移大小受计算机控制；

计算机，与电控高精度旋转反射镜、电动位移台连接，输出电动位移台与电控高精度旋转反射镜的控制信号，接收测量端部分的输入信号。计算机的计算分为粗略调节和精细调节两部分。其中粗略调节的方法是电动位移台的二维位移值每一维度均与频差值的大小成正比，反射镜的旋转量也与频差值的大小成正比，精细调节部分以测量端的输出结果作为实时反馈并采用最速下降极值算法来搜索并稳定于最佳的控制值。

所述测量端部分包括嵌入于干涉仪系统中沿光轴方向依次设置的：

分光镜，在真空腔内的干涉仪系统中，接收由第二路光源出射的光束，透射光射入干涉仪系统，反射光射入一个光功率探测器；

光功率探测器，接收分光镜分出的光，测量其功率，用于检验光纤耦合器是否正确耦合，并将功率监测值传输给计算机。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明高精度可变频差激光干涉测距装置可以在实时调整多个不同外差干涉频率的情况下达到皮米级精度的相对位移距离测量，充分模拟了双星在空间中的真实环境，同时这种技术也可能用在超外差绝对距离干涉测量或其他应用场景中，极大拓展了应用范围；

本发明新设计的自适应光路调整系统可以有效压制光源系统改变频差造成的严重光路偏移噪声干扰，光路角度精度达到mrad量级，不必每次重新调整搭建光路，大大提升了实验进度，同时这套系统可以单独应用到其他需要实时调整光路且精度需要mrad量级的应用场景中；

本发明可以模拟卫星轨道游离产生的多普勒效应进而导致的外差干涉频率变化以及由重力场或引力波引起的微小位移信号，对空间双星环境高度仿真；

本发明将采用有效隔绝外界的机械干扰、空气干扰、热噪声干扰的隔振系统、超稳光学平台、真空系统与光学元件的温控系统，充分保障系统的测量精度达到皮米级。

附图说明

图1为本发明的具备自适应光路调整功能的高精度可变频差激光干涉测距装置结构图。

图2为本发明的可变频差双路光源系统与内嵌的自适应光路调整系统的控制端部分示意图。

图3为本发明的干涉仪系统示意图。

图4为本发明的自适应光路调整系统测量端示意图。

图5为本发明的位移测量端平移系统的原理框架图。

图6为本发明的自适应光路调整系统的原理框架图。

具体实施方式

下文将结合附图对本发明的实施实例进行详细说明，并且本申请中的实施实例及其子系统可以分别或组合应用到其他相似场景中。

本发明提供了如附图1-6所示的具备自适应光路调整功能的高精度可变频差激光干涉测距装置，至少包括：

可变频差双路光源系统，用于提供可变频差的两束高稳频高稳定性的激光，这两束激光具备相应的差分频率并且在0-15MHz范围内可实时调整。可变频差双路光源系统包括沿光轴方向依次设置的：

第一路有频偏如70MHz的光源，产生准直、单色的偏振激光；第二路有频偏如71MHz的光源，产生准直、单色的偏振激光；自适应光路调整系统的控制端部分。

干涉仪系统，通过对光路的设计从而实现两束光的外差干涉，同时此干涉信号要带有模拟卫星运动的位移测量端的位移信息，利用位移与相位之间的关系，将位移转化为两路干涉光的相位差。干涉仪包括超稳光学平台与干涉光路。超稳光学平台为微晶玻璃超稳光学平台，对温度变化的敏感度极低。干涉光路主要为参考端外差干涉光路与测量端外差干涉光路。

测量端平移系统，用于模拟由引力波或重力场变化引起的卫星的微小位移振荡，这是整个系统的最终测量目标。主要结构为电控陶瓷位移台与测量反射镜。

相位鉴别系统，用于对干涉仪系统输出的外差干涉电信号进行精确的相位鉴别并反演出位移信息。

数据处理与分析系统，用于接收并储存相位计输出的数据，在相位计的全部输出信号中提取出有意义的科学信号并且做噪声功率谱的分析，评价系统测距精度与性能。

自适应光路调整系统，用以实时调整并纠正双路光源改变频差导致的微小光路偏移变化，使干涉仪系统的外差干涉结果不受频差变化的影响，不必反复重新手动调整光路，加快实验模拟进度。

如图2所示，可变频差双路光源系统及其内嵌的自适应光路调整系统控制端部分包括沿光轴依次设置的：

一个高稳频激光器，用于产生频率变化极小的高度线性偏振的激光光源；一个半波片，用于进一步将轻微的椭圆偏振转化为更好的线性偏振；一个光隔离器，用于防止后面光路中返回的激光反射回激光器，影响或损坏激光器；一个分光镜，分出较小的一束光打向探测器作为光源功率监测，另一束光射入下一个分光镜；一个探测器，在上述分光镜的上方，检测激光光源功率；一个分光镜，使光束分为两路，每路各通向一个声光移频器；

其中第一路光通向：一个第一声光移频器，使经过的激光发生声光相互作用后产生一定的频移如70MHz；一个第一光纤耦合器，使空间光经过透镜的光束变换后顺利进入光纤一；

第二路光通向：一个第二声光移频器，使经过的激光发生声光相互作用后产生一定的频移如71MHz，移频频率与第一移频器的频率略有不同，可手动或用驱动器编程实时调节；一个反射镜，使光束转向，射向电控反射镜；一个电控二维位移台，用于装载电控反射镜，控制其平面两个自由度的位移；一个电控高精度反射镜，用于实时控制与改变射出的光束方向，使其顺利入射光纤耦合器；一个第二光纤耦合器，使空间光经过透镜的光束变换后顺利进入光纤二；

光纤采用单模保偏光纤，以保证偏振态基本不变。

如图3所示，干涉仪系统在真空腔内和超稳光学平台上，是整个测距系统的核心部分，包括参考端外差干涉光路与位移测量端外差干涉光路，具体包括沿光轴依次设置的：

一个第一半波片，在第一偏振分光镜的上侧，使第一路激光偏振旋转一个角度；一个第二半波片，在第一偏振分光镜的左侧，使第二路激光偏振旋转一个角度；一个第一偏振分光镜，使两路激光分成偏振S、P光不同的两束，S光透射，P光反射；一个第一偏振片，在第一偏振分光镜的下侧，与S光、P光均成45度夹角，在偏振片后发生外差干涉；一个第一探测器，在第一偏振片的下侧，将激光干涉信号转换成电信号作为参考信号传输给相位计；一个第二偏振分光镜，在第一偏振分光镜右侧，使两路激光分别透射与反射，S光透射，P光反射；一个第一1/4波片，在第二偏振分光镜上侧，与反射镜组合来回两次透射使得偏振偏转90度；一个第一反射镜，作为固定参考镜，在第一1/4波片的上侧，反射激光光束；一个第二1/4波片，在第二偏振分光镜右侧，与移动靶镜组合来回两次透射使得偏振偏转90度；一个第二反射镜，在第二1/4波片右侧，作为反射靶镜固定在电控陶瓷位移台上，反射光束，作为测量信号；一个第二偏振片，在第二偏振分光镜下侧，与S光、P光均成45度夹角，在偏振片后发生外差干涉；一个第二探测器，在第二偏振片下侧，将激光干涉信号转换成电信号作为测量信号传输给相位计；

如图4所示，自适应光路调整系统测量端部分嵌入于干涉仪系统中，主要包括：

一个10：90的无偏分光镜，透射约90％射向干涉仪系统中的第二半波片，反射约10％的光射向功率探测器；一个功率探测器，接收分光镜反射过来的光，监测光纤耦合功率，转化为电信号并传输给计算机；

如图5所示，测量端平移系统用来模拟双星间的微小位移信号，主要包括：计算机、驱动器、压电陶瓷构成。将测量靶镜安装于位移系统的运动方向上，运动方程可以设置为正弦运动，限于压电陶瓷的技术极限，运动幅值最小为纳米与百皮米量级，运动频率为mHz-1Hz范围。

如图6所示，自适应光路调整系统包括测量端、计算机、控制端。其中测量端为光纤耦合功率监测，监测精度为0.1mW；计算机内部使用Matlab编程；控制端包括电控旋转反射镜、电控二维位移台及相应的驱动控制器。其中电控旋转反射镜的控制精度为0.1mrad,电控双自由度位移台的控制精度为10nm。此系统主要目的是抵消声光移频器的移频频差改变后产生的光路轻微偏移，在外差频率改变在1MHz时，角度改变在0.5mrad量级。声光移频器类似于一个衍射光栅，射频源的信号加载在声光调制器的超声换能器上，就会产生一定频率的超声波在声光晶体中传播，超声频率由射频信号源来决定，例如70MHz，100MHz等等。超声在声光晶体中传播时，就会调制晶体的折射率，当光以布拉格角入射，就会产生布拉格衍射。同时，如果是正1级衍射光，衍射光频率相对入射光就会附加一个超声频率；如果是负1级，衍射光频率就会减去一个超声频率，从而实现了激光移频。由声光移频器的移频原理可得，对于布拉格衍射的光栅，出射衍射光的移频频率f₁跟出射1级光与0级光的夹角θ关系为：

其中v为声光介质中的声速，λ_i为入射激光的波长。因此当移频频率f₁改变时，夹角θ也会改变，两者基本成正比关系，比例系数对于本系统是个固定值，若取λ_i＝1064nm，声光介质为TeO₂晶体，声速约为3700m/s，则比例系数约为2.8×10^-10，那么移频70MHz的移频光与移频76MHz的移频光和出射角就会相差2mrad。这样当改变移频频率时，出射激光的出射角度会有成正比的变化，如果移频频率变化足够大，这种出射角度的不断变化虽然微小，但在pm级别高精度的测距实验中或者较长臂长光程的实验中就会影响后面光路的光束准直并最终影响到干涉信号的信噪比，导致噪声的增加。因此如果在一个特定的外差频率下调整好光路，测距精度可以非常高，达到本干涉测距系统的极限。但如果在没有对光路进行调整的条件下改变AOM的移频频率，以模拟不断变化的多普勒频移和外差干涉频率，在实验结果上就会出现这种频率改变越大，整个系统测距噪声越大的结果。这在低测距精度的要求下或者移频频率改变不大的情况下还是可以容忍的，但在本高精度测距实验下则是不可容忍的。

在设计的可变频差双路光源部分的光路结构中，将第一个声光移频器固定它的移频频率为最小值(或最大值)，比如70MHz，因此其对应的光纤耦合在调好后不再干预。然后将第二个声光移频器(AOM2)接入一个反射镜组来实时修正光束指向，使得光束可以在第二个声光移频器出射光角度不断变化的情况下一直准确地射入光纤耦合器中。这个反射镜组由一个固定反射镜和一个加在电动位移台上的电控高精度旋转反射镜构成。当第二个声光移频器的移频频率变化后，出射光角度会略有变化，导致光纤耦合效率变差，为了重新对准光纤，控制电动位移台进行轻微移动，同时控制电控旋转反射镜轻微旋转，就可以抵消掉移频频率变化的造成的负面影响。具体而言，假设声光移频器的移频频率变化了1MHz，出射光角度有变化量级约在0.5mrad级，这样就要求电控位移台的精度是10nm级，电控旋转反射镜的控制精度是0.1mrad级，同时不要求系统是快速反应，而且旋转反射镜、位移台总的变化范围非常小，因此这样的控制精度与要求是工程上能够实现的。并且为了给予上述控制端有效的反馈信号，还必须在第二路光源的光纤输出端接入光纤耦合功率监测，光纤二接入对应的准直器射出的激光由一个分光镜分出一小部分进入探测器来做光纤耦合功率监测。这个数据作为控制旋转镜、位移台的输入数据，数据进入一台计算机后经过计算处理后得到控制参数结果输出到控制旋转镜、位移台的驱动控制端，直到完成光束的重新校准为止。

另外为了消除电控反射镜的实时干扰，在角度重新校准完毕，即达到一定的阈值后就应该关闭本系统，这样两个反射镜就全部固定了，影响测距的就只是固定支架的机械振动噪声，其他的附加干扰来自于本系统多加的一个分光镜，但只要充分稳定分光镜的温度，那么由分光镜产生的进入到最终测量端的噪声还是很小的，仍然可以达到皮米级。

以上所述仅为本发明的优选实例，并不用于限制本发明，对于本领域内的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自适应调整光路的可变频差激光干涉测距装置，其特征在于：包括可变频差双路光源系统，用于提供可变频差的两束高稳频高稳定性的激光并将激光经光纤引入干涉仪系统；

干涉仪系统，用于实现两束可变频差激光的外差干涉，此外差干涉会受到测量端平移系统位移变化的直接影响，外差干涉的光学结果转化成外差干涉电信号后传输给相位计；

测量端平移系统，与干涉仪系统连接，用于模拟由引力波或重力场变化引起的卫星的微小位移振荡；

相位计，接收干涉仪系统的外差干涉电信号结果，对其进行相位鉴别反演出位移信息，结果传输给数据处理与分析系统；

数据处理与分析系统，接收相位计输出的含有系统噪声的数据，在全部数据中提取出测量端平移系统的位移变化信息并做噪声功率谱的分析，评价系统测距精度与性能；

自适应光路调整系统，包含控制端部分和测量端部分，其中控制端嵌入在可变频差双路光源系统中，测量端部分嵌入于干涉仪系统中，两部分联合起来实时纠正两束激光频差变化导致的微小光路偏移；

所述可变频差双路光源系统包括沿光轴方向依次设置的：

高稳频激光器，用于产生高稳激光光源；

半波片，用于进一步将轻微的椭圆偏振转化为更好的线性偏振；

光隔离器，用于防止后面光路中返回的激光反射回激光器从而影响或损坏激光器；

分光镜一，较小的反射光束打向探测器作为光源功率监测，较大的透射光束射入分光镜二；

探测器，在上述分光镜一的上方，检测激光光源功率；

分光镜二，接收分光镜一透射的光束并将此光束平均分为两路，每路各射入一个声光移频器；其中第一路光束通向：第一声光移频器，使经过的激光发生声光相互作用后产生一定的频移；第一光纤耦合器，使空间光经过透镜的光束变换后顺利进入光纤一，最终组成第一路固定光频率大小的激光光源；

第二路光通向：第二声光移频器，使经过的激光发生声光相互作用后产生一定的频移，但移频频率与第一移频器的频率不同，可通过手动或用驱动器编程实时调节；反射镜，使光束转向，并射向电控反射镜；电控二维位移台，用于装载电控反射镜，控制其平面两个自由度的位移；电控反射镜，用于实时控制与改变射出的光束方向，使其顺利入射光纤耦合器；第二光纤耦合器，使空间光经过透镜的光束变换后顺利进入光纤二，最终组成第二路可实时调节光频率大小的激光光源；

所述干涉仪系统包括：

超稳光学平台，用于放置干涉仪系统的光学部分，隔绝机械噪声，减少温度噪声；

参考端外差干涉光学系统及光电转换部分，产生参考端外差干涉并把位移参考信号传递给相位计；

位移测量端外差干涉光学系统及光电转换部分，产生测量端外差干涉并把位移测量信号传递给相位计；

所述自适应光路调整系统包括控制端部分与测量端部分；

所述控制端部分包括嵌入于可变频差双路光源系统第二路光源沿光轴方向依次设置的：

反射镜，接收来自第二声光移频器的移频出射光，调整此光束方向使其射向电控高精度旋转反射镜；

电控高精度旋转反射镜，接收上述反射镜反射的光束并将光束再次反射进光纤耦合器中，其旋转角度受计算机控制；

电动位移台，支撑电控高精度旋转反射镜，位移大小受计算机控制；

计算机，与电控高精度旋转反射镜、电动位移台连接，输出电动位移台与电控高精度旋转反射镜的控制信号，接收测量端部分的输入信号；计算机的计算分为粗略调节和精细调节两部分；其中粗略调节的方法是电动位移台的二维位移值每一维度均与频差值的大小成正比，反射镜的旋转量也与频差值的大小成正比，精细调节部分以测量端的输出结果作为实时反馈并采用最速下降极值算法来搜索并稳定于最佳的控制值；

所述测量端部分包括嵌入于干涉仪系统中沿光轴方向依次设置的：

分光镜，在真空腔内的干涉仪系统中，接收由第二路光源出射的光束，透射光射入干涉仪系统，反射光射入光功率探测器；

光功率探测器，接收分光镜分出的光，测量其功率，用于检验光纤耦合器是否正确耦合，并将功率监测值传输给计算机。

2.如权利要求1所述的一种自适应调整光路的可变频差激光干涉测距装置，其特征在于：所述测量端平移系统包括压电陶瓷位移平台、反射镜。

3.如权利要求1所述的一种自适应调整光路的可变频差激光干涉测距装置，其特征在于：所述数据处理与分析系统包括计算机与相关数据处理算法。