CN1122836C - 物体振动振幅的亚纳米分辨率相位共轭干涉测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种物体振动振幅的亚纳米分辨率相位共轭干涉测量装置，包括沿光源发射光束的前进方向上，依次置有第一透镜、第二透镜、分束器、偏振分束器、偏振变换器至被测物体。由被测物体第一次反射的带有斑纹噪音的光束经偏振分束器反射后，由第四透镜会聚至光折变晶体。光折变晶体产生的相位共轭光由偏振分束器反射到被测物体，被测物体反射的相位共轭光不再带有斑纹噪音。因此，无论是表面光滑或粗糙的被测物体，其振动振幅均可以亚纳米分辨率地检测。
Description
技术领域
本发明涉及到物体振动振幅的亚纳米(10-10米至10-12米)分辨率相位共轭干涉测量装置，特别是此装置不仅适用于表面光滑的被测物体，而且适用于表面粗糙的被测物体。
背景技术
在先技术中，作为一种有效的非接触性精密测量装置，激光干涉仪已得到了广泛的应用。使用传统的零差或高精度的外差干涉测量装置进行测量时，为了得到高信噪比的干涉信号，被测物体的表面为接近镜面的光滑面是必要的。然而多数被测物体的表面是粗糙的。从这样的表面反射的光含大量斑纹噪音，这给高精度测量造成困难。比如日本新泻(Niigata)大学的铃木孝昌(Takamasa Suzuki)先生提出的用来测量振动的干涉仪，(参见在先技术：Takamasa Suzuki，Takao Okada，OsamiSasaki，and Takeo Maruyama，“Real-time vibration measurement using a feedback typeof laser diode interferometer with an optical fiber，”Opt.Eng.，1997，36(9)，2496-2502.)如果其中的被测物体为粗糙表面的物体，则无法实现振动振幅的高质量测量。另外，此干涉仪的振动振幅测量精度最好的情况下也仅为40纳米(4×10-8米)。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述在先技术中的不足，提供一种测量物体振动振幅的测量装置，它将利用相位共轭光的相位补偿特性，结合正弦相位调制技术，实现亚纳米(10-10米至10-12米)精度地测量物体振动振幅，而且被测物体的表面无论是光滑的或粗糙的均可测量。
本发明的技术解决方案如下：
本发明的物体振动振幅的亚纳米分辨率相位共轭干涉测量装置，其结构如图1所示。它包括光源1，沿着光源1发射的线偏振光束G0的前进方向上与光源1同光轴O-O地依次置有第一透镜2，第二透镜3和分束器5。光束G0经分束器5分成透射光束Gt1和反射光束Gf1，在透射光束Gt1前进的光路上依次置有偏振分束器8、偏振变换器11和被测物体12。在分束器5相对光源1的反射面上的反射光束Gf1的光路上置有参考衰减反射器4。在分束器5相对被测物体12的反射光的反射光束Gf2的光路上置有第三透镜6和光电接收元件7。光电接收元件7输出的电信号通过放大器13和数据采集卡14输入计算机15。在偏振分束器8相对被测物体12反射面与光源1光轴O-O垂直的反射方向上置有第四透镜9。在第四透镜9的焦点处置有光折变晶体10。也就是说由被测物体12反射后透过偏振变换器11的偏振光束Gp2的偏振方向与第一次透过偏振变换器11前的光束Gp1的偏振方向垂直。偏振光束Gp2由偏振分束器8反射后经第四透镜9会聚至光折变晶体10上。由光折变晶体10产生的相位共轭光经第四透镜9准直后被偏振分束器8反射，再透过偏振变换器11后第二次照射到被测物体12上，由被测物体12反射回来的相位共轭光经偏振变换器11后，偏振方向与第一次入射被测物体12前的光束Gp1偏振方向相同。此光束透过偏振分束器8后返回至分束器5，再由分束器5反射经第三透镜6会聚至光电接收元件7上。
上面所说的光源1是指在本发明的测量装置中可以使光折变晶体10产生相位共轭光的、具有某一特定波长的激光光源，是气体激光器，或者是半导体激光器，或者是固体激光器等。
所说的参考衰减反射器4是光束反射元件，其反射率满足在测量时与分束器5配合后，光电接收元件7接收到的物体光和参考光的光强比接近于1∶1。所以参考衰减反射器是由一两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板401与衰减片404构成，如图2所示。或者是由一两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板401和两个起偏器402、403构成，如图1所示。或者是仅由一块两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板构成。
所说的分束器5是指能够将入射光按一定的分束比分成两束光的元件，是分光棱镜，或者是两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板等。
所说的光电接收元件7是光电二极管，或者是光电池等光电转换器件。
所说的偏振分束器8是能够将偏振方向相互垂直的两束光分开，也就是说，在本发明中，如图1所示，让偏振方向为A的光束透过，让偏振方向与A垂直的另一束光被反射。是偏振分光棱镜，或者是偏振平行平板等。
所说的光折变晶体10是指光源1发射的光束经过上述各光学元件照射到该光折变晶体10上后，能够产生自抽运相位共轭光的光折变晶体，是钛酸钡(BaTiO3)晶体，或者是钾钠铌酸锶钡(KNSBN)晶体，或者是铌酸锶钡晶体等。
所说的偏振变换器11是指一束偏振光通过它，由被测物体12反射，返回再次通过它后偏振方向改变90度的光学元件，是法拉第旋转器，或者是四分之一波片等。
如图1所示的结构，当光源1发出的偏振方向为A的线偏振光G0由第一透镜2和第二透镜3扩束后，透过分束器5的光束Gt1，经过偏振分束器8和偏振变换器11照射到被测物体12上。被测物体12反射的含有大量斑纹噪音的光束透过偏振变换器11后，其偏振方向变为B的偏振光束Gp2的偏振方向与偏振方向A垂直。偏振光束Gp2经偏振分束器8反射后，由第四透镜9会聚至光折变晶体10。由光折变晶体10产生的相位共轭光经第四透镜9准直，由偏振分束器8反射，再透过偏振变换器11后照射到被测物体12，由于相位共轭光具有相位补偿特性，因此第二次由被测物体12反射的相位共轭光不再含有斑纹噪音。同时，此相位共轭光透过偏振变换器11后偏振方向重新变为A，此光束透过偏振分束器8后由分束器5反射，然后由第三透镜6会聚至光电接收元件7上，这束光称为物体光。由光源1发出的线偏振光束G0经分束器5反射后的反射光束Gf1照射到参考衰减反射器4上。参考衰减反射器4的反射光束再透过分束器5后，由第三透镜6会聚至光电接收元件7，由参考衰减反射器4反射的光束称为参考光。参考光和物体光相干涉。由光电接收元件7接收后输出的电信号由放大器13放大后，数据采集卡14将放大器13输出的模拟电信号转换为数字信号后存储在计算机15中以进行数据处理。
光电接收元件7检测到的干涉信号
I(t)＝I0(t)+S0(t)cos[zcos(ωct+θ)+α0+α(t)]， (1)其中，I0(t)与S0(t)分别为干涉信号直流分量与交流分量的振幅，α0为被测物体12静止时干涉信号的相位。α(t)为被测物体12振动引入的相位变化。ωc为正弦相位调制的频率，t为时间，θ为调制信号的初始相位。干涉信号相位调制的振幅z＝4πa/λ0，其中a为待测振动振幅，λ0为光源1的中心波长。对式(1)进行傅立叶变换求得z值。被测物体12的振动振幅
a＝λ0z/4π。 (2)z的测量精度达到0.01rad是较容易实现的。若采用波长为514nm的氩离子激光器，振幅的测量精度为0.4nm。若z的测量精度提高到0.001rad，则振幅的测量精度提高到0.04nm(4×10-11米)。
本发明的优点是：
1.由于本发明的测量装置中含有光折变晶体10，产生具有相位补偿特性的相位共轭光，能够消除被测物体12带来的斑纹噪音。因此本发明的测量装置对无论是表面光滑的或粗糙的被测物体12均适用，大大扩大了测量对象的范围。使被测物体12的表面由接近镜面的光滑面扩大到不锈钢、铝板等一般的比较粗糙的表面。
2.由于本发明的测量装置中含有光折变晶体10，产生具有相位补偿特性的相位共轭光，能够消除被测物体12带来的斑纹噪音。即使被测表面是粗糙表面，其测量的分辨率仍可达到亚纳米。因此，测量精度高。即使被测表面是粗糙表面，测量精度仍可达到亚纳米量级。
3.本发明的测量装置结构简单、紧凑、合理。
附图说明
图1为本发明的物体振动振幅的亚纳米分辨率相位共轭干涉测量装置的示意图。
图2为本发明的测量装置中参考衰减反射器4的结构是由两面分别镀有析光膜和增透膜的平行平板401与衰减片404构成的测量装置示意图。
具体实施方式：
如图2所示的结构。其中光源1为波长514nm的氩离子气体激光器，分束器5是一面镀析光膜、另一面镀增透膜的平行平板。光电接受元件7为光电二极管。偏振分束器8是偏振分光棱镜。参考衰减反射器4由两面分别镀有析光膜和增透膜的平行平板401与衰减片404构成。偏振变换器11是法拉第旋转器。光折变晶体10是钛酸钡(BaTiO3)晶体。被测物体12为具有粗糙表面的铝板。测得该铝板的振动振幅为130nm，测量精度为0.5nm，分辨率小于5×10-10米。
Claims (6)
1.一种物体振动振幅的亚纳米分辨率相位共轭干涉测量装置，包括：光源(1)，沿光源(1)发射的线偏振光束(G0)前进方向上，与光源(1)同光轴(O-O)地依次置有第一透镜(2)、第二透镜(3)和分束器(5)；在分束器(5)透射光束(Gt1)的光路上置有偏振变换器(11)和被测物体(12)；在分束器(5)相对光源(1)的反射面上的反射光束(Gf1)光路上置有参考衰减反射器(4)；在分束器(5)相对被测物体(12)的反射面上的反射光束(Gf2)的光路上置有第三透镜(6)和光电接收元件(7)；光电接收元件(7)输出的电信号通过放大器(13)和数据采集卡(14)输入计算机(15)；其特征在于：分束器(5)和偏振变换器(11)之间同光轴(O-O)地置有偏振分束器(8)；在偏振分束器(8)相对被测物体(12)反射面与光源(1)光轴(O-O)垂直的反射方向上置有第四透镜(9)；该第四透镜(9)的焦点处置有光折变晶体(10)。
2.根据权利要求1所述的物体振动振幅的亚纳米分辨率相位共轭干涉测量装置，其特征在于所说的光源(1)是气体激光器，或者是半导体激光器，或者是固体激光器。
3.根据权利要求1所述的物体振动振幅的亚纳米分辨率相位共轭干涉测量装置，其特征在于所说的光折变晶体(10)是钛酸钡晶体，或者是钾钠铌酸锶钡晶体，或者是铌酸锶钡晶体。
4.根据权利要求1所述的物体振动振幅的亚纳米分辨率相位共轭干涉测量装置，其特征在于所说的参考衰减反射器(4)是由一两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板(401)与衰减片(404)构成、或者是由一两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板(401)和两个起偏器(402，403)构成，或者是由一块两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板构成。
5.根据权利要求1所述的物体振动振幅的亚纳米分辨率相位共轭干涉测量装置，其特征在于所说的偏振分束器(8)是偏振分光棱镜，或者是偏振平行平板。
6.根据权利要求1所述的物体振动振幅的亚纳米分辨率相位共轭干涉测量装置，其特征在于所说的偏振变换器(11)是法拉第旋转器，或者是四分之一波片。
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