CN114459618A - 用于测量激光的斐索干涉波长计、光学设备 - Google Patents

用于测量激光的斐索干涉波长计、光学设备 Download PDF

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CN114459618A CN202111504640.2A CN202111504640A CN114459618A CN 114459618 A CN114459618 A CN 114459618A CN 202111504640 A CN202111504640 A CN 202111504640A CN 114459618 A CN114459618 A CN 114459618A
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刘艺璇
徐斌豪
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Abstract

本发明涉及激光的测量和光学检测领域。用于测量激光的斐索干涉波长计，平行光束中的一部分光经过由平板后经过第一楔板结构形成密干涉条纹图像；平行光束中的另一部分光经过由平板后经过第二楔板结构形成疏干涉条纹图像；密干涉条纹图像、疏干涉条纹图像经过成像物镜成像在图像摄取装置上，分析装置对密干涉条纹图像数据、疏干涉条纹图像数据，进行分析获得入射激光的波长。光学设备，利用所述的用于测量激光的斐索干涉波长计测量激光源，并根据测量结果校准激光源。本发明提高波长测试精度、系统内部无运动部件、结构牢固可靠，稳定性好。

Description

用于测量激光的斐索干涉波长计、光学设备
技术领域
本发明涉及激光的测量和光学检测领域，特别是用于测量激光的斐索干涉波长计、光学设备。
背景技术
激光因其优异的特性，在各个领域大放异彩。
激光波长计可以测量激光的波长，可以检验校验激光源，是激光工业的基础，影响包括但不限于国防、军工、工业、高精尖工业、科技研究、环保、食品安全、生物医学、医疗、精准测量、检测分析；具有重要的应用价值和战略价值。
激光波长测量大多都基于干涉原理,目前典型的商品化波长计有迈克尔逊干涉型、斐索干涉型和F-Р干涉型等，其中斐索干涉型波长计相比于迈克尔逊干涉波长计，内部无运动部件，稳定性更好，耐用。
斐索干涉型波长计由于稳定性好、耐用，是全世界范围内使用广泛的波长计，由于知识产权和工业实力的原因，全世界的斐索干涉型波长计一直被美国企业所垄断；且对中国禁运，对中国的激光行业发展速度造成了负面影响。
传统的斐索干涉型波长计采用双平板斐索干涉模块，只有一个楔，该型波长计可以测量激光波长，由于双平板只能构成单个楔角的原因，在计算干涉信号空间频率和初始相位时，空间频率精度提高和干涉信号初始相位精度提高之间存在矛盾，无法同时提升，影响波长计算精度，需要改进。
发明内容
本发明的目的在于提供用于测量激光的斐索干涉波长计，根据斐索干涉原理，采用双契板组件斐索干涉模块，解决空间频率精度提高与干涉信号初始相位精度提高之间的矛盾，提高波长测试精度；系统内部无运动部件，结构牢固可靠，稳定性好。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
用于测量激光的斐索干涉波长计，用于测量待测激光的波长，优秀之处在于：包括由沿光轴依序设置有准直物镜、干涉模块、成像物镜、图像摄取装置和分析装置相连；其中干涉模块由平板和楔板组件组成；
楔板组件具有第一楔板结构和第二楔板结构；第一楔板结构与平板之间具有第一楔角；第二楔板结构与平板之间具有第二楔角；
第一楔角的角度大于第二楔角的角度；
第一楔板结构具有首端和尾端，第一楔板结构的首端到平板的距离小于第一楔板结构的尾端到平板的距离；
第二楔板结构具有首端和尾端，第二楔板结构的首端到平板的距离小于第二楔板结构的尾端到平板的距离；
第一楔板结构的尾端到平板的距离等于第二楔板结构的首端到平板的距离；
待测激光经过准直物镜后形成平行光束；
平行光束中的一部分光经过由平板后经过第一楔板结构形成密干涉条纹图像；
平行光束中的一部分光经过由平板后经过第二楔板结构形成疏干涉条纹图像；
密干涉条纹图像、疏干涉条纹图像经过成像物镜成像在图像摄取装置上，分析装 置从图像摄取装置获得密干涉条纹图像数据、疏干涉条纹图像数据；分析装置对密干涉条 纹图像数据、疏干涉条纹图像数据，进行‘分析操作’获得入射激光的波长
Figure 71316DEST_PATH_IMAGE001
。
进一步的：第一楔板结构的尾端与第二楔板结构的首端相接。
进一步的：待测激光信号发出的光束经过入射光纤导入。
进一步的：入射光纤的光纤头在准直物镜的前焦点位置发出，在准直物镜后形成平行光束。
进一步的：干涉模块与图像摄取装置的靶面关于成像物镜共轭。
进一步的：图像摄取装置为面阵相机。
进一步的：分析装置为计算机或以单片机、FPGA等具有通用运算能力的芯片为核心的分析电路。
进一步的：分析装置（6）进行‘分析获得入射激光的波长
Figure 535926DEST_PATH_IMAGE001
’的步骤具体如下：
步骤A1、依据密干涉条纹图像数据获得密干涉条纹的空间频率、条纹间距
Figure 643560DEST_PATH_IMAGE002
和条纹 数量
Figure 615933DEST_PATH_IMAGE003
，依据空间频率
Figure 227043DEST_PATH_IMAGE004
和条纹间距
Figure 596975DEST_PATH_IMAGE005
获得干涉信号初始相位
Figure 926325DEST_PATH_IMAGE006
；以疏干涉条纹图像数据的 ‘与第二楔板结构（322）的首端相对应的外缘位置’作为坐标零点，以垂直于条纹的走向作 为横轴，获取疏干涉条纹图像数据中第一个亮度峰值对应的横坐标作为第一宽度
Figure 171231DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤A2、依据第二楔板结构（322）的首端到平板（31）的距离
Figure 636847DEST_PATH_IMAGE008
、空间频率
Figure 426949DEST_PATH_IMAGE004
、初始 相位
Figure 728748DEST_PATH_IMAGE006
、第一宽度
Figure 528077DEST_PATH_IMAGE007
运算入射激光的波长
Figure 357187DEST_PATH_IMAGE001
。
更进一步的：运算入射激光的波长
Figure 583769DEST_PATH_IMAGE009
的计算方法中：入射激光的波长
Figure 638444DEST_PATH_IMAGE009
、第二楔板 结构（322）的首端到平板（31）的距离
Figure 710305DEST_PATH_IMAGE008
、条纹数量
Figure 150514DEST_PATH_IMAGE003
、空间频率
Figure 797265DEST_PATH_IMAGE004
、初始相位
Figure 322924DEST_PATH_IMAGE006
、第一宽度
Figure 11525DEST_PATH_IMAGE007
， 它们的关系如以下公式1所示：
公式1:
Figure 555508DEST_PATH_IMAGE010
更进一步的：‘依据密干涉条纹图像数据获得空间频率
Figure 389472DEST_PATH_IMAGE004
和条纹间距
Figure 136848DEST_PATH_IMAGE011
，依据空间 频率
Figure 301244DEST_PATH_IMAGE004
和条纹间距
Figure 450466DEST_PATH_IMAGE011
获得干涉信号初始相位
Figure 189752DEST_PATH_IMAGE006
；’的数据处理步骤具体如下：
以垂直于条纹的走向作为横轴，以密干涉条纹图像的最外缘作为零点；
步骤B1、对密干涉条纹进行峰值搜索，统计光强度峰值点的数量，光强度峰值点的 数量即为条纹数量
Figure 673692DEST_PATH_IMAGE003
，将所有光强度峰值点的横坐标组成一个数列
Figure 625467DEST_PATH_IMAGE012
，数列
Figure 894774DEST_PATH_IMAGE013
的成员的数量 等于条纹数量
Figure 290115DEST_PATH_IMAGE003
；则该数列
Figure 746504DEST_PATH_IMAGE014
与空间频率
Figure 501970DEST_PATH_IMAGE004
、条纹间距
Figure 94626DEST_PATH_IMAGE011
的关系如公式2所示：
公式2:
Figure 430841DEST_PATH_IMAGE015
步骤B2、利用最小二乘法拟合获得空间频率
Figure 640106DEST_PATH_IMAGE004
的值和条纹间距
Figure 199263DEST_PATH_IMAGE011
的值；
步骤B3、运算出初始相位
Figure 662736DEST_PATH_IMAGE006
、条纹间距
Figure 649147DEST_PATH_IMAGE011
的关系，如运算公式3所示：
公式3：
Figure 80128DEST_PATH_IMAGE016
结束。
更进一步的：其中所有运算均利用预先设置好的程序调用电路实现。
进一步的：第一楔板结构和第二楔板结构各自位于单独的光学器件上。
进一步的：第一楔板结构和第二楔板结构位于同一个光学器件上。
光学设备，具有激光校准装置，利用所述的用于测量激光的斐索干涉波长计测量激光源，利用测量结果校准激光源。
拉曼光谱仪，具有激光校准装置，利用所述的用于测量激光的斐索干涉波长计测量激光源，并根据测量结果调整和控制激光源。
本发明的有益效果是：
（一）、与现有技术相比，本发明用于测量激光的斐索干涉波长计采用具有两个楔角的干涉模块，利用疏密两种条纹，分开求解初始相位计算所需的参数。提高了空间频率的计算精度，同时也提高了计算速度，使得将空间频率计算与干涉信号初始相位的计算的耦合程度降低；解决空间频率精度提高与干涉信号初始相位精度提高之间的矛盾，提高波长测试精度。
（二）、系统内部无运动部件，结构牢固可靠，稳定性好。
（三）、突破了美国的垄断，利于国家发展。
（四）、本发明提供了提高波长测试精度的技术构思不同的技术方案。
综上所述，本发明提高波长测试精度、系统内部无运动部件、结构牢固可靠，稳定性好、提供了新的技术方案。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例1的干涉模块3的结构示意图；图2中X1为平板31的平面，X2为与X1平行的平面，X3为与X2平行的平面。
图3为实施例1的干涉模块3的结构示意图。
图4为实施例1的干涉条纹图像的示意图，其中U密干涉条纹图像M、疏干涉条纹图像S的分界线。
图5为实施例1的干涉条纹图像与条纹图像亮度的示意图。
其中：1-入射光纤；2-准直物镜；3-干涉模块：31-平板；32-契板组件；321-第一楔板结构；322-第二楔板结构；4-成像物镜；5-面阵相机；6-控制器；A1-第一契角；A2-第二契角；J-前焦点；U-分界线。
具体实施方式
实施例1、
如图1-5所示，用于测量激光的斐索干涉波长计，用于测量待测激光的波长，优秀之处在于：包括由沿光轴依序设置有准直物镜2、干涉模块3、成像物镜4、图像摄取装置5和分析装置6相连；其中干涉模块由平板31和楔板组件32组成；
楔板组件32具有第一楔板结构321和第二楔板结构322；第一楔板结构321与平板31之间具有第一楔角A1；第二楔板结构322与平板31之间具有第二楔角A2；
第一楔角A1的角度大于第二楔角A2的角度；
第一楔板结构321具有首端和尾端，第一楔板结构321的首端到平板31的距离小于第一楔板结构321的尾端到平板31的距离；
第二楔板结构322具有首端和尾端，第二楔板结构322的首端到平板31的距离小于第二楔板结构322的尾端到平板31的距离；
第一楔板结构321的尾端到平板31的距离等于第二楔板结构322的首端到平板31的距离；
待测激光经过准直物镜2后形成平行光束；
平行光束中的一部分光经过由平板后经过第一楔板结构321形成密干涉条纹图像M；
平行光束中的一部分光经过由平板后经过第二楔板结构322形成疏干涉条纹图像S；
密干涉条纹图像M、疏干涉条纹图像S经过成像物镜4成像在图像摄取装置上，分析 装置6从图像摄取装置5获得密干涉条纹图像数据、疏干涉条纹图像数据；分析装置6对密干 涉条纹图像数据M、疏干涉条纹图像数据S，进行‘分析操作’获得入射激光的波长
Figure 692244DEST_PATH_IMAGE001
。
第一楔板结构321的尾端与第二楔板结构322的首端相接。
待测激光信号发出的光束经过入射光纤1导入。
入射光纤1的光纤头在准直物镜2的前焦点J位置发出，在准直物镜后形成平行光束。
干涉模块3与图像摄取装置的靶面关于成像物镜共轭。
分析装置（6）进行‘分析获得入射激光的波长
Figure 525071DEST_PATH_IMAGE001
’的步骤具体如下：
步骤A1、依据密干涉条纹图像数据获得密干涉条纹的空间频率、条纹间距
Figure 682383DEST_PATH_IMAGE002
和条纹 数量
Figure 351393DEST_PATH_IMAGE003
，依据空间频率
Figure 252352DEST_PATH_IMAGE004
和条纹间距
Figure 939686DEST_PATH_IMAGE005
获得干涉信号初始相位
Figure 267899DEST_PATH_IMAGE006
；以疏干涉条纹图像数据的 ‘与第二楔板结构（322）的首端相对应的外缘位置’作为坐标零点，以垂直于条纹的走向作 为横轴，获取疏干涉条纹图像数据中第一个亮度峰值对应的横坐标作为第一宽度
Figure 922740DEST_PATH_IMAGE017
；
步骤A2、依据第二楔板结构（322）的首端到平板（31）的距离
Figure 627391DEST_PATH_IMAGE008
、空间频率
Figure 434810DEST_PATH_IMAGE004
、初始 相位
Figure 684657DEST_PATH_IMAGE006
、第一宽度
Figure 577526DEST_PATH_IMAGE007
运算入射激光的波长
Figure 820289DEST_PATH_IMAGE001
。
‘依据密干涉条纹图像数据获得空间频率
Figure 465903DEST_PATH_IMAGE004
和条纹间距
Figure 135918DEST_PATH_IMAGE011
，依据空间频率
Figure 516084DEST_PATH_IMAGE004
和条 纹间距
Figure 296958DEST_PATH_IMAGE011
获得干涉信号初始相位
Figure 564123DEST_PATH_IMAGE006
；’的数据处理步骤具体如下：
以垂直于条纹的走向作为横轴，以密干涉条纹图像的最外缘作为零点；
步骤B1、对密干涉条纹进行峰值搜索，统计光强度峰值点的数量，光强度峰值点的 数量即为条纹数量
Figure 670619DEST_PATH_IMAGE003
，将所有光强度峰值点的横坐标组成一个数列
Figure 272502DEST_PATH_IMAGE012
，数列
Figure 389492DEST_PATH_IMAGE013
的成员的数量 等于条纹数量
Figure 760430DEST_PATH_IMAGE003
；则该数列
Figure 772249DEST_PATH_IMAGE014
与空间频率
Figure 595848DEST_PATH_IMAGE004
、条纹间距
Figure 416DEST_PATH_IMAGE011
的关公式2:
Figure 491440DEST_PATH_IMAGE015
步骤B2、利用最小二乘法拟合获得空间频率
Figure 674160DEST_PATH_IMAGE004
的值和条纹间距
Figure 499902DEST_PATH_IMAGE011
的值；
步骤B3、运算出初始相位
Figure 426270DEST_PATH_IMAGE006
，运算公式3所示：
公式3：
Figure 771800DEST_PATH_IMAGE016
结束。
运算入射激光的波长
Figure 141733DEST_PATH_IMAGE001
的计算方法如以下公式1所示：
公式1:
Figure 939925DEST_PATH_IMAGE010
所有运算均利用预先设置好的程序调用电路实现。
第一楔板结构321和第二楔板结构322位于同一个光学楔板上。
实施例2、
在实施例1的基础上，图像摄取装置5为面阵相机；分析装置6为计算机。
实施例3、
拉曼光谱仪，将实施例所述的用于测量激光的斐索干涉波长计，用于拉曼光谱仪的激光光源的校准。
实施例4、
高精度工件加工用的激光尺，具有用于测量激光的斐索干涉波长计，将实施例所述的用于测量激光的斐索干涉波长计，用于高精度加工使用的高精度测量的激光光源的校准。
其他说明：本发明的中疏、密是为了区分亮线间隔距离不同的两种干涉条纹图像，而拟定的，是两种干涉条纹图像的相对区别，并非模糊词汇。

Claims (9)

1.用于测量激光的斐索干涉波长计，用于测量待测激光的波长，其特征在于：包括由沿光轴依序设置有准直物镜（2）、干涉模块（3）、成像物镜（4）、图像摄取装置（5）和分析装置（6）相连；其中干涉模块由平板（31）和楔板组件（32）组成；
楔板组件（32）具有第一楔板结构（321）和第二楔板结构（322）；第一楔板结构（321）与平板（31）之间具有第一楔角（A1）；第二楔板结构（322）与平板（31）之间具有第二楔角（A2）；
第一楔角（A1）的角度大于第二楔角（A2）的角度；
第一楔板结构（321）具有首端和尾端，第一楔板结构（321）的首端到平板（31）的距离小于第一楔板结构（321）的尾端到平板（31）的距离；
第二楔板结构（322）具有首端和尾端，第二楔板结构（322）的首端到平板（31）的距离小于第二楔板结构（322）的尾端到平板（31）的距离；
第一楔板结构（321）的尾端到平板（31）的距离等于第二楔板结构（322）的首端到平板（31）的距离；
待测激光经过准直物镜（2）后形成平行光束；
平行光束中的一部分光经过由平板后经过第一楔板结构（321）形成密干涉条纹图像（M）；
平行光束中的一部分光经过由平板后经过第二楔板结构（322）形成疏干涉条纹图像（S）；
密干涉条纹图像（M）、疏干涉条纹图像（S）经过成像物镜（4）成像在图像摄取装置上，分析装置（6）从图像摄取装置（5）获得密干涉条纹图像数据、疏干涉条纹图像数据；分析装置（6）对密干涉条纹图像数据（M）、疏干涉条纹图像数据（S），进行分析获得入射激光的波长
Figure RE-855901DEST_PATH_IMAGE001
。
2.如权利要求1所述的用于测量激光的斐索干涉波长计，其特征在于：第一楔板结构（321）的尾端与第二楔板结构（322）的首端相接。
3.如权利要求1或权利要求2所述的用于测量激光的斐索干涉波长计，其特征在于：干涉模块（3）与图像摄取装置的靶面关于成像物镜共轭。
4.如权利要求1所述的用于测量激光的斐索干涉波长计，其特征在于：还包括入射光纤（1），待测激光发出的光束经过入射光纤（1）导入；入射光纤（1）的光纤头在准直物镜（2）的前焦点（J）位置发出，在准直物镜后形成平行光束。
5.如权利要求1所述的用于测量激光的斐索干涉波长计，其特征在于：图像摄取装置（5）为面阵相机。
6.如权利要求1所述的用于测量激光的斐索干涉波长计，其特征在于：分析装置（6）进行‘分析获得入射激光的波长
Figure RE-677227DEST_PATH_IMAGE001
’的步骤具体如下：
步骤A1、依据密干涉条纹图像数据获得密干涉条纹的空间频率、条纹间距
Figure RE-213250DEST_PATH_IMAGE002
和条纹数量
Figure RE-120026DEST_PATH_IMAGE003
，依据空间频率
Figure RE-134119DEST_PATH_IMAGE004
和条纹间距
Figure RE-341109DEST_PATH_IMAGE005
获得干涉信号初始相位
Figure RE-923400DEST_PATH_IMAGE006
；以疏干涉条纹图像数据的‘与第二楔板结构（322）的首端相对应的外缘位置’作为坐标零点，以垂直于条纹的走向作为横轴，获取疏干涉条纹图像数据中第一个亮度峰值对应的横坐标作为第一宽度
Figure RE-943571DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤A2、依据第二楔板结构（322）的首端到平板（31）的距离
Figure RE-636721DEST_PATH_IMAGE008
、空间频率
Figure RE-291693DEST_PATH_IMAGE004
、初始相位
Figure RE-44885DEST_PATH_IMAGE006
、第一宽度
Figure RE-50887DEST_PATH_IMAGE009
运算入射激光的波长
Figure RE-813307DEST_PATH_IMAGE001
。
7.如权利要求6所述的用于测量激光的斐索干涉波长计，其特征在于：运算入射激光的波长
Figure RE-588365DEST_PATH_IMAGE001
的计算方法中：入射激光的波长
Figure RE-246879DEST_PATH_IMAGE001
、第二楔板结构（322）的首端到平板（31）的距离
Figure RE-232853DEST_PATH_IMAGE008
、条纹数量
Figure RE-267806DEST_PATH_IMAGE003
、空间频率
Figure RE-162949DEST_PATH_IMAGE004
、初始相位
Figure RE-992365DEST_PATH_IMAGE006
、第一宽度
Figure RE-972959DEST_PATH_IMAGE007
，它们的关系如以下公式1所示：
公式1:
Figure RE-811602DEST_PATH_IMAGE010
。
8.如权利要求6所述的用于测量激光的斐索干涉波长计，其特征在于：‘依据密干涉条纹图像数据获得空间频率
Figure RE-30094DEST_PATH_IMAGE004
和条纹间距
Figure RE-561570DEST_PATH_IMAGE011
，依据空间频率
Figure RE-62083DEST_PATH_IMAGE004
和条纹间距
Figure RE-969996DEST_PATH_IMAGE011
获得干涉信号初始相位
Figure RE-574153DEST_PATH_IMAGE006
；’的数据处理步骤具体如下：
以垂直于条纹的走向作为横轴，以密干涉条纹图像的最外缘作为零点；
步骤B1、对密干涉条纹进行峰值搜索，统计光强度峰值点的数量，光强度峰值点的数量即为条纹数量
Figure RE-10951DEST_PATH_IMAGE003
，将所有光强度峰值点的横坐标组成一个数列
Figure RE-700558DEST_PATH_IMAGE012
，数列
Figure RE-881004DEST_PATH_IMAGE013
的成员的数量等于条纹数量
Figure RE-480612DEST_PATH_IMAGE003
；则该数列
Figure RE-711480DEST_PATH_IMAGE014
与空间频率
Figure RE-763750DEST_PATH_IMAGE004
、条纹间距
Figure RE-606941DEST_PATH_IMAGE011
的关系如公式2所示：
公式2:
Figure RE-61056DEST_PATH_IMAGE015
步骤B2、利用最小二乘法拟合获得空间频率
Figure RE-964290DEST_PATH_IMAGE004
的值和条纹间距
Figure RE-769435DEST_PATH_IMAGE011
的值；
步骤B3、运算出初始相位
Figure RE-416317DEST_PATH_IMAGE006
、条纹间距
Figure RE-724938DEST_PATH_IMAGE011
的关系，如运算公式3所示：
公式3：
Figure RE-300538DEST_PATH_IMAGE016
结束。
9.光学设备，具有激光校准装置，其特征在于：利用权利要求1所述的用于测量激光的斐索干涉波长计测量激光源，利用测量结果校准激光源。
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