CN114812445A - 一种基于双腔fp干涉仪的平面偏转角度测量装置及方法 - Google Patents

一种基于双腔fp干涉仪的平面偏转角度测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置及方法，涉及光电子技术领域。激光器1与激光器2出射的激光分别经光纤环形器5和光纤环形器6传输至双腔FP干涉仪中，双光纤结构8的端面与待测平面9构成FP干涉腔，经二者反射的激光与双光纤的端面端反光发生干涉，两束干涉光分别经光纤环形器5和光纤环形器6传输至光电探测器3和光电探测器4，电探测器3和光电探测器4将光信号由此转化为电信号。通过本发明实施例提供的平面偏转角度测量装置，可以进行非接触式测量，保证了待测表面不受损伤，通过示意双腔FP可以进行高精度、低成本、高效率的测量平面偏转角度。

Description

一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置及方法。
背景技术
随着社会的发展，人们对日用、通讯、医疗、科研、制造等现代技术产品的性能提出更高要求，即其构成部件需要具有高稳定性，能够适应不同的温度、湿度、光辐射及压力等环境。而在特殊环境下，材料部件整体面或局部面会发生相对原有面的偏离--偏转角度，为此，对材料的微形变进行测量尤为重要。根据文献调研，测量此偏转角度的技术通常分为激光测距法和机械探针法。
激光测距法综合了光学和电子学，存在测量动态范围小、通用性较差等缺陷。机械探针法以探针式轮廓仪为代表，其原理是利用探针接触作用来呈现被测样品表面点的位置特征，测量效率低，并且可能划伤被测晶圆表面。
因此，如何弥补上述方法的缺陷，满足高精度、低成本、高测量效率等要求，同时降低测量对环境的要求是需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的就在于解决上述背景技术的问题，而提出一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置，所述装置包括激光器1、激光器2、光电探测器3、光电探测器4、光纤环形器5、光纤环形器6、传输光纤7和双光纤结构8；所述装置各器件通过传输光纤7传输光信号；
所述激光器1与所述激光器2出射的激光分别经所述光纤环形器5和所述光纤环形器6传输至双腔FP干涉仪中，所述双光纤结构8的端面与所述待测平面9构成FP干涉腔，经二者反射的激光与双光纤的端面端反光发生干涉，两束干涉光分别经光纤环形器5和光纤环形器6传输至光电探测器3和光电探测器4，电探测器3和光电探测器4将光信号由此转化为电信号。
可选地，双光纤结构8中的两根光纤完全平行，且轴向与径向的位置关系已知，其中轴向位置关系为两光纤端面间距离，径向位置关系最为两光纤纤芯间距；双光纤可以是两根单芯光纤，也可为单根双芯或多芯光纤。
可选地，所述双光纤结构8的光纤端面平行切割，即切割平面与光纤轴向垂直，两个光纤端面与对应的待测平面9形成双FP干涉腔10。
可选地，所述激光器1和所述激光器2为单波长窄线宽激光器。
基于上述任意所述的一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置的平面偏转角度测量方法，包括：
分析两束干涉光的相位差、双FP干涉腔的腔长差，及两个光纤端面间的径向与轴向位置关系，计算待测平面相对传输光束的静态角度或动态偏转角。
可选地，所测的平面偏转角度是待测平面9相对光束方向的静态角度，或者是任何时刻待测平面9偏转的角度及角速度。
可选地，分析两束干涉光的相位差、双FP干涉腔的腔长差，及两个光纤端面间的径向与轴向位置关系，计算待测平面相对传输光束的静态角度或动态偏转角包括：
各干涉仪输出信号为：
Figure BDA0003654963400000031
其中，A1和A2为干涉信号的直流分量，B1和B2为干涉信号的交流分量，φ1和φ2为两个干涉仪的初始相位，λ1和λ2为激光器的输出光波长，n为腔内介质的折射率，L1和L2为两个FP腔腔长，β为两个FP干涉仪的相位差；
通过相位解调技术，可得到待测平面(9)的偏转角：
Figure BDA0003654963400000032
其中，L0为两个FP干涉仪的初始腔长差，当待测平面9与光纤轴向垂直时，L0即为两光纤端面沿光纤轴向距离，S为两光纤端面纤芯间距，θ为光束方向与待测平面9的夹角，由两个干涉仪间的相位差计算出两个FP腔10的腔长差，通过反正切算法得出光束与待测平面8的夹角；记录两个时刻测得的角度，从而得出任意两个时刻待测平面9的偏转角度及角速度；偏转角度及角速度可以表述为
Figure BDA0003654963400000033
其中，
Figure BDA0003654963400000034
为时刻t2和t1测得的角度差，θυ为时刻t2和t1之间的角速度。
可选地，双光纤结构8以其中一根光纤为轴旋转90°，根据上述角度测量方法测出此处的偏转角，双光纤结构8旋转前测出的角度为θx，旋转后测出的角度为θy，根据θx和θy可确定待测平面9的相对于光束轴向的角度，进而得到偏转角度及角速度。
本发明实施例提供了一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置，包括激光器1、激光器2、光电探测器3、光电探测器4、光纤环形器5、光纤环形器6、传输光纤7和双光纤结构8；装置各器件通过传输光纤7传输光信号；激光器1与激光器2出射的激光分别经光纤环形器5和光纤环形器6传输至双腔FP干涉仪中，双光纤结构8的端面与待测平面9构成FP干涉腔，经二者反射的激光与双光纤的端面端反光发生干涉，两束干涉光分别经光纤环形器5和光纤环形器6传输至光电探测器3和光电探测器4，电探测器3和光电探测器4将光信号由此转化为电信号。通过本发明实施例提供的平面偏转角度测量装置，可以进行非接触式测量，保证了待测表面不受损伤，通过示意双腔FP可以进行高精度、低成本、高效率的测量平面偏转角度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例提供了一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的双光纤结构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的待测平面9的立体角测量示意图。
图中：1、激光器；2、激光器；3、光电探测器；4、光电探测器；5、光纤环形器；6、光纤环形器；7、传输光纤；8、双光纤结构；9、待测平面；10、FP干涉腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置。参见图1，图1为本发明实施例提供了一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置的结构示意图。该装置包括激光器1、激光器2、光电探测器3、光电探测器4、光纤环形器5、光纤环形器6、传输光纤7和双光纤结构8；装置各器件通过传输光纤7传输光信号；
激光器1与激光器2出射的激光分别经光纤环形器5和光纤环形器6传输至双腔FP干涉仪中，双光纤结构8的端面与待测平面9构成FP干涉腔，经二者反射的激光与双光纤的端面端反光发生干涉，两束干涉光分别经光纤环形器5和光纤环形器6传输至光电探测器3和光电探测器4，电探测器3和光电探测器4将光信号由此转化为电信号。
在一个实施例中，双光纤结构8中的两根光纤完全平行，且轴向与径向的位置关系已知，其中轴向位置关系为两光纤端面间距离，径向位置关系最为两光纤纤芯间距；双光纤可以是两根单芯光纤，也可为单根双芯或多芯光纤。
在一个实施例中，双光纤结构8的光纤端面平行切割，即切割平面与光纤轴向垂直，两个光纤端面与对应的待测平面9形成双FP干涉腔10。
在一个实施例中，激光器1和激光器2为单波长窄线宽激光器。
在一个实施例中，基于上述实施例中的任意一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置的平面偏转角度测量方法包括：
分析两束干涉光的相位差、双FP干涉腔的腔长差，及两个光纤端面间的径向与轴向位置关系，计算待测平面相对传输光束的静态角度或动态偏转角。
在一个实施例中，所测的平面偏转角度是待测平面9相对光束方向的静态角度，或者是任何时刻待测平面9偏转的角度及角速度。
在一个实施例中，参见图2，图2为本发明实施例提供的双光纤结构的结构示意图，分析两束干涉光的相位差、双FP干涉腔的腔长差，及两个光纤端面间的径向与轴向位置关系，计算待测平面相对传输光束的静态角度或动态偏转角包括：
各干涉仪输出信号为：
Figure BDA0003654963400000061
其中，A1和A2为干涉信号的直流分量，B1和B2为干涉信号的交流分量，φ1和φ2为两个干涉仪的初始相位，λ1和λ2为激光器的输出光波长，n为腔内介质的折射率，L1和L2为两个FP腔腔长，β为两个FP干涉仪的相位差；
通过相位解调技术，可得到待测平面9的偏转角：
Figure BDA0003654963400000062
其中，L0为两个FP干涉仪的初始腔长差，当待测平面9与光纤轴向垂直时，L0即为两光纤端面沿光纤轴向距离，S为两光纤端面纤芯间距，θ为光束方向与待测平面9的夹角，由两个干涉仪间的相位差计算出两个FP腔10的腔长差，通过反正切算法得出光束与待测平面8的夹角；记录两个时刻测得的角度，从而得出任意两个时刻待测平面9的偏转角度及角速度；偏转角度及角速度可以表述为：
Figure BDA0003654963400000071
其中，
Figure BDA0003654963400000072
为时刻t2和t1测得的角度差，θυ为时刻t2和t1之间的角速度。
在一个实施例中，参见图3，图3为本发明实施例提供的待测平面9的立体角测量示意图。
双光纤结构8以其中一根光纤为轴旋转90°，根据上述角度测量方法测出此处的偏转角，双光纤结构8旋转前测出的角度为θx，旋转后测出的角度为θy，根据θx和θy可确定待测平面9的相对于光束轴向的角度，进而得到偏转角度及角速度。
一种实现方式中，通过旋转双光纤结构进行正交方向测量，可以测量待测平面的立体角度。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置，其特征在于，所述装置包括激光器(1)、激光器(2)、光电探测器(3)、光电探测器(4)、光纤环形器(5)、光纤环形器(6)、传输光纤(7)和双光纤结构(8)；所述装置各器件通过传输光纤(7)传输光信号；
所述激光器(1)与所述激光器(2)出射的激光分别经所述光纤环形器(5)和所述光纤环形器(6)传输至双腔FP干涉仪中，所述双光纤结构(8)的端面与所述待测平面(9)构成FP干涉腔，经二者反射的激光与双光纤的端面端反光发生干涉，两束干涉光分别经光纤环形器(5)和光纤环形器(6)传输至光电探测器(3)和光电探测器(4)，电探测器(3)和光电探测器(4)将光信号由此转化为电信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置，其特征在于，双光纤结构(8)中的两根光纤完全平行，且轴向与径向的位置关系已知，其中轴向位置关系为两光纤端面间距离，径向位置关系最为两光纤纤芯间距；双光纤可以是两根单芯光纤，也可为单根双芯或多芯光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置，其特征在于，所述双光纤结构(8)的光纤端面平行切割，即切割平面与光纤轴向垂直，两个光纤端面与对应的待测平面(9)形成双FP干涉腔(10)。
4.根据权利要求1所述的一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置，其特征在于，所述激光器(1)和所述激光器(2)为单波长窄线宽激光器。
5.根据权利要求1-4任意所述的一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置的平面偏转角度测量方法，其特征在于，包括：
分析两束干涉光的相位差、双FP干涉腔的腔长差，及两个光纤端面间的径向与轴向位置关系，计算待测平面相对传输光束的静态角度或动态偏转角。
6.根据权利要求5所述的一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置的平面偏转角度测量方法，其特征在于，所测的平面偏转角度是待测平面(9)相对光束方向的静态角度，或者是任何时刻待测平面(9)偏转的角度及角速度。
7.根据权利要求6所述的一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置的平面偏转角度测量方法，其特征在于，分析两束干涉光的相位差、双FP干涉腔的腔长差，及两个光纤端面间的径向与轴向位置关系，计算待测平面相对传输光束的静态角度或动态偏转角包括：
各干涉仪输出信号为：
Figure FDA0003654963390000021
其中，A1和A2为干涉信号的直流分量，B1和B2为干涉信号的交流分量，φ1和φ2为两个干涉仪的初始相位，λ1和λ2为激光器的输出光波长，n为腔内介质的折射率，L1和L2为两个FP腔腔长，β为两个FP干涉仪的相位差；
通过相位解调技术，可得到待测平面(9)的偏转角：
Figure FDA0003654963390000022
其中，L0为两个FP干涉仪的初始腔长差，当待测平面(9)与光纤轴向垂直时，L0即为两光纤端面沿光纤轴向距离，S为两光纤端面纤芯间距，θ为光束方向与待测平面(9)的夹角，由两个干涉仪间的相位差计算出两个FP腔(10)的腔长差，通过反正切算法得出光束与待测平面(8)的夹角；记录两个时刻测得的角度，从而得出任意两个时刻待测平面(9)的偏转角度及角速度；偏转角度及角速度可以表述为
Figure FDA0003654963390000031
其中，
Figure FDA0003654963390000032
为时刻t2和t1测得的角度差，θυ为时刻t2和t1之间的角速度。
8.根据权利要求7所述的一种基于双腔FP干涉仪的平面偏转角度测量装置的平面偏转角度测量方法，其特征在于，双光纤结构(8)以其中一根光纤为轴旋转90°，根据上述角度测量方法测出此处的偏转角，双光纤结构(8)旋转前测出的角度为θx，旋转后测出的角度为θy，根据θx和θy可确定待测平面(9)的相对于光束轴向的角度，进而得到偏转角度及角速度。
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