CN115127662A - 基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置及方法，包括：依次设置的超快脉冲激光光源组件、干涉光路组件和信号接收与处理组件，其中：信号接收与处理组件与干涉光路组件相连以调整光路并采集干涉信号，当超快脉冲激光发生干涉时计算得到等效波长。本发明利用连续波激光具有频谱窄、能量集中、频率稳定的特性，对超快脉冲激光的等效波长进行校准，提高超快脉冲激光干涉仪的测量准确性。

Description

基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置及方法

技术领域

本发明涉及一种激光测振和测距领域的技术，具体涉及一种利用具有稳定单一波长的连续波激光，对超快脉冲激光干涉测振系统的等效波长进行校准、测量的装置及方法。

背景技术

激光干涉测振技术为高精度的非接触式测量技术，通常使用具有稳定单一波长的连续波单频激光作为测量工具，通过相位差的变化反映微幅振动，位移与相位差的关系满足测点位移d＝φ·λ/(4π)，其中：φ为相位差，λ为单色光波长。超快脉冲激光干涉为借助超快脉冲激光测量微机械振动的技术，相比于连续波激光，能有效减少电磁干扰和探测器噪声影响，具有高分辨率和测量超高频(高达约10GHz)振动的特性，远远超过连续波激光干涉测振约2.5GHz的测量频率范围。但是由于超快脉冲激光测量的光谱宽而复杂，而且该光谱还会受到发生干涉前光学元件和样品表面的影响，导致更加复杂的波长偏移现象，用于计算测量点位移的波长值难以确定。因此，在实际测振中，一般将脉冲激光光源理想化地视作单色光处理，对应的波长叫等效波长。

现有的超快脉冲干涉测振技术一般使用能量峰值波长作为等效波长，但该峰值波长无法反映宽频谱的作用，如此计算得到的振动位移误差可达到5000ppm，导致其测量精度远远低于单色的连续波激光干涉仪，因此需要对等效波长进行校准，以满足脉冲激光干涉仪在测振应用中的精度要求。

发明内容

本发明针对现有超快脉冲激光干涉系统中，由于超快脉冲激光具有宽频谱特性导致的测量精度低的缺陷，提出一种基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置及方法，利用连续波激光具有频谱窄、能量集中、频率稳定的特性，对超快脉冲激光的等效波长进行校准，提高超快脉冲激光干涉仪的测量准确性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置，包括：依次设置的超快脉冲激光光源组件、干涉光路组件和信号接收与处理组件，其中：信号接收与处理组件与干涉光路组件相连以调整光路并采集干涉信号，当超快脉冲激光发生干涉时计算得到等效波长。

所述的超快脉冲激光光源组件包括：连续激光光源、超快脉冲激光光源、第一反射镜、合束镜、第一半波片和第一偏振片。

所述的干涉光路组件包括：偏振分光镜以及设置于其输出面的三个分支，其中：第一分支包括依次设置的第一四分之一波片、第二反射镜，第二分支包括依次设置的第二四分之一波片、第三反射镜、纳米位移台、压电控制模块，第三分支进一步包括依次设置的分束镜、第五反射镜以及四个子分支，每个子分支各自生成干涉光信号并输出至信号接收与处理组件。

所述的信号接收与处理组件包括：与干涉光路组件的输出端分别连接的四个光电探测器、数据采集模块、压电控制模块和波长计算模块，其中：四路线偏振干涉光通过光电探测器采集光强信号并转换为电压信号，数据采集模块读取并将电压信号转换为数字干涉信号，压电控制模块与干涉光路组件的纳米位移台相连，输出驱动指令并采集运动距离信息，波长计算模块与压电控制模块、数据采集模块相连，并根据运动距离信息和数字干涉信号计算得到激光相位以及等效波长。

所述的光电探测器得到的四路线偏振干涉光，包括：脉冲激光干涉光光信号I₁(τ)、经过相位延迟

的脉冲激光干涉光光信号I₂(τ)、连续波激光干涉光信号I₃(τ)和经过相位延迟

的连续波激光干涉光信号I₄(τ)。

所述的脉冲激光干涉，其参考光和信号光具有可调的光程差2ΔL，两者的时间延迟为τ＝2ΔL/c，其中c为光速。对于具有高斯波形、线形啁啾的典型脉冲激光，其参考光电场表达式为：

信号光电场表达式为：

发生干涉后，光电探测器的信号强度可通过对响应的时间积分得到：

忽略直流偏置信号和系数，则第一光电探测器的信号强度简化为：

第二光电探测器的信号强度简化为：

进而可以得到发生干涉后脉冲激光的相位

所述的连续波激光干涉，其参考光和信号光具有可调的光程差2ΔL，两者的时间延迟为τ＝2ΔL/c，其中c为光速。对于连续波激光，其参考光电场表达式为：E₃(t)＝ε(t)·cos(ω₀t+θ₁)，信号光电场表达式为：E₄(t)＝ε(t-τ)·cos[ω₀(t-τ)+θ₂]。发生干涉后，光电探测器的信号强度可通过对响应时间的积分得到：

忽略直流偏置信号和系数，则第三光电探测器的信号强度简化为：I₃(τ)＝∫ε(t)ε(t-τ)cos[ω₀τ+θ₁-θ₂]dt，第二光电探测器的信号强度简化为：I₄(τ)＝∫ε(t)ε(t-τ)sin[ω₀τ+θ₁-θ₂]dt，进而可以得到发生干涉后连续波激光的相位

若已知连续波激光中心波长λ_c，联系发生干涉后脉冲激光的相位，可通过公式计算出纳米位移台位移距离

最终在计算模块中可求得等效波长

技术效果

本发明创造性地设置连续波激光光路，准确地反映出实际测量中超快脉冲激光的等效波长。利用连续激光具有单一稳定波长的特性，可以准确计算测量点位移值，再对脉冲激光等效波长进行校准，可以准确地获得等效波长。在此基础上，只需要将第二反射镜替换为待测谐振器件，然后调整纳米位移台上的第三反射镜调至光程差零点，使光路满足干涉条件，此时关闭连续波激光器，就可以利用超快脉冲激光直接对超高频谐振器件振动进行测量，大幅提高超快脉冲激光干涉系统的测量准确性。

与传统方法使用能量峰值波长783.67nm作为等效波长，其误差约为5000ppm相比，本方法计算得到不确定性小于等于154ppm，可将振动位移测量的准确性提高30倍以上。

附图说明

图1为本发明中使用连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置的结构示意图与光路图；

图2为本发明中所使用超快脉冲激光光源的频谱图；

图3为本发明中使用连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准方法的流程图；

图4为本发明中实施例1中光电探测器电压信号随时间延迟变化图；

图5为本发明中实施例1中等效波长计算结果图；

图中：1连续激光光源、2超快脉冲激光光源、3第一反射镜、4合束镜、5第一半波片、6第一偏振片、7偏振分光镜、8第一四分之一波片、9第二反射镜、10第二四分之一波片、11第三反射镜、12纳米位移台、13分束镜、14第一非偏振分光镜、15第二偏振片、16第一光电探测器、17第四反射镜、18第三四分之一波片、19第三偏振片、20第二光电探测器、21第五反射镜、22第二非偏振分光镜、23第四偏振片、24第三光电探测器、25第六反射镜、26第四四分之一波片、27第五偏振片、28第四光电探测器、29数据采集模块、30波长计算模块、压电控制模块31。

具体实施方式

如图1所示，为实施例涉及的一种利用连续波激光的脉冲激光干涉系统的等效波长校准装置，包括：依次设置的超快脉冲激光光源组件、干涉光路组件和信号采集与处理系统。

所述的超快脉冲激光光源组件包括：依次设置的连续激光光源1、合束镜4、用于调整激光相位的第一半波片5和第一偏振片6以及设置于合束镜4的一侧的超快脉冲激光光源2和第一反射镜3，其中：合束镜4将脉冲激光与连续波激光汇合，使两者共光路，合束光经过第一半波片5和第一偏振片6后调制为强度、偏振方向可控的线偏振光。

所述的连续波激光光源1的中心波长为632.81nm，光束直径0.65mm。

所述的超快脉冲激光光源2的频谱如图2所示，峰值波长是783.67nm，中心波长为632.81nm，光束直径0.65mm，频谱范围为770nm到800nm，重复频率为50MHz，脉冲宽度100fs，可见其频谱宽且复杂，具有副峰值波长，不能单一用峰值波长表示。

所述的合束镜4为短波通二向色镜，对于650nm以上激光反射率高，对于650nm以下激光透射率高。

所述的第一偏振片6的光轴与水平方向夹角为45°。

所述的干涉光路组件包括：偏振分光镜7以及设置于其输出面的三个分支，其中：第一分支包括依次设置的第一四分之一波片8、第二反射镜9，第二分支包括依次设置的第二四分之一波片10、第三反射镜11、纳米位移台12，第三分支进一步包括依次设置的分束镜13、第五反射镜21以及四个子分支，该四个子分支分别生成四路干涉光信号至信号接收与处理组件。

所述的第一子分支包括第一非偏振分光镜14和第二偏振片15，第二子分支包括设置于第一非偏振分光镜14一侧的第四反射镜17、第三四分之一波片18和第三偏振片19，第三子分支包括第二非偏振分光镜22和第四偏振片23，第四子分支包括设置于第二非偏振分光镜22一侧的第六反射镜25、第四四分之一波片26、第五偏振片27，其中：第一非偏振分光镜14和第五反射镜21分别设置于分束镜13的两侧，第二非偏振分光镜22设置于第五反射镜21的反射端。

所述的第一四分之一波片8与第二四分之一波片10快轴与水平方向夹角为45°，线偏振光经过偏振分光棱镜7后，分成偏振方向为90°和0°的两束线偏振光，分别为参考光和信号光，分别经过第一四分之一波片8和第二四分之一波片10后变成圆偏振光，经反射镜反射后按原光路返回，参考光和信号光第二次通过四分之一波片后偏振方向分别变为0°和90°，然后进入偏振分光棱镜8，参考光发生透射，信号光发生反射，两者沿同光路射向分束镜13。分束镜13对于780nm脉冲激光反射率高，对于633nm连续波激光透射率高，可以将超快脉冲激光与连续激光分开。超快脉冲激光经过第一非偏振分光镜14分成光强相等的两束激光，一束激光进过第二偏振片15，参考光与信号光成分发生干涉并被第一光电探测器16接收，另一束激光进入光轴角度为45°的第三四分之一波片18，再经过第三偏振片19发生干涉并被第二光电探测器20接收。连续波激光经过第五反射镜21反射，再经过第二非偏振分光镜22分成光强相等的两束激光，一束激光进入第四偏振片23，参考光与信号光成分发生干涉并被第三光电探测器24接收，另一束激光经过光轴角度为45°的第四四分之一波片26，再进过第五偏振片27发生干涉并被第四光电探测器28接收。

所述的纳米位移台12包括：反射镜与夹持组件，其中：夹持组件设置于压电运动组件上并与反射镜相连，纳米位移台12由信号接收与处理组件驱动并反馈运动距离信息。

所述的信号接收与处理组件包括：与干涉光路组件的输出端分别连接的四个光电探测器16、20、24、28、数据采集模块29、波长计算模块30和压电控制模块31，其中：四路线偏振干涉光通过光电探测器采集光强信号并转换为电压信号，数据采集模块29读取并将电压信号转换为数字干涉信号，压电控制模块31与纳米位移台12相连，输出驱动指令并采集运动距离信息，波长计算模块30根据运动距离信息和数字干涉信号计算得到等效波长。

如图3所示，所述的波长计算模块30包括：光程差计算单元以及等效波长计算单元，其中：压电控制模块31与纳米位移台12相连并传输运动指令和读取位置，光程差计算单元与压电控制模块31相连，用于计算判断光程差范围和零点，传输运动范围指令，等效波长计算单元根据数据采集模块29的连续波激光干涉信号，计算得到纳米位移台位移距离，再结合脉冲激光干涉信号，进而计算等效波长。

所述的等效波长

其中：d为纳米位移台位移距离，脉冲激光相位

I₁、I₂为当纳米位移台往复运动时测得的第一、第二光电探测器的数字干涉信号。

所述的纳米位移台位移距离

其中连续激光相位

连续激光中心波长λ_c＝632.81nm，I₃和I₄为当纳米位移台往复运动时测得的第三、第四光电探测器的数字干涉信号。

本实施例涉及上述装置的超高频谐振测量方法，利用连续激光具有单一稳定波长的特性，计算测量点位移值后，对脉冲激光等效波长进行校准，准确地获得等效波长；然后将第二反射镜替换为待测谐振器件，并调整纳米位移台上的第三反射镜调至光程差零点，使光路满足干涉条件后，关闭连续波激光器，实现利用超快脉冲激光直接对超高频谐振器件振动进行测量。

如图4所示，为第一探测器电压信号随时间变化情况，以及第三探测器电压信号随时间变化情况。

经过具体实际实验，在室温的大气压环境下，调整两个干涉激光脉冲的时间间隔为+/-35fs(即光程差+/-5.25μm)，以时间间隔每7fs测量一个等效波长，在每个时间间隔处重复测量10次，共得到十组等效波长，并计算出每组等效波长的标准差，结果如图5所示。可以看到，在靠近光程差零点处脉冲激光测振系统的等效波长是779.8nm，其标准差为0.12nm(154ppm)，而所使用超快脉冲激光的能量峰值波长为783.67nm，与等效波长相差3.87nm(5000ppm)。

与传统方法使用能量783.67nm作为等效波长，其误差约为5000ppm相比，本方法计算得到不确定性小于等于154ppm，如图5所示。经过对比，可见本方法将等效波长测量的准确性提高30倍以上。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置，其特征在于，包括：依次设置的超快脉冲激光光源组件、干涉光路组件和信号接收与处理组件，其中：信号接收与处理组件与干涉光路组件相连以调整光路并采集干涉信号，当超快脉冲激光发生干涉时计算得到等效波长；

所述的干涉光路组件包括：偏振分光镜以及设置于其输出面的三个分支，其中：第一分支包括依次设置的第一四分之一波片、第二反射镜，第二分支包括依次设置的第二四分之一波片、第三反射镜、纳米位移台、压电控制模块，第三分支进一步包括依次设置的分束镜、第五反射镜以及四个子分支，每个子分支各自生成干涉光信号并输出至信号接收与处理组件。

2.根据权利要求1所述的基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置，其特征是，所述的超快脉冲激光光源组件包括：连续激光光源、超快脉冲激光光源、第一反射镜、合束镜、第一半波片和第一偏振片。

3.根据权利要求1所述的基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置，其特征是，所述的信号接收与处理组件包括：与干涉光路组件的输出端分别连接的四个光电探测器、数据采集模块、压电控制模块和波长计算模块，其中：四路线偏振干涉光通过光电探测器采集光强信号并转换为电压信号，数据采集模块读取并将电压信号转换为数字干涉信号，压电控制模块与干涉光路组件的纳米位移台相连，输出驱动指令并采集运动距离信息，波长计算模块与压电控制模块、数据采集模块相连，并根据运动距离信息和数字干涉信号计算得到激光相位以及等效波长。

4.根据权利要求3所述的基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置，其特征是，所述的光电探测器得到的四路线偏振干涉光，包括：脉冲激光干涉光光信号I₁(τ)、经过相位延迟

的脉冲激光干涉光光信号I₂(τ)、连续波激光干涉光信号I₃(τ)和经过相位延迟

的连续波激光干涉光信号I₄(τ)。

5.根据权利要求4所述的基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置，其特征是，所述的脉冲激光干涉，其参考光和信号光具有可调的光程差2ΔL，两者的时间延迟为τ＝2ΔL/c，其中c为光速；对于具有高斯波形、线形啁啾的典型脉冲激光，其参考光电场表达式为：

信号光电场表达式为：

发生干涉后，光电探测器的信号强度可通过对响应的时间积分得到：

忽略直流偏置信号和系数，则第一光电探测器的信号强度简化为：

第二光电探测器的信号强度简化为：

进而可以得到发生干涉后脉冲激光的相位

所述的连续波激光干涉，其参考光和信号光具有可调的光程差2ΔL，两者的时间延迟为τ＝2ΔL/c，其中c为光速；对于连续波激光，其参考光电场表达式为：E₃(t)＝ε(t)·cos(ω₀t+θ₁)，信号光电场表达式为：E₄(t)＝ε(t-τ)·cos[ω₀(t-τ)+θ₂]；发生干涉后，光电探测器的信号强度可通过对响应时间的积分得到：

忽略直流偏置信号和系数，则第三光电探测器的信号强度简化为：I₃(τ)＝∫ε(t)ε(t-τ)cos[ω₀τ+θ₁-θ₂]dt，第二光电探测器的信号强度简化为：I₄(τ)＝∫ε(t)ε(t-τ)sin[ω₀τ+θ₁-θ₂]dt，进而可以得到发生干涉后连续波激光的相位

若已知连续波激光中心波长λ_c，联系发生干涉后脉冲激光的相位，可通过公式计算出纳米位移台位移距离

最终在计算模块中可求得等效波长

6.一种基于权利要求1～5中任一所述的脉冲激光干涉等效波长校准装置的超高频谐振测量方法，其特征在于，利用连续激光具有单一稳定波长的特性，计算测量点位移值后，对脉冲激光等效波长进行校准，准确地获得等效波长；然后将第二反射镜替换为待测谐振器件，并调整纳米位移台上的第三反射镜调至光程差零点，使光路满足干涉条件后，关闭连续波激光器，实现利用超快脉冲激光直接对超高频谐振器件振动进行测量。

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