CN117685875A - 一种激光干涉仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光干涉仪及其使用方法，属于高精度位移测量和高精度惯性传感技术领域。设置的激光干涉仪将测量激光依次通过设置的光纤环形器、光纤准直器和消偏振分光棱镜后，使得光纤准直器出射的测量激光与中心穿孔的介质膜反射镜垂直，分出的两束激光相互垂直，形成两束零差光束；调节介质膜反射镜的位置与姿态，将消偏振分光棱镜反射的零差激光反射后按原路径返回光纤环形器内产生光纤干涉光；通过调节中心穿孔的介质膜反射镜的位置与姿态，使角锥棱镜反射的光与该镜面垂直，与消偏振分光棱镜合束产生空间干涉光。该装置在测量时能够在大的动态范围内调整，降低了目标物调装难度。

Description

一种激光干涉仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及高精度位移测量和高精度惯性传感技术领域，更具体的涉及一种具备激光自动对准的准单片紧凑型干涉仪探头设计及其使用方法。

背景技术

激光干涉仪广泛用于各个领域的高精度位移测量，如重力波探测器，惯性传感器，测振仪，机床，坐标测量机CMM，光刻等领域。现阶段已经研发出多种具有紧凑、稳定和宽动态范围等特征的激光干涉仪，在这些干涉仪中，由激光源、光学工作台和目标反射器组成的零差干涉仪因其简单性和紧凑性而被受青睐。

为了进一步提高零差干涉仪的紧凑性和稳定性，在实际应用和商用干涉仪中通常采用光学传感器头的设计，例如德国SmarAct公司生产的C01干涉仪探头，体积十分小巧，占用面积仅为4*13mm，重量仅为十几克，其位移测量精度可达到皮米级。

然而该类产品角度工作范围小，一般的角度调节范围在几mrad级，不能使用在大动态范围测量，增加了目标物调装的难度。

发明内容

针对上述领域中存在的问题，本发明提出了一种激光干涉仪及其使用方法，能够解决不能使用在大动态范围测量，增加了目标物调装的难度的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种激光干涉仪，包括基底、光纤环形器、安装座和角锥棱镜；

所述基底固定于光学平台上，且与所述光学平台平行；所述安装座位于所述基底上，所述光纤环形器的出射端光连接有光纤准直器，所述安装座的中心横向设置有圆孔，所述光纤准直器穿过所述圆孔与所述安装座固定连接；

所述光纤准直器的出射端光连接有消偏振分光棱镜；所述消偏振分光棱镜的一侧设置有介质膜反射镜，另一侧设置有中心穿孔的介质膜反射镜；

其中，测量激光依次通过所述光纤环形器、光纤准直器和消偏振分光棱镜后，使分出的两束激光相互垂直，形成两束零差光束；通过调节所述介质膜反射镜的位置与姿态，产生光纤干涉光；通过调节所述中心穿孔的介质膜反射镜的位置与姿态，使得所述中心穿孔的介质膜反射镜正出射的零差激光通过所述中心穿孔的介质膜反射镜，打在所述角锥棱镜上，使所述角锥棱镜反射的光与该镜面垂直，与所述消偏振分光棱镜合束产生空间干涉光。

优选地，所述光纤环形器的出射的激光波长为1064nm，光束类型为基模高斯光，光纤类型为单模保偏。

优选地，所述光纤准直器的尾纤为保偏光纤，所述光纤准直器的直径为3mm的圆柱型，长度为9mm，尾纤长度为1m，光纤类型为单模保偏光纤，设计波长为1064nm。

优选地，所述安装座的尺寸为10*10*10mm，材质为K9玻璃，所述安装座的中心位置设置的圆孔的孔直径为3mm。

优选地，所述介质膜反射镜与中心穿孔的介质膜反射镜的尺寸同为10*10*2mm、设计波长同为1064nm、反射率同为99.99％和入射角同为0度；所述中心穿孔的介质膜反射镜的中心为直径为2mm的圆形通孔。

优选地，所述基底的长宽高尺寸为15*25*5mm，表面抛光且平整；所述角锥棱镜的表面尺寸为直径25.4mm的圆形平面；所述基底和角锥棱镜的材质同为K9玻璃。

优选地，所述消偏振分光棱镜的尺寸为10*10*10mm，反光比为50:50，设计波长为1064nm且对偏振不敏感。

优选地，还包括两个单象限光电探测器，两个所述单象限光电探测器分别与所述光纤环形器和消偏振分光棱镜连接；所述单象限光电探测器的有效探测面积为直径3.6mm的圆形区域，采用的光电材料为Si，探测波段为350-1100nm，探测带宽为12MHz。

优选地，还包括一种激光干涉仪的使用方法，包括以下步骤：

将所述光纤准直器与安装座固定组成一个整体；

将组成的的整体放置于所述基底上，放置所述消偏振分光棱镜在所述基底上，使所述消偏振分光棱镜分出的两束激光相互垂直，且平行于所述光学平台，从而形成两束零差光束；

调节所述介质膜反射镜的位置与姿态，将所述消偏振分光棱镜反射在所述介质膜反射镜的零差激光反射后按原路径返回所述光纤环形器内，产生光纤干涉光；

调节所述中心穿孔的介质膜反射镜的位置与姿态，使得所述中心穿孔的介质膜反射镜正出射的零差激光通过所述中心穿孔的介质膜反射镜，打在所述角锥棱镜上，使所述角锥棱镜反射的光与中心穿孔的介质膜反射镜镜面垂直，与所述消偏振分光棱镜合束产生空间干涉光；

对产生的光纤干涉光和空间干涉光进行扫频，通过两个所述单象限光电探测器监测干涉光束的对比度，调节所述中心穿孔的介质膜反射镜的位置与姿态，当干涉光束的对比度达到最大时，将所述中心穿孔的介质膜反射镜与基底固定。

优选地，所述干涉光束的对比度的计算，包括以下步骤：

假设零差干涉仪的干涉信号为：

式中，P为单象限光电探测器上探测到的光功率，P₀为单象限光电探测器上探测到的平均光功率，c为干涉对比度，分别是测量光束和参考光束的累积光程相位；

其中，干涉对比度的计算公式为：

式中，P_max、P_min分别为干涉信号的最大光功率和最低光功率；

目标角锥反射器和传感器头之间的目标距离x为：

式中，激光波长λ＝1064nm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明设置的激光干涉仪采用角锥棱镜作为目标物，通过对各个光学元件的相对位置的设计，设置的紧凑型干涉仪探头，对目标反射镜的指向角度和横向位置具有大动态范围响应测量能力和噪声共模抑制能力，大大降低了干涉仪搭建过程中对准难的缺陷。将测量激光依次通过光纤环形器、光纤准直器和消偏振分光棱镜后，使分出的两束激光相互垂直，形成两束零差光束；通过调节中心穿孔的介质膜反射镜的位置与姿态，当干涉光束的对比度达到最大时，将中心穿孔的介质膜反射镜与基底固定。该方法能够使入射光与反射光相互平行，且不受角锥转动和平移等位置姿态变化的影响，可以使得调装好的干涉仪探头在很大的动态范围内保持着十分良好的干涉对比度，大大降低了目标物调装难度，更加适用于各个测量场景。搭建出的准单片干涉仪探头拥有高稳定性、高精度、大动态范围等优点，可被广泛应用于惯性传感、测振仪、地震计等领域。

附图说明

图1为本发明设计的准单片紧凑型干涉仪探头的光路图；

图2为本发明的准单片紧凑型干涉仪探头的3D模型图；

图3为本发明的准单片紧凑型干涉仪的位移测量灵敏度曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。

本发明针对一种具备激光自动对准的准单片紧凑型干涉仪探头设计提供了光路设计、测量原理以及制作流程。

实施例

如图1所示，本发明实施例提供一种激光干涉仪，包括基底1、光纤环形器2、光纤准直器3、安装座4、消偏振分光棱镜5、介质膜反射镜6、中心穿孔的介质膜反射镜7、角锥棱镜8、单象限光电探测器9。

玻璃底座1，其长宽高尺寸为15*25*5mm，材质为K9玻璃，表面抛光且平整，便于后期光学器件的放置。

光纤环形器2，光纤类型为单模保偏光纤，光束类型为基模高斯光，尾纤长度1m，设计波长为1064nm。

光纤准直器3，其形状为圆柱型，直径3mm，长度9mm，尾纤长度1m，设计波长为1064nm，光束类型为基模高斯光，光纤类型为单模保偏光纤，以避免光纤弯曲或者应力等因素造成的激光偏振方向改变。

安装座4，其尺寸为10*10*10mm，材质为K9玻璃，其中心位置需为贯穿圆孔，保证光纤准直器3能放置于其中心位置，孔直径为3mm，以便于调节光纤准直器3的姿态并与安装座4固定成一整体。

消偏振分光棱镜5，其尺寸为10*10*10mm，反光比为50:50，设计波长为1064nm且对偏振不敏感，避免光束的偏振变化引起分光比的变化。

介质膜反射镜6，其尺寸为10*10*2mm，设计波长为1064nm，反射率为99.99％，入射角为0°，使得正入射的激光全部反射，避免光功率的损失。

中心穿孔的介质膜反射镜7，其尺寸为10*10*2mm，中心为直径2mm的圆形通孔，便于激光穿过，设计波长为1064nm，反射率为99.99％，入射角为0°，避免光功率的损失；

角锥棱镜8，其表面尺寸为直径25.4mm的圆形平面，材质为K9玻璃，用于产生相互平行的入射光和反射光，角锥棱镜8的二面角误差应尽可能小，可以减小其余光学元件的安装误差，使得整个干涉仪探头尽可能紧凑。

单象限光电探测器9，有效探测面积为直径3.6mm的圆形区域，所用光电材料为Si，探测波段为350-1100nm，探测带宽为12MHz，能满足外差探测需求，可同时用于光纤和空间光的测量。

上述的光学元器件被紫外胶粘接在一整块尺寸合适的基底1上，增强装置的鲁棒性和整体性。

还包括一种具备激光自动对准的准单片紧凑型干涉仪探头设计，其特征在于，所述使用方法包括如下步骤：

步骤一：将光纤准直器3放置于安装座4的中心穿孔位置，以光学平台为基准，调节光纤准直器3出射的激光平行于光学平台，用紫外胶将光纤准直器3和安装座4固化，组成一个整体；

步骤二：将基底1固定于光学平台上，保持与光学平台平行，将安装座4和光纤准直器3固化而成的整体放置于基底1上，再放置消偏振分光棱镜5，使分出的两束激光相互垂直，且平行于光学平台，从而形成两束零差光束，将消偏振分光棱镜5与基底1固化；

步骤三：并将介质膜反射镜6放置于消偏振分光棱镜5的一侧，此时需调节介质膜反射镜6的位置与姿态将消偏振分光棱镜5反射的一束零差激光反射，保证尽可能地按照原路径反射回光纤环形器内产生光纤干涉光，可采用功率计监测回光的光功率，从而来判断经平面反射镜反射后的激光是否原路径返回；

步骤四：将中心穿孔的介质膜反射镜7放置于消偏振分光棱镜5的正前方(另一侧)，使得正出射的零差激光可以通过中心穿孔的介质膜反射镜7，然后打在角锥棱镜8上，角锥棱镜8反射的光会在中心穿孔的介质膜反射镜7上反射，此时需调节中心穿孔的介质膜反射镜7的位置与姿态，使角锥棱镜8反射的光与镜面垂直，以保证激光原路返回形成干涉光束，即与消偏振分光棱镜5合束产生空间干涉光，可采用功率计监测回光的光功率，从而来判断经中心穿孔的介质膜反射镜7和角锥棱镜8反射后的激光是否原路径返回；

步骤五：此时会形成两组干涉信号，分别为经由光纤环形器2产生的光纤干涉光和消偏振分光棱镜5合束产生的空间干涉光，使用调谐激光器进行扫频，干涉光束的对比度可以通过两个单象限光电探测器9来监测，通过调节中心穿孔的介质膜反射镜7的位置与姿态，使干涉光束的对比度达到最大，然后将中心穿孔的介质膜反射镜7与基底1固化；

采用以上光路设计和使用方法即可制造出一种大动态范围自适应对准的准单片紧凑型干涉仪探头，如图2所示，为搭建的一种大动态范围自适应对准的准单片紧凑型干涉仪探头的3D模型图。

同时，本发明给出了一种大动态范围自适应对准的准单片紧凑型干涉仪的测量原理。

假设零差干涉仪的干涉信号可以写为以下形式：

其中，P为光电探测器上所探测到的光功率，P₀为单象限光电探测器上探测到的平均光功率，c为干涉对比度，分别是测量光束和参考光束的累积光程相位。干涉对比由下式给出：

其中，P_max、P_min分别为干涉信号的最大光功率和最低光功率。相应的，目标角锥反射器和传感器头之间的目标距离x由下式给出：

其中，激光波长λ＝1064nm。

如图3所示，为搭建的大动态范围自适应对准的准单片紧凑型干涉仪的位移测量灵敏度曲线图，可以看到所搭建的干涉仪探头在1Hz处可以达到1pm/的位移测量灵敏度，能满足多数场景下高精度测量的需求。

由于本发明采用了角锥棱镜8作为目标物，它能使入射光与反射光相互平行，且不受角锥转动、平移等位置姿态变化的影响，可以使得调装好的干涉仪探头在很大的动态范围内仍然保持着十分良好的干涉对比度，降低了目标物调装难度，更加适用于各个测量场景。

本发明提出的一种具备激光自动对准的准单片紧凑型干涉仪探头，可以搭建出具有皮米级位移测量的外差干涉仪探头，未来可运用与各种精密测量领域中，例如引力波探测、惯性传感和振动测量等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

另外，除非另有说明，否则本发明使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的常规技术人员通常理解的相同含义。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

Claims (10)

1.一种激光干涉仪，其特征在于，包括基底(1)、光纤环形器(2)、安装座(4)和角锥棱镜(8)；

所述基底(1)固定于光学平台上，且与所述光学平台平行；所述安装座(4)位于所述基底(1)上，所述光纤环形器(2)的出射端光连接有光纤准直器(3)，所述安装座(4)的中心横向设置有圆孔，所述光纤准直器(3)穿过所述圆孔与所述安装座(4)固定连接；

所述光纤准直器(3)的出射端光连接有消偏振分光棱镜(5)；所述消偏振分光棱镜(5)的一侧设置有介质膜反射镜(6)，另一侧设置有中心穿孔的介质膜反射镜(7)；所述角锥棱镜(8)与所述介质膜反射镜(6)的出射端光连接；

其中，测量激光依次通过所述光纤环形器(2)、光纤准直器(3)和消偏振分光棱镜(5)后，使分出的两束激光相互垂直，形成两束零差光束；通过调节所述介质膜反射镜(6)的位置与姿态，产生光纤干涉光；通过调节所述中心穿孔的介质膜反射镜(7)的位置与姿态，使得所述中心穿孔的介质膜反射镜(7)正出射的零差激光通过所述中心穿孔的介质膜反射镜(7)，打在所述角锥棱镜(8)上，使所述角锥棱镜(8)反射的光与该镜面垂直，与所述消偏振分光棱镜(5)合束产生空间干涉光。

2.根据权利要求1所述的激光干涉仪，其特征在于，所述光纤环形器(2)的出射的激光波长为1064nm，光束类型为基模高斯光，光纤类型为单模保偏。

3.根据权利要求2所述的激光干涉仪，其特征在于，所述光纤准直器(3)的尾纤为保偏光纤，所述光纤准直器(3)的直径为3mm的圆柱型，长度为9mm，尾纤长度为1m，光纤类型为单模保偏光纤，设计波长为1064nm。

4.根据权利要求3所述的激光干涉仪，其特征在于，所述安装座(4)的尺寸为10*10*10mm，材质为K9玻璃，所述安装座(4)的中心位置设置的圆孔的孔直径为3mm。

5.根据权利要求4所述的激光干涉仪，其特征在于，所述介质膜反射镜(6)与中心穿孔的介质膜反射镜(7)的尺寸同为10*10*2mm、设计波长同为1064nm、反射率同为99.99％和入射角同为0度；所述中心穿孔的介质膜反射镜(7)的中心为直径为2mm的圆形通孔。

6.根据权利要求5所述的激光干涉仪，其特征在于，所述基底(1)的长宽高尺寸为15*25*5mm，表面抛光且平整；所述角锥棱镜(8)的表面尺寸为直径25.4mm的圆形平面；所述基底(1)和角锥棱镜(8)的材质同为K9玻璃。

7.根据权利要求6所述的激光干涉仪，其特征在于，所述消偏振分光棱镜(5)的尺寸为10*10*10mm，反光比为50:50，设计波长为1064nm且对偏振不敏感。

8.根据权利要求7所述的激光干涉仪，其特征在于，还包括两个单象限光电探测器(9)，两个所述单象限光电探测器(9)分别与所述光纤环形器(2)和消偏振分光棱镜(5)连接；所述单象限光电探测器(9)的有效探测面积为直径3.6mm的圆形区域，采用的光电材料为Si，探测波段为350-1100nm，探测带宽为12MHz。

9.一种激光干涉仪的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述光纤准直器(3)与安装座(4)固定组成一个整体；

将组成的的整体放置于所述基底(1)上，放置所述消偏振分光棱镜(5)在所述基底(1)上，使所述消偏振分光棱镜(5)分出的两束激光相互垂直，且平行于所述光学平台，从而形成两束零差光束；

调节所述介质膜反射镜(6)的位置与姿态，将所述消偏振分光棱镜(5)反射在所述介质膜反射镜(6)的零差激光反射后按原路径返回所述光纤环形器(2)内，产生光纤干涉光；

调节所述中心穿孔的介质膜反射镜(7)的位置与姿态，使得所述中心穿孔的介质膜反射镜(7)正出射的零差激光通过所述中心穿孔的介质膜反射镜(7)，打在所述角锥棱镜(8)上，使所述角锥棱镜(8)反射的光与中心穿孔的介质膜反射镜(7)镜面垂直，与所述消偏振分光棱镜(5)合束产生空间干涉光；

对产生的光纤干涉光和空间干涉光进行扫频，通过两个所述单象限光电探测器(9)监测干涉光束的对比度，调节所述中心穿孔的介质膜反射镜(7)的位置与姿态，当干涉光束的对比度达到最大时，将所述中心穿孔的介质膜反射镜(7)与基底(1)固定。

10.根据权利要求9所述的激光干涉仪的使用方法，其特征在于，所述干涉光束的对比度的计算，包括以下步骤：

假设零差干涉仪的干涉信号为：

式中，P为单象限光电探测器上探测到的瞬时光功率，P₀为单象限光电探测器上探测到的平均光功率，c为干涉对比度，分别是测量光束和参考光束的累积光程相位；

其中，干涉对比度的计算公式为：

式中，P_max、P_min分别为干涉信号的最大光功率和最低光功率；

目标角锥反射器和传感器头之间的目标距离x为：

式中，激光波长λ＝1064nm。