CN117824853A - 偏分式干涉装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏分式干涉装置和测量方法。该偏分式干涉装置包括：参考光光路，所述参考光光路传输参考光，所述参考光包括在快轴上传输的第一频率的光和在慢轴上传输的第二频率的光，信号光光路，所述参考光输出至信号光光路上的包括偏振旋转器的干涉仪，所述偏振旋转器用于对光的偏振态进行旋转以将在快轴上传输的光旋转至慢轴传输，并将在慢轴上传输的光旋转至快轴传输，从而获得在快轴上传输的第二频率的光和在慢轴上传输的第一频率的光，所述干涉仪输出信号光，和第一探测器，用于接收参考光和信号光的干涉光信号，并将干涉光信号转换为第一电信号。依照本发明的偏分式干涉装置可以有效补偿有源器件和分光光路带进的相位噪声。

Description

偏分式干涉装置和测量方法

技术领域

本专利涉及光学干涉测量领域，特别涉及一种偏分式干涉装置和测量方法。

背景技术

光学干涉测量具有非接触、精度高等优点，但传统的零差干涉存在相位衰落的缺点。为了解决这一问题，通常需要对光源输出光加上一定的相位调制，使干涉信号变为与时间相关的动态信号，抑制相位衰落。

加载相位调制的方法分为内调制与外调制。内调制即直接对半导体激光器加载调制信号，使激光器本身输出光的频率发生变化再结合非等臂长干涉仪实现连续的相位调制。外调制可以使用相位调制器直接对激光器输出的光进行调制或者使用分束器将光源输出光分成两路，对其中一路光使用移频器进行移频，再将两束光合束干涉产生恒定频率差来实现相位调制。

内调制法受限于激光器自身特性的影响，其载波频率只能到达几十KHz，并且所产生的干涉信号调制深度与干涉仪的臂长差有关，不能适用于短臂长差干涉仪。

使用相位调制器的外调制法虽然可以加载很高的载波频率，但是其干涉信号的调制深度依然与受限于干涉仪的臂长差，臂长差较小时其干涉信号的调制深度很小，使其干涉信号难以用于相位的解调，难以发挥F-P干涉仪探头体积小的优势。使用移频器的外调制法可以做到干涉信号调制深度与臂长差无关，适用于短臂差干涉仪相位信号的解调。但是目前实现此种方法的方式多采取时分调制加移频器的方法实现，即首先对光源输出光进行脉冲调制，再结合马赫泽德干涉仪将输出光分为两路，一路脉冲光移频，一路脉冲光延时，待两路光经过干涉仪携带待检测相位信息后，再通过延时将两个脉冲光对齐干涉。上述方法使用脉冲调制的同时降低了解调系统的动态范围，而且结构复杂、参考脉冲光与信号脉冲光存在一定的延时，会带进额外的噪声。另外，分光光路（马赫泽德干涉仪）的引入，会在光发射端带进额外的相位噪声。

发明内容

因此，鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种偏分式干涉装置和测量方法，通过将两个频率不同的光同时传输在两个正交的偏振态上，当携带相位信息后再使用偏振器件将其合束，有效抑制了相位衰落。

本发明的一方面在于提供一种偏分式干涉装置，其包括：参考光光路，所述参考光光路传输参考光，所述参考光包括在快轴上传输的第一频率的光和在慢轴上传输的第二频率的光，信号光光路，所述参考光输出至信号光光路上的包括偏振旋转器的干涉仪，所述偏振旋转器用于对光的偏振态进行旋转以将在快轴上传输的光旋转至慢轴传输，并将在慢轴上传输的光旋转至快轴传输，从而获得在快轴上传输的第二频率的光和在慢轴上传输的第一频率的光，所述干涉仪输出信号光，和第一探测器，用于接收参考光和信号光的干涉光信号，并将干涉光信号转换为第一电信号。依照本发明，通过使得在快轴上传输的信号光和参考光的频率不同，且在慢轴上传输的信号光和参考光的频率亦不同，从而使得信号光和参考光发生干涉时产生差频项，可以有效抑制相位衰落。

在如上所述的偏分式干涉装置中，进一步包括：偏振分束器，用于将激光分为在第一轴上传输的第一光信号和在第二轴上传输的第二光信号，所述第一轴为快轴和慢轴中的任一个，所述第二轴为快轴和慢轴中的另一个，移频器，用于对来自偏振分束器的第二光信号进行移频以获得第三光信号，和偏振合束器，用于将来自偏振分束器的第一光信号和来自移频器的第三光信号合成为参考光。通过该结构，可以通过简单的结构获得在快轴和慢轴上分别传输不同频率光信号的参考光。

在如上所述的偏分式干涉装置中，进一步包括：第二探测器，用于接收部分参考光，并将该部分参考光转换为第二电信号，基于第二探测器的第二电信号对第一探测器的第一电信号进行校准。该校准可以有效消除有源器件和马赫泽德干涉仪所带进的相位噪声。

在如上所述的偏分式干涉装置中，所述参考光光路和信号光光路均采用保偏光纤和保偏光学器件。通过保偏光纤和保偏光学器件可以使得两个不同频率的光同时传输于正交的偏振态中，且两个偏振光不发生串扰。

本发明另一方面在于提供一种偏分式干涉装置，其包括：激光器，用于发射激光，偏振分束器，用于将来自激光器的激光分为分别在快轴和慢轴上传输的第一光束和第二光束，并将第一光束和第二光束中的一束光发送至移频器，并将另一束光发送至偏振合束器，移频器，用于对来自偏振分束器的光进行移频以获得第三光束，偏振合束器，用于将来自偏振分束器的光束和来自移频器的移频后的第三光束合成参考光，并将该参考光发送至干涉仪，干涉仪，其包括偏振旋转器，所述干涉仪将部分参考光反射并输出至第一探测器，且参考光的另一部分参考光输入干涉仪，所述偏振旋转器用于将输入至干涉仪中的光的偏振态进行旋转，所述干涉仪将通过干涉仪的光作为信号光输出至第一探测器，第一探测器，其检测接收到的参考光和信号光产生的干涉光信号，并将该光信号转换为第一电信号。依照本发明，通过使得在快轴上传输的信号光和参考光的频率不同，且在慢轴上传输的信号光和参考光的频率亦不同，从而使得信号光和参考光发生干涉时产生差频项，可以有效抑制相位衰落。

在如上所述的偏分式干涉装置中，从偏振分束器输入至移频器的光为在慢轴上传输的偏振光，移频器对该慢轴上传输的偏振光进行移频。

在如上所述的偏分式干涉装置中，进一步包括：第二探测器，其从偏振合束器接收部分参考光，并将该接收的部分参考光转换为第二电信号，基于该第二电信号，对第一探测器的第一电信号进行校准。该校准可以有效消除有源器件和马赫泽德干涉仪所带进的相位噪声。

在如上所述的偏分式干涉装置中，进一步包括：环行器，其位于偏振合束器和干涉仪之间，来自偏振合束器的参考光输入至环行器的第一端口，并从第二端口输出至干涉仪，来自干涉仪的参考光和信号光输入至环行器的第二端口，并从第三端口输出至第一探测器。

在如上所述的偏分式干涉装置中，进一步包括：准直器，其位于环行器和干涉仪之间，用于对光进行准直。

在如上所述的偏分式干涉装置中，进一步包括：所述干涉仪为包括半反镜和反射镜的F-P干涉仪，偏振旋转器位于半反镜和反射镜之间。采用F-P干涉仪可以参考光与信号光的同光路，从而避免了外界单独对一臂的干扰。同时，这也使得该干涉装置适配各种腔长的传感探头，并且干涉信号的频率于腔长无关，干涉信号更为稳定，相位噪声更低。

在如上所述的偏分式干涉装置中，进一步包括：偏分式干涉装置中的光学器件为保偏器件，且连接光学器件之间的光纤为保偏光纤。通过保偏光纤和保偏光学器件可以使得两个不同频率的光同时传输于正交的偏振态中，且两个偏振光不发生串扰。

本发明的又一方面在于提供一种测量方法，其包括：

步骤1: 将一束激光分为分别在快轴和慢轴上传输的第一光束和第二光束，

步骤2: 对第一光束和第二光束中的一束光进行移频以获得第三光束，

步骤3: 将第一光束和第二光束中未移频的光束和第三光束合成为参考光，

步骤4: 将参考光的第一部分输入干涉仪，所述干涉仪将光的偏振态旋转并输出信号光，

步骤5: 将参考光的第二部分和干涉仪输出的信号光输入探测器，探测器检测参考光和信号光的干涉光信号，并将其转换为第一电信号。

在如上所述的测量方法中，进一步包括：在步骤3之后，检测参考光，并基于检测结果对步骤5获得的第一电信号进行校准。

依照本发明，通过使用移频器获得了与时间相关的动态干涉信号，使得不同频率的光分别在快轴和慢轴上传输。通过偏振旋转装置对偏振态的旋转，使得在快轴上传输的光变为在慢轴上传输，在慢轴上传输的光变为在快轴上传输。因此，信号光和参考光发生干涉时产生差频项，因此可以有效抑制相位衰落。

附图说明

图1为本发明中的偏分式干涉装置的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种偏分式干涉装置的第一实施方式。该偏分式干涉装置包括半导体激光器1、偏振分束器2、移频器3、第一偏振合束器4、环行器5、准直器6、半反镜7、法拉第旋转镜8、反射镜9、第二偏振合束器10、第一光电探测器11和第二光电探测器12。

半导体激光器1输出的激光传输至偏振分束器2。偏振分束器2将激光分为两束，其中一束经过移频器3移频后耦合进第一偏振合束器4的慢轴，另一束耦合进第一偏振合束器4的快轴。第一偏振合束器4将来自移频器3的移频后的光和来自偏振分束器2的未移频的光合成一束光，并输出至环行器5。

来自第一偏振合束器4的光输入至环行器5的第一端口后从第二端口输出至准直器6，准直器6将光准直成空间光。经过半反镜7，该空间光的部分光被反射回准直器6内，并输出至环行器5的第二端口，随后从环行器5的第三端口输出到达第二偏振合束器10。来自准直器6的光部分透过半反镜7，该透射光经过法拉第旋转镜8后被反射镜9反射回准直器6作为信号光。所述法拉第旋转镜8将光的偏振态进行旋转，使得在快轴上传输的光变为在慢轴上传输，在慢轴上传输的光变为在快轴上传输。该信号光输出至环行器5的第二端口，随后从环行器5的第三端口输出到达第二偏振合束器10。参考光和信号光到达第二偏振合束器10后发生干涉，第二偏振合束器10将干涉光信号输出至第一光电探测器11。第一光电探测器11将干涉光信号转换为第一电信号。

此外，第一偏振合束器4还将合束后的一小部分光输入至第二光电探测器12，以将光信号转换为第二电信号。也就是说，第二光电探测器12检测由偏振分束器2、移频器3、第一偏振合束器4组成的马赫泽德干涉仪的输出信号并输出第二电信号。所述第二光电探测器12输出的第二电信号与第一光电探测器11输出的第一电信号组成差分对。基于第二光电探测器12输出的第二电信号，可以对第一光电探测器11输出的第一电信号进行校准，从而消除有源器件和分光光路带进的相位噪声。

在依照本发明的第二实施方式中，偏振分束器2将来自半导体激光器1的光分为两束，其中一路经过移频器3移频后耦合进第一偏振合束器4的快轴、另一路耦合进第一偏振合束器4的慢轴。依照本发明的第二实施方式可以采用和第一实施方式相同的结构，其不同之处在于移频后的光在快轴上传输，而未移频的光在慢轴上传输。

在依照本发明的第三实施方式中，可以将第一实施方式中半反镜7和反射镜9构成的F-P干涉仪替换成其它干涉仪。可以基于所采用的干涉仪的具体结构，调节反射参考光的光学器件的位置以及偏振旋转器的位置，以使得一部分参考光在输出干涉仪之前反射至第一光电探测器11，且一部分参考光经过包括偏振旋转器的干涉仪而输出信号光至第一光电探测器11。

在本发明中，使用移频器3获得了与时间相关的动态干涉信号，抑制了相位衰落现象。通过移频器3，使得不同频率的光分别在快轴和慢轴上传输。在探头端（半反镜7、法拉第旋转镜8和反射镜9），使用法拉第旋转镜8旋转偏振态，使信号光偏振态与参考光偏振态产生差频。具体而言，法拉第旋转镜8使得在快轴上传输的光变为在慢轴上传输，在慢轴上传输的光变为在快轴上传输。通过法拉第旋转镜8的偏振旋转，使得在快轴上传输的信号光和参考光的频率不同，在慢轴上传输的信号光和参考光的频率亦不同，因此信号光和参考光发生干涉时产生差频项，可以有效抑制相位衰落。

在本发明中，通过采用差分对结构，可以有效消除有源器件和分光光路带进的相位噪声。具体而言，在第一实施方式中，在分光光路后引入了由偏振分束器2、移频器3、第一偏振合束器4构成的马赫泽德干涉仪，并通过第二光电探测器12检测马赫泽德干涉仪的输出信号，第二光电探测器12的输出信号和第一光电探测器11的输出信号构成差分对。基于第二光电探测器12的结果，可以校准第一光电探测器11的信号，从而消除有源器件和马赫泽德干涉仪所带进的相位噪声。

在本发明中，使用保偏光纤和保偏光学器件，从而使得两个不同频率的光同时传输于正交的偏振态中，且两个偏振光不发生串扰。第一频率的光在快轴上传输，第二频率的光可以在慢轴上传输，快轴和慢轴相互垂直。可以通过移频器3来获得第一频率的光和第二频率的光。

当探头端采用如图1所示的F-P干涉仪（半反镜7和反射镜9构成的F-P干涉仪）时，参考光经过半反镜7、环行器5、第二偏振合束器10和第一光电探测器11的光路传输。经过F-P干涉仪获得的信号光（即透过半反镜7的参考光经过法拉第旋转镜8后被反射镜9而获得的信号光）同样经过半反镜7、环行器5、第二偏振合束器10和第一光电探测器11的光路传输。这实现了参考光与信号光的同光路，从而避免了外界单独对一臂的干扰。同时，这也使得该干涉装置适配各种腔长的传感探头，并且干涉信号的频率于腔长无关，干涉信号更为稳定，相位噪声更低。

在如图1所示的实施方式中，第二光电探测器12从第一偏振合束器4处接收参考光。由于从第一偏振合束器4处接收的参考光是最原始的参考光信号，即该参考光没有经过其它的光学器件，因此基于该参考光的测量结果对于第一光电探测器11的校准效果最佳。但是，本发明并不仅限于此，第二光电探测器12可以位于其它位置以接收参考光。

本发明还提供一种测量方法，其包括：

步骤1: 利用偏振分束器2将一束激光分为分别在快轴和慢轴上传输的第一光束和第二光束，

步骤2: 利用移频器3对第一光束和第二光束中的一束光进行移频以获得第三光束，

步骤3: 利用第一偏振合束器4将第一光束和第二光束中未移频的光束和第三光束合成为参考光，该第一偏振合束器4将该参考光的一小部分被发送至第二光电探测器12，第二光电探测器12将接收的光信号转换为第二电信号，

步骤4: 将参考光的第一部分输入包括半反镜7、法拉第旋转镜8和反射镜9的干涉仪，所述干涉仪将光的偏振态旋转并输出信号光，

步骤5: 将参考光的第二部分和干涉仪输出的信号光输入第一光电探测器11，第一光电探测器11检测参考光和信号光的干涉光信号，并将其转换为第一电信号，

步骤6：基于第二点信号对第一电信号进行校准。

应当注意的是，本发明的不同示例性实施例的发明特征，只要这些特征不是相互排斥的，可以在不脱离本发明的保护范围的情况下彼此任意组合。

Claims (13)

1.一种偏分式干涉装置，其特征在于包括：

参考光光路，所述参考光光路传输参考光，所述参考光包括在快轴上传输的第一频率的光和在慢轴上传输的第二频率的光，

信号光光路，所述参考光输出至信号光光路上的包括偏振旋转器的干涉仪，所述偏振旋转器用于对光的偏振态进行旋转以将在快轴上传输的光旋转至慢轴传输，并将在慢轴上传输的光旋转至快轴传输，从而获得在快轴上传输的第二频率的光和在慢轴上传输的第一频率的光，所述干涉仪输出信号光，和

第一探测器，用于接收参考光和信号光的干涉光信号，并将干涉光信号转换为第一电信号。

2.如权利要求1所述的偏分式干涉装置，其特征在于进一步包括：

偏振分束器，用于将激光分为在第一轴上传输的第一光信号和在第二轴上传输的第二光信号，所述第一轴为快轴和慢轴中的任一个，所述第二轴为快轴和慢轴中的另一个，

移频器，用于对来自偏振分束器的第二光信号进行移频以获得第三光信号，和

偏振合束器，用于将来自偏振分束器的第一光信号和来自移频器的第三光信号合成为参考光。

3.如权利要求2所述的偏分式干涉装置，其特征在于进一步包括：

第二探测器，用于接收部分参考光，并将该部分参考光转换为第二电信号，

基于第二探测器的第二电信号对第一探测器的第一电信号进行校准。

4.如权利要求1-3任一项所述的偏分式干涉装置，其特征在于：

所述参考光光路和信号光光路均采用保偏光纤和保偏光学器件。

5.一种偏分式干涉装置，其特征在于包括：

激光器，用于发射激光，

偏振分束器，用于将来自激光器的激光分为分别在快轴和慢轴上传输的第一光束和第二光束，并将第一光束和第二光束中的一束光发送至移频器，并将另一束光发送至偏振合束器，

移频器，用于对来自偏振分束器的光进行移频以获得第三光束，

偏振合束器，用于将来自偏振分束器的光束和来自移频器的移频后的第三光束合成参考光，并将该参考光发送至干涉仪，

干涉仪，其包括偏振旋转器，所述干涉仪将参考光的一部分反射并输出至第一探测器，且参考光的另一部分输入干涉仪，所述偏振旋转器用于将输入至干涉仪中的光的偏振态进行旋转，所述干涉仪将通过干涉仪的光作为信号光输出至第一探测器，

第一探测器，其检测接收到的参考光和信号光产生的干涉光信号，并将干涉光信号转换为第一电信号。

6.如权利要求5所述的偏分式干涉装置，其特征在于：

从偏振分束器输入至移频器的光为在慢轴上传输的偏振光，移频器对该慢轴上传输的偏振光进行移频。

7.如权利要求6所述的偏分式干涉装置，其特征在于进一步包括：

第二探测器，其从偏振合束器接收部分参考光，并将该接收的部分参考光转换为第二电信号，

基于该第二电信号，对第一探测器的第一电信号进行校准。

8.如权利要求7所述的偏分式干涉装置，其特征在于进一步包括：

环行器，其位于偏振合束器和干涉仪之间，

来自偏振合束器的参考光输入至环行器的第一端口，并从第二端口输出至干涉仪，

来自干涉仪的参考光和信号光输入至环行器的第二端口，并从第三端口输出至第一探测器。

9.如权利要求8所述的偏分式干涉装置，其特征在于进一步包括：

准直器，其位于环行器和干涉仪之间，用于对光进行准直。

10.如权利要求9所述的偏分式干涉装置，其特征在于：

所述干涉仪为包括半反镜和反射镜的F-P干涉仪，偏振旋转器位于半反镜和反射镜之间。

11.如权利要求5-10中任一项所述的偏分式干涉装置，其特征在于：

偏分式干涉装置中的光学器件为保偏器件，且连接光学器件之间的光纤为保偏光纤。

12.一种测量方法，其特征在于包括：

步骤1: 将一束激光分为分别在快轴和慢轴上传输的第一光束和第二光束，

步骤2: 对第一光束和第二光束中的一束光进行移频以获得第三光束，

步骤3: 将第一光束和第二光束中未移频的光束和第三光束合成为参考光，

步骤4: 将参考光的第一部分输入干涉仪，所述干涉仪将光的偏振态旋转并输出信号光，

步骤5: 将参考光的第二部分和干涉仪输出的信号光输入探测器，探测器检测参考光和信号光的干涉光信号，并将其转换为第一电信号。

13.如权利要求12所述的测量方法，其特征在于进一步包括：

在步骤3之后，检测参考光，并基于检测结果对步骤5获得的第一电信号进行校准。