CN1219188C - 一种可调光学移相器及移相方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调光学移相器及移相方法。该移相器由两个声光调制器、射频功率放大器及正弦波信号发生器构成，正弦波信号发生器的输出端，与射频功率放大器的输入端，和串接电子移相器与另一个射频功率放大器的输入端并连。移相方法过程是：入射光进入声光调制器1，正弦波信号发生器向射频功率放大器和电子移相器发射相同频率的射频信号，调节和控制电子移相器，两个声光调制器受到相同频率而不同相位的射频信号的驱动；声光调制器1产生的一级衍射光作为声光调制器2的输入光，声光调制器2一级衍射光作为输出光，该输出光具有与入射光相同频率但可调的相移。本发明的优点，无需对相移进行标定，可产生动态可调的光学相移。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学移相器及移相方法，特别是通过电子方式直接控制的可调光学移相器及移相过程，属光电测量技术领域。
背景技术
基于光学干涉的各种精密测量技术已被普遍应用于包括光学零件表面质量检测，三维物体形貌测量等诸多科研和工程技术领域。在传统的干涉测量中，一般是用目测法根据干涉条纹的形状和位置来判断被测面的形状和最大误差，这种方法不仅精度低速度慢，而且只能得到被测面的部分信息。随着光电及激光技术，计算机技术的飞速发展，各种能够实现全场实时测量的光学干涉方法和技术相继出现。其中基于相移技术的干涉测量术以精度高，数据处理简单，速度快而被广泛采用。这种方法是在普通泰曼-格林型干涉仪的参考臂引入三种或四种固定的相移，在每一次移相后由CCD记录干涉场中各点的光强信号，由计算机根据相位方程求得各采样点的相位值，从而实现对被测表面的直接相位测量和实时数据处理。类似的相移方法也被用于测量非光学表面及其变形的电子散斑干涉技术中。此外，在采用激光干涉条纹投射的位相测量轮廓术中，也要引入不同的光学相移。总之，光学移相器在基于光学干涉的测试和计量中是一种极其重要的光学元件。目前用于产生光学相移的常用方法是用压电陶瓷产生的微位移驱动反射镜。这种产生光学相移方法在使用前必须先进行标定，而精确的标定往往是很困难的。此外，压电陶瓷固有的非线性，滞回特性以及老化等因素都会对移相精度产生影响。
发明内容
本发明的目的就是提供一种可调光学移相器及移相方法。该光学移相器移相精度高，可调性强，操作过程简单。
本发明是通过下述技术方案加以实现的：包括两个串接的声光调制器1和2，它们各自的射频功率放大器3和4及一个正弦波信号发生器5构成的可调光学移相器，其特征在于，正弦波信号发生器5的输出端，与射频功率放大器3的输入端，和串接电子移相器6与射频功率放大器4的输入端并连。
采用上述的光学移相器实现光的移相方法，其特征在于：当入射光束进入声光调制器1，正弦波信号发生器5向射频功率放大器3和电子移相器6发射相同频率的射频信号，通过调节和控制电子移相器6，则声光调制器1和2受到相同频率而不同相位的不同射频信号的驱动。将声光调制器1产生的具有正向或负向频移的一级衍射光作为声光调制器2的输入光，取声光调制器2产生的具有负向或正向频移的一级衍射光作为输出光。该输出光具有与入射光相同频率但可调的相移。
上述的光学移相器采用声光作用的原理，在声光晶体内入射光波与由超声换能器产生的声波场相互作用，入射光被衍射得到不同级次的衍射光。在不引入任何机械位移的条件下，使用两只串接的声光调制器，由第一声光调制器产生的具有正(或负)向频移的一级衍射光作为第二声光调制器的输入光，取第二声光调制器产生的具有负(或正)向频移的一级衍射光。两只声光调制器由具有相同频率的射频信号驱动，因此两只声光调制器共同作用的结果是出射光的频率保持不变。通过控制两只声光调制器射频驱动信号之间的相位延迟既实现了对入射光的相移控制。这种控制是对相移的直接控制，无需对相移进行标定。此外，由于相移是通过电子方式实现的，本发明涉及的光学移相器可产生动态可调的光学相移。
附图说明
图1为本发明可调光学移相器结构及实现移相过程示意图。图中，1，2为声光调制器；3，4为射频功率放大器；5为正弦波信号发生器；6为电子移相器；7为入射光束；8为声光调制器1产生的一级衍射光；9为声光调制器2产生的一级衍射光；1-1和2-1为超声波换能器；1-2和2-2为声光晶体内的声波场；1-3和2-3为声光晶体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。如附图1所示，入射光束7沿箭头所示方向进入到声光晶体1-3。入射光束7与沿箭头所示方向在声光晶体1-3内传播的声波场1-2相互作用，产生沿箭头所示方向传播的具有正向频移的一级衍射光8。声光晶体1-3与超声波换能器1-1相接，而超声波换能器1-1由正弦波信号发生器5输出的正弦波信号经射频功率放大器3产生的信号驱动。光束8进入到声光晶体2-3，与沿箭头所示方向在声光晶体2-3内传播的声波场2-2相互作用，产生沿箭头所示方向传播的具有负向频移的一级衍射光9。声光晶体2-3与超声波换能器2-1相接，而超声波换能器2-1由正弦波信号发生器5输出的正弦波信号经电子移相器6移相，再经射频功率放大器4产生的信号驱动。
设入射光束7在进入到声光晶体1-3时的电场为
E(z0，t)＝E0 exp[i(k0z0-ω0t+0)]，
其中，E0为电场振幅；k0为入射光波矢；z0为光波的传播距离；ω0为入射光角频率；0为初始相位。设在声光晶体1-3内的声场为
A1＝A10 exp[i(K1X1-Ωt+Φ1)]，
其中，A10为声场振幅；K1为声波波矢；X1为声波在声光晶体1-3内的传播距离；Ω为声波角频率；Φ1为声波初始相位。在声光晶体1-3内，超声波的存在引起晶体密度的周期性变化，从而产生折射率的周期性变化，这种折射率周期性变化的介质对入射光束来讲起到了一种光栅的作用。当入射光束的入射角与该光栅满足一定的条件时，则入射光束的能量几乎全部被转移到第一衍射级(正一级或负上一级)上，即产生所谓的布拉格衍射。由于在晶体内的声波为行波，所产生的光栅是以一定的速度移动的，所以声光作用的结果是，声波的频率和相位被传递到衍射光束的频率和相位上。附图1表示的是声光晶体1-3产生的衍射光的频率和相位是入射光波与声波的频率和相位相加的情况，故衍射光束8在离开声光晶体1-3时的电场可表示为
E1(z1，t)＝E10 exp{i[k1z1-(ω0+Ω)t+1+Φ1]}。
光束8入射到声光晶体2-3上，设在声光晶体2-3内的声场为
A2＝A20 exp[i(K2X2-Ωt+Φ2)]。
在声光晶体2-3内，入射光束与声波场2-2产生与上述过程类似的声光相互作用，但不同的是，声光晶体2-3产生的衍射光的频率和相位是入射光波与声波的频率和相位相减。由于驱动超声波换能器1-1和2-1的射频信号具有相同的频率，所以声光晶体1-3对光束产生的正向频移将被声光晶体2-3产生的负向频移抵消，因此，衍射光束9在离开声光晶体2-3时的电场可表示为
E2(z2，t)＝E20 exp{i[k2z2-ω0t+2+Φ1-Φ2]}
其中，2为光波由声光晶体1-3的入射面到声光晶体1-3的出射面的光程所造成的相位延迟，为一固定值。Φ1-Φ2则为驱动超声波换能器1-1和2-1的射频信号之间的相位差，即经过声光晶体1-3和声光晶体2-3作用后的附加相移。可见通过控制和改变驱动超声波换能器1-1和2-1的射频信号之间的相位差即可以实现对入射光波的移相功能。本发明的关键就是将对光波的移相转化为对电信号的移相，而专业人员都清楚，对正弦信号产生精确的移相功能是不难实现的。特别是在目前微电子与数字技术高度发达的情况下，设计不同形式的电子移相器都是十分便利的。
用于本发明的声光晶体1-3和2-3可以根据所使用的光波的波长确定，对可见光波段常用的声光晶体是钼酸铅和氧化碲。超声波换能器1-1和2-1是由石英晶片和两面蒸镀金属电极构成的。包括声光晶体和超声波换能器的完整的声光器件已有多种产品，如Isomet 1205C。该声光器件中心频率为80MHz，工作波长范围为442nm-1500nm，在633nmHe-Ne激光波长射频驱动功率为0.6-0.8W，布拉格角为7毫弧度。另一种声光器件是AA Opto-electronique提供的AA.DTSX250，声光晶体是氧化碲，中心频率为82MHz，带宽为50MHz。
正弦波信号发生器5可为工作在声光器件中心频率的晶体振荡器或压控振荡器，其输出信号幅度典型值在0.1-0.5Vp-p。由锁相频率合成器和采用直接数字合成技术构成的正弦波信号发生器均可用作该目的，市售的器件如AA Opto-electronique的AA.DDS信号源模块。
射频功率放大器3和4作用是将正弦波信号发生器5和电子移相器6的信号进行功率放大，以驱动超声波换能器1-1和2-1。功率放大器可采用市售的模块和组件，如Minicircuits ZHL-1-2W放大器，或AA Opto-electronique的AA.AMP功率放大模块。
电子移相器6采用LC或RC形式的移相电路，或使用可编程时间延迟线，如Maxim公司的集成可编程时间延迟芯片。另外一种产生具有可调相移的方法是采用直接数字合成技术产生两路具有相同频率而有相位延迟的正弦波信号。
Claims (2)
1.一种可调光学移相器，该光学移相器包括两个串接的声光调制器(1)和(2)，它们各自的射频功率放大器(3)和(4)及一个正弦波信号发生器(5)，其特征在于：正弦波信号发生器(5)的输出端，与射频功率放大器(3)的输入端，和通过串接电子移相器(6)与射频功率放大器(4)的输入端并连。
2.一种采用按权利要求1所述的可调光学移相器实现光的移相方法，其特征在于：当入射光束进入声光调制器(1)，正弦波信号发生器(5)向射频功率放大器(3)和电子移相器(6)发射相同频率的射频信号，通过调节和控制电子移相器(6)，则声光调制器(1)和(2)受到相同频率而不同相位的不同射频信号的驱动；将声光调制器(1)产生的具有正向或负向频移的一级衍射光作为声光调制器(2)的输入光，取声光调制器(2)产生的具有负向或正向频移的一级衍射光作为输出光，该输出光具有与入射光相同频率但可调的相移。
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