CN1275712A - 激光干涉测长法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光端点干涉测长法,它克服了现有激光干涉测长法要求测量元件必须从长度的起始点沿直线连续移动到终止点,并对移动过程中干涉条纹的变化量进行计数,测量过程中若受到异物遮挡光线等干扰将导致测量结果无效的缺点。本发明利用半导体激光调制技术,只在被测长度的两个端点位置进行干涉测量即可得到长度值。这种测长方法不涉及长度的中间过程,抗干扰性强,可应用于长度、位移等的精密测量。

Description

激光干涉测长法

本发明是一种激光干涉测长法，涉及一种利用半导体激光的调制技术，在被测长度的两个端点干涉测量长度的方法。

在长度的精密干涉测量方法中，经典方法有迈克尔逊干涉仪，现代方法有双频激光干涉仪等。它们的相同点是，在测量中都要求测量元件从长度的起始点沿直线连续移动到终止点，并对移动过程中干涉条纹的变化量进行计数，再从干涉条纹的变化量计算出长度值。哈尔滨工业大学出版社1988年出版的《计量光学》第16章第2节340页分析的激光干涉仪，采用的测量方法是让激光束通过分光镜分成两束后，分别进入固定的反射镜和移动的反射镜，检测移动反射镜从长度的起始点沿直线连续移动到长度的终止点的过程中，两个反射镜形成的干涉条纹的变化数目，计算得到被测长度值。这种测量方法要求测量元件从长度的起始点沿直线连续移动到终止点，并在移动过程中对干涉条纹的变化数目连续进行计数，才能得到长度值。其缺点是如果在测量元件移动过程中，发生异物遮挡测量光线等干扰，则测量结果无效。

本发明的目的是提供一种只需要在被测长度的两个端点位置分别进行干涉测量，就可得到这两个端点间长度值的半导体激光端点干涉测长法。这种方法的测量结果只与长度的两个端点位置有关，而不涉及长度的中间过程。

本发明的目的可以通过以下方法实现，其步骤如下：

利用基准电源给半导体激光器提供基准电流，使其以基准频率和波长工作。

通过比较器得到激光器的预置工作温度和实测工作温度之间的误差值，经驱动电路使半导体致冷器件调节激光器的工作温度，实现对激光器的自动恒温控制，避免测量过程中温度变化对激光频率和波长产生影响。

利用锯齿波调制电源在半导体激光器的基准电流上迭加锯齿波调制电流，使激光频率ν或波长λ在基准值附近小范围线性变化Δν或Δλ。

让被调制的激光束经准直透镜成为平行光束，进入两臂不等长的干涉仪光路中，经分光棱镜分成两束后，分别由干涉仪光路中短臂上位置固定的反射角锥棱镜和干涉仪光路中长臂上的反射角锥棱镜反射后，在光电探测器相干涉形成拍频信号。

用计数器对拍频信号在调制期间的变化数目进行计数。在干涉仪光路中长臂上的反射角锥棱镜分别位于被测长度的两个端点位置a和b处时，进行相同频率或波长调制量的干涉测量，分别得到拍频信号变化数目Na和Nb。

将计数器得到的拍频信号变化数目Na和Nb送入计算机，利用下式计算出两个端点a和b之间的长度值S：

                 S＝k·(Nb-Na)式中的系数k为 $k=\frac{c}{2\mathrm{n\Δ\ν}}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{n\Δ\λ}}$ 其中，c：光速；n：空气折射率；Δν：激光频率的调制变化量，可采用高精度频率测量仪器测出；λ和Δλ：激光基准波长和波长的调制变化量，可用高精度波长测量仪器测出。

本发明提出的半导体激光端点干涉测长法区别于现有干涉测长方法的独特优点是：只需要在被测长度的两个端点位置分别进行干涉测量，就可以得到这两个端点之间的长度值，测量结果只与长度的两个端点位置有关，而不涉及长度的中间过程。因此，这种方法抗干扰性强，不存在累计误差。另外，本发明提出的半导体激光端点干涉测长法采用的半导体激光器体积小，重量轻，寿命长，价格低，相对于现有技术的激光干涉仪可以减小测量仪器的体积和重量，增加使用寿命，节约成本。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如附图所示，选择单模性好(TEM00模式输出)，稳定性好，功率约5～20mW的半导体激光器10。通过直流基准电源1给半导体激光器10提供基准电流，使激光器10以基准频率ν和基准波长λ工作。

将温度传感器5检测的激光器10的实际工作温度与预置电路6设置的激光器10的预置工作温度，一起送入比较器7，得出误差值，经驱动电路8使半导体致冷器件9调节激光器10的工作温度，使其自动恒定在预置的工作温度上，避免温度变化影响激光频率或波长。将半导体激光器10、温度传感器5和半导体致冷器件9三者固定在一个恒温小盒内，以保证实现自动恒温控制。

将直流基准电源1提供的基准电流与锯齿波调制电源2提供的调制电流，经过加法器3迭加后，再经驱动电路4驱动半导体激光器10工作。利用锯齿波调制电源2对基准电流作小范围调制，使激光频率(或波长)在基准值附近作小范围线性变化Δν(或Δλ)。这里，利用锯齿波的斜边对激光器10实行线性调制，利用锯齿波的幅度控制调制范围，以保证调制期间不产生“跳模”现象。

让半导体激光器10发出的调制激光束经准直透镜11成为平行光束，入射到两臂不等长的干涉仪光路中，经分束棱镜12被分成两束，分别由干涉仪短臂上位置固定的反射角锥棱镜13和干涉仪长臂上位置分别置于被测长度的两个端点a和b处的反射角锥棱镜14反射后，在光电探测器15相干涉形成拍频信号。

在干涉仪光路中，短臂上的反射角锥棱镜13的位置固定不变，当长臂上的反射角锥棱镜14处于被测长度的一个端点a点时，到达光电探测器15相干涉的两光束的光程差为2nRa，这里的n为空气折射率，Ra为a点处干涉仪光路两臂的臂长差。根据半导体激光器10输出的激光基准频率ν，被调制线性变化Δν，成为(ν+Δν)的过程中，在光电探测器15相干涉的两光束的位相差的改变量 $\mathrm{\Δ\φa}=\frac{2\mathrm{\π}(\mathrm{\ν}+\mathrm{\Δ\ν})}{c}\·2\mathrm{nRa}-\frac{2\mathrm{\π\ν}}{c}\·2\mathrm{nRa}$ $=\frac{2\mathrm{\π\Δ\ν}}{c}\·2\mathrm{nRa}$ 求出a点处的臂长差为： $\mathrm{Ra}=\frac{c}{2\mathrm{n\Δ\ν}}\·\frac{\mathrm{\Δ\φa}}{2\mathrm{\π}}$

用计数器16计出频率线性调制变化Δν的过程中，拍频信号的变化数目Na，根据关系式：

               Δφa＝2πNa得到利用频率线性调制变化Δν和相应拍频信号变化数目Na，求a点处臂长差的公式： $\mathrm{Ra}=\frac{c}{2\mathrm{n\Δ\ν}}\·\mathrm{Na}$ 根据频率和波长的关系： $\mathrm{\Δ\ν}=\frac{c}{{\mathrm{\λ}}^2}\mathrm{\Δ\λ}$ 式中，Δλ为相对于频率线性变化Δν时，波长λ的线性改变量。得到利用波长线性调制变化Δλ和相应拍频信号变化数目Na，求a点处臂长差的公式： $\mathrm{Ra}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{n\Δ\λ}}\·\mathrm{Na}$ 取系数k为 $k=\frac{c}{2\mathrm{n\Δ\ν}}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{n\Δ\λ}}$ 将干涉仪光路中a点处的臂长差公式统一为Ra＝k·Na

在系数k的表示式中，c：光速；n：空气折射率；Δν：激光频率的调制变化量，可采用高精度频率测量仪器测出；λ和Δλ：激光的基准波长和波长的调制变化量，可用高精度波长测量仪器测出。系数k在频率线性调制变化量Δν或波长线性调制变化量Δλ一定时，是一个常数。

在反射角锥棱镜14位于干涉仪光路中长臂上被测长度的另一端点b点时，以相同的频率线性调制变化量Δν(或波长线性调制变化量Δλ)，进行干涉测量，测出拍频信号变化数目Nb，得到干涉仪光路中b点处的臂长差公式：

                Rb＝k·Nb

将计数器16在a点和b点分别测量时获得的拍频信号变化数目测量值Na和Nb送入计算机17，利用公式

           S＝Rb-Ra＝k·(Nb-Na)计算得到a和b两个端点之间的长度值S。

还可以通过一个高频脉冲信号源对拍频信号进行细分，计算出一个拍频信号周期内包含的细分脉冲数目，以得到拍频信号变化数目的整数之外的尾数数目，实现高分辨率测量。

Claims (1)

1.一种在被测长度的两个端点分别进行激光干涉测量而得到端点间长度值的方法，其特征在于包括以下步骤：

利用基准电源(1)给半导体激光器(10)提供基准电流，使其以基准频率或波长工作；

通过比较器(7)得到激光器(10)的预置工作温度和实测工作温度的误差值，经驱动电路(8)使半导体致冷器件(9)调节激光器(10)的工作温度，实现自动恒温控制，以避免温度变化对激光频率和波长产生影响；

利用锯齿波调制电源(2)对激光器(10)的基准电流进行调制，即在激光器基准电流上迭加锯齿波调制电流，使激光频率ν或波长λ在基准值附近作小范围线性变化Δν或Δλ；

让激光器(10)发出的调制激光束经准直透镜(11)成为平行光束，进入两臂不等长的干涉仪光路中，经分束棱镜(12)分成两束，并分别由干涉仪光路中短臂上位置固定的反射角锥棱镜(13)和干涉仪光路中长臂上位置分别置于被测长度两个端点a和b的反射角锥棱镜(14)反射后，在光电探测器(15)相干涉形成拍频信号；

先后将反射角锥棱镜(14)置于干涉仪光路中长臂上的被测长度的两个端点位置a和b处，以相同的频率或波长调制变化量进行干涉测量，用计数器(16)对拍频信号的变化数目分别进行计数，获得在a和b两个端点位置测得的拍频信号的变化数目Na和Nb；

将计数器(16)获得的Na和Nb，送入计算机(17)，利用下式计算出两个端点a和b之间的长度值S：

           S＝k·(Nb-Na)式中的系数k为 $k=\frac{c}{2\mathrm{n\Δ\ν}}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{n\Δ\λ}}$ 其中，c：光速；n：空气折射率；Δν：激光频率的调制变化量，可采用高精度频率测量仪器测出；λ和Δλ：激光基准波长和波长的调制变化量，可用高精度波长测量仪器测出。