CN208780142U - 一种双光频梳测厚光路结构及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双光频梳测厚光路结构及系统。本实用新型通过利用信号光频梳作为测量臂光路的光源，并利用本振光频梳与两组测量光脉冲进行多外差干涉，通过测量干涉信号的相位时延，可计算出待测物体厚度，克服了传统迈克尔逊干涉仪存在的无法对待测表面之间的绝对距离进行测量的技术问题，实现了一种有利于高精度、高实时性的光学表面距离测量光路结构及系统。本实用新型可广泛应用于平行表面距离的测量。

Description

一种双光频梳测厚光路结构及系统

技术领域

本实用新型涉及利用光信号测量厚度领域，尤其涉及一种利用光频梳测量厚度的光路结构及系统。

背景技术

光频梳：光学频率梳(OFC)，是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的重复频率分量组成的光谱。

21世纪飞秒光频梳的实用新型使得激光测量技术出现了革命性的发展，在绝对距离测量、光谱分析、长距离时间传输等领域取得了巨大的技术突破，并迅速应用于精密测量行业的各个领域。

光学元件(如光学镜片)及薄膜的测厚是光学测量领域的一种重要应用。现有技术中，基于传统迈克尔逊干涉仪的测量方式有其应用局限性，例如，当待测光学表面(如光学元件或薄膜表面)相互平行时，由于不能将不同表面反射回的光强和光程差建立联系，基于传统迈克尔逊干涉仪的测量方式无法对待测表面之间的绝对距离(即待测厚度)进行测量。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本实用新型的第一个目的是提供一种有利于实现高精度、高实时性测量光学表面距离的光路结构。

本实用新型的第二个目的是提供一种基于上述光路结构的双光频梳测厚系统。

本实用新型所采用的技术方案是：

第一方面，本实用新型提供了一种双光频梳测厚光路结构，包括本振光光路结构、测量臂光路结构和合光光路结构；所述本振光光路结构用于接收本振光频梳，并将本振光频梳处理后输出到合光光路结构；所述测量臂光路结构用于接收信号光频梳，并将信号光频梳处理后分别经过待测物体的两个表面反射形成测量光，再将测量光输出到合光光路结构；所述合光光路结构用于分别接收所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号，并将所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的测量光叠加成干涉信号输出。

优选的，所述本振光光路结构包括第一光纤准直器、第一半波片和第一偏振片，所述本振光频梳依次经过所述第一光纤准直器、第一半波片和第一偏振片后输出到合光光路；所述测量臂光路结构包括第二光纤准直器、第二半波片、第二偏振片、偏振分光棱镜、四分之一波片，所述信号光频梳依次经过所述第二光纤准直器、第二半波片、第二偏振片、偏振分光棱镜和四分之一波片后，再分别经过待测物体的两个表面反射，再依次经过所述四分之一波片、偏振分光棱镜后形成测量光输出到所述合光光路；所述合光光路结构包括非偏振分光棱镜和滤光片，所述非偏振分光棱镜用于分别接收所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号，并将所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号叠加成干涉信号，所述干涉信号经过滤光片后输出。

第二方面，本实用新型提供了一种双光频梳测厚系统，包括用于产生本振光频梳的本振光源、用于产生信号光频梳的信号光源、光路结构和信号采集与数据处理模块：所述信号采集与数据处理模块包括用于采集所述干涉信号的光电探测器和数据处理模块，所述光电探测器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过利用信号光频梳作为测量臂光路的光源，并利用本振光频梳与两组测量光脉冲进行多外差干涉，克服了传统迈克尔逊干涉仪存在的无法对待测表面之间的绝对距离进行测量的技术问题，通过测量干涉信号的相位时延，可计算出待测物体厚度，实现了一种有利于高精度、高实时性的光学表面距离测量光路结构及系统。

此外，由于本实用新型光路结构无需参考臂，因此在光路结构中使用波片和偏振分光棱镜的组合，提高了系统的信噪比。

本实用新型可广泛应用于平行表面距离的测量。

附图说明

图1是本实用新型实施例一中，双光频梳测厚系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一中，信号采集与数据处理模块的内部结构框图；

图3是本实用新型光学表面距离测量原理示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实用新型的基本构思是：光频梳在时域表现为飞秒级的载波包络脉冲，将信号光频梳作为光路结构的光源，信号光频梳(信号光f_s)从待测物体不同表面反射回来的测量光具有不同的相位延迟，如图3所示，原本信号光频梳的单脉冲会分裂成时移恒定的双脉冲(如图3所示的测量脉冲1和测量脉冲2)，测出这个时移Δt即可求出待测物体厚度D(Δt＝2D/c，c为光速)。由于这个时移Δt非常微小，使用一般的探测方法很难准确测量，因此还需使用一个和信号光频梳有微小重复频率差的本振光频梳(本振光f_LO)与两组测量脉冲进行多外差干涉形成干涉信号，再以本振光频梳的脉冲信号作为干涉信号采样的采样时钟信号，采集到的点就是本振光和两组测量脉冲的互相关函数，得到的两组互相关函数之间的时延Δτ和原本的时移Δt之间存在一个固定倍数关系，即满足分别拟合傅里叶变换相位谱的斜率即可求出两组互相关函数之间的时延，由以下公式计算出待测物体的厚度D：

式中c为光速，n_g为待测物体的折射率，Δf_r为信号光频梳与本振光频梳之间的重复频率差，f_s为信号光频梳的重复频率，Δτ为利用傅里叶变换和最小二乘法拟合求出的两次干涉信号中心对应的精确时间差。

实施例一

本实施例提供一种双光频梳测厚系统，由激光器光源、新型双光频梳迈克尔逊干涉仪测厚光路结构以及信号采集与数据处理模块三个部分构成。系统中只需使用一个单点光电探测器，即可精确测量待测物体的光学表面之间的厚度，待测物体可以是光学镜片、薄膜厚度等。将待测物体放置在光路结构中，各待测表面反射回的光被光电探测器接收到，通过信号采集和处理解算出厚度。

一、激光器光源

如图1所示，激光器光源需要使用两个频率稳定的光频梳激光器，分别作为用于产生本振光频梳的本振光源110和用于产生信号光频梳的信号光源120，本振光频梳和信号光频梳具有微小的重复频率差且拥有重叠的光谱范围。例如，选择信号光频梳和本振光频梳的重复频率分别为f_LO和f_S，则重复频率差Δf_r＝f_S-f_LO，两台光频梳的光谱范围有一定的重叠。

二、光路结构

光路结构包括本振光光路结构、测量臂光路结构和合光光路结构；本振光光路结构用于接收本振光频梳，并将本振光频梳处理后输出到合光光路结构；测量臂光路结构用于接收信号光频梳，并将信号光频梳处理后分别经过待测物体400的两个表面反射形成测量光，再将测量光输出到合光光路结构；合光光路结构用于分别接收本振光光路结构和测量臂光路结构输出的光信号，并将本振光光路结构和测量臂光路结构输出的测量光叠加成干涉信号输出。具体的，本振光光路结构包括第一光纤准直器211、第一半波片212和第一偏振片213，本振光频梳依次经过第一光纤准直器211、第一半波片212和第一偏振片213后输出到合光光路；测量臂光路结构包括第二光纤准直器221、第二半波片222、第二偏振片223、偏振分光棱镜224、四分之一波片225，信号光频梳依次经过第二光纤准直器221、第二半波片222、第二偏振片223、偏振分光棱镜224和四分之一波片225后，再分别经过待测物体400的两个表面反射，再依次经过四分之一波片225、偏振分光棱镜224后形成测量光输出到合光光路；合光光路结构包括非偏振分光棱镜231和滤光片232，非偏振分光棱镜231用于分别接收本振光光路结构和测量臂光路结构输出的光信号，并将本振光光路结构和测量臂光路结构输出的光信号叠加成干涉信号，干涉信号经过滤光片232后输出。

如图1所示，实际工作过程中，信号光源120发出的光经过第二偏振片223变成p偏振光，经过偏振分光棱镜224时全部透射，经过一次四分之一波片225后变成圆偏振光，分别在待测量物体的前表面401和后表面402发生反射(可能在两个表面之间多次反射)后回经四分之一波片225变成s偏振光，再经过偏振分光棱镜224时发生反射，在非偏振分光棱镜231处与同样为s偏振态的本振光进行多外差干涉，干涉信号通过一个窄带滤光片232后被高带宽光电探测器310接收。

对光路结构的调节可遵循以下步骤：在四分之一波片225和偏振分光棱镜224之间放一个光功率计，旋转信号光频梳对应的第二偏振片223直到光功率最大，接着旋转信号光频梳对应的第二半波片222直到光功率最大。之后将光功率计移动到非偏振分光棱镜231和滤光片232之间，遮住本振光源110，记录此时的光功率。打开本振光源110，遮住信号光源120，调节本振光频梳对应的第一偏振片213直到光功率最大，再旋转本振光频梳对应的第一半波片212使得光功率和之前记录的光功率大小相等，此时打开信号光源120后整个系统的信噪比被优化到最大。

本实施例中，使用中心波长和带宽可调的滤光片232，依据光电探测器310信号的时域波形和频谱位置优化调节滤光片232的中心波长和带宽：当干涉信号点数(干涉周期个数)足够多且频谱中心位于光频梳(信号光频梳或本振光频梳)重复频率的四分之一位置时，信号混叠达到最小，双光频梳厚度测量系统可达到最大精度。

本实施例的光路结构在传统迈克尔逊干涉光路上进行了改良，由于在测厚的情境下只需一个测量臂，因此舍去了传统干涉仪需要使用的参考臂。使用偏振分光棱镜224和波片的组合控制光传播过程中的偏振态和传播方向，使本振光和测量光能高效的发生相干，同时降低了光学系统的调节难度。利用波片和偏振分光棱镜224的组合消除可能进入测量臂光路的干扰光信号。实际使用中，待测物体400表面和光路方向垂直，且将透射率更高的表面摆放在靠近偏振分光棱镜224的位置(一般要求待测物体400靠近偏振分光棱镜224的表面要求透射率不能太低，远离偏振分光棱镜224的表面要求透射率不能太高，具体的透射率和反射率限制跟实际系统中的信噪比有关)。使用四分之一波片225改变待测物体400表面反射回的测量光的偏振态，再利用非偏振分光棱镜231将测量光和本振光合光，最后使用滤光片232保证双光频梳的多外差干涉不发生频谱混叠。

本实施例中，系统通过对滤光片232带宽、光频梳的重复频率、双光频梳重复频率差的合理选择，可实现对厚度的测量检出限(最小厚度)小于1mm，量程(最大厚度)大于1m，测量精度可达亚微米级。

三、信号采集与数据处理模块

如图2所示，信号采集与数据处理模块包括用于采集干涉信号的光电探测器310和数据处理模块320，光电探测器310的输出端与数据处理模块320的输入端连接。

数据处理模块320包括低通滤波器、高速数据采集模块、干涉信号截取模块、快速傅里叶变换运算模块、最小二乘法拟合模块和计算模块；

低通滤波器用于将光电探测器输出的信号进行低通滤波后输出到高速数据采集模块。信号采集时，光电探测器产生的电压信号可先经过一个带宽约为信号光频梳或本振光频梳重复频率一半的低通滤波器，再使用高速数据采集模块进行采集，这种方法的优点在于可去除干涉信号中的非相干部分(干扰部分)，直接得到连续的干涉信号，高速数据采集模块的采样周期也可以随意设定。但缺点是滤波器可能会对原信号造成一定的扭曲，采集到信号的真实性存在疑问。也可以不经过低通滤波器直接采集探测器电压信号，但此时应该将采样频率设置为本振光频梳的重复频率，并通过调相使得采样信噪比最大。

高速数据采集模块用于以本振光频梳的脉冲信号作为采样时钟信号，采集得到包括多个干涉周期的干涉信号输出到干涉信号截取模块；干涉信号截取模块用于截取一个干涉周期内幅值最大的两个时域区间输出到快速傅里叶变换运算模块；快速傅里叶变换运算模块用于对上述两个时域区间的干涉信号分别进行傅里叶变换，分别求出相位谱输出到最小二乘法拟合模块；最小二乘法拟合模块用于根据上述相位谱求出相位谱的斜率k输出到计算模块；计算模块用于计算出待测物体的厚度D。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种双光频梳测厚光路结构，其特征在于，包括本振光光路结构、测量臂光路结构和合光光路结构；

所述本振光光路结构用于接收本振光频梳，并将本振光频梳处理后输出到合光光路结构；

所述测量臂光路结构用于接收信号光频梳，并将信号光频梳处理后分别经过待测物体的两个表面反射形成测量光，再将测量光输出到合光光路结构；

所述合光光路结构用于分别接收所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号，并将所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的测量光叠加成干涉信号输出。

2.根据权利要求1所述的一种双光频梳测厚光路结构，其特征在于，

所述本振光光路结构包括第一光纤准直器、第一半波片和第一偏振片，所述本振光频梳依次经过所述第一光纤准直器、第一半波片和第一偏振片后输出到合光光路；

所述测量臂光路结构包括第二光纤准直器、第二半波片、第二偏振片、偏振分光棱镜、四分之一波片，所述信号光频梳依次经过所述第二光纤准直器、第二半波片、第二偏振片、偏振分光棱镜和四分之一波片后，再分别经过待测物体的两个表面反射，再依次经过所述四分之一波片、偏振分光棱镜后形成测量光输出到所述合光光路；

所述合光光路结构包括非偏振分光棱镜和滤光片，所述非偏振分光棱镜用于分别接收所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号，并将所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号叠加成干涉信号，所述干涉信号经过滤光片后输出。

3.一种双光频梳测厚系统，其特征在于，包括用于产生本振光频梳的本振光源、用于产生信号光频梳的信号光源、如权利要求1或2所述的光路结构和信号采集与数据处理模块：

所述信号采集与数据处理模块包括用于采集所述干涉信号的光电探测器和数据处理模块，所述光电探测器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接。