CN209148138U - 一种低噪声的激光外差干涉光路系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种低噪声的激光外差干涉光路系统，包括激光器、第一偏振分光棱镜、第一声光移频器、第一平面反射镜、第二偏振分光棱镜、1/4玻片、激光收发天线、第二声光移频器、第三声光移频器、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第三偏振分光棱镜、第四偏振分光棱镜、第一检偏器、第二检偏器、第一探测器和第二探测器，激光器发出激光经第一偏振分光棱镜进行分光，透射光形成第一光束作为测量光，第一光束经过第一声光移频器发生衍射，零级衍射光依然视为第一光束，第一光束继续传播，经过第二偏振分光棱镜和1/4玻片后，入射到收发天线，发射到待测目标物处。本实用新型能够减少声光移频器的相位噪声、级次混叠噪声和驱动电路谐波噪声。

Description

一种低噪声的激光外差干涉光路系统

技术领域

本实用新型涉及一种光路系统，具体的说，是一种基于多个声光移频器的低噪声的激光外差干涉光路系统，属于激光干涉测量领域。

背景技术

激光干涉测量技术由于具有非接触性、隐蔽性、精确性和抗干扰性的特点，被广泛应用于振动测量、速度测量、科学研究与试验等领域，而光路系统是激光干涉测量系统最重要的组成部分。激光干涉测量系统按照原理可以分为零差和外差两大类，二者在光路系统上具有很大的区别。零差系统的光路结构与传统的干涉仪类似，没有引入频率偏移，通过测量干涉信号的相位变化直接对目标物表面的振动信息进行测量。而外差系统中存在移频器件，通过测量由多普勒效应引起的频率偏移量来对振动信息进行测量。与零差方式相比，外差探测的方式能测量出零差探测的方式无法探测出的振动方向信息，并具有更低的噪声和更强的抗干扰性，因此外差干涉光路系统一直是本领域内的研究重点。

在外差光路系统中通常将声光移频器作为移频器件。声光移频器具有驱动功率低，频移量高，频率稳定，占用空间小的特点，与外差干涉光路的要求十分契合。

现有外差干涉光路系统均以马赫曾德干涉仪为基础，如中国专利文献CN201020134455公开的一种外差激光干涉仪光路。这种光路系统使用偏振分光棱镜对激光器出射的激光进行分光，形成两个干涉臂，其中一条干涉臂上使用声光移频器对激光进行移频，然后再使用另一个偏振分光棱镜和玻片将移频后的激光与另一干涉臂上被目标物反射回来的激光合束，从而实现外差探测的目的。由于外差干涉的探测信号通常十分微弱，容易受到噪声的影响，所以要想实现良好的探测效果，必须在光路上对噪声进行抑制。现有的光路系统对声光移频器产生的噪声没有起到很好的抑制效果，严重影响了测量效果，所以提供一种能有效减小声光移频器噪声的光路系统具有重大的意义。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有外差探测光路系统中声光移频器噪声过大的问题，提供一种基于多个声光移频器的低噪声的外差干涉光路系统。能够有效减少声光移频器的相位噪声、级次混叠噪声和驱动电路谐波噪声。

为了解决所述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种低噪声的激光外差干涉光路系统，包括激光器、第一偏振分光棱镜、第一声光移频器、第一平面反射镜、第二偏振分光棱镜、1/4玻片、激光收发天线、第二声光移频器、第三声光移频器、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第三偏振分光棱镜、第四偏振分光棱镜、第一检偏器、第二检偏器、第一探测器和第二探测器，激光器发出激光经第一偏振分光棱镜进行分光，透射光形成第一光束作为测量光，反射光形成第二光束作为参考光；第一光束经过第一声光移频器发生衍射，零级和一级衍射光为有用光束，其中零级衍射光传播方向没有改变，依然视为第一光束，一级衍射光形成第一衍射光束；第一衍射光束经第一平面反射镜反射后，入射到第三偏振分光棱镜，光束传播方向与第一光束垂直；第一光束继续传播，经过第二偏振分光棱镜和1/4玻片后，入射到收发天线，发射到待测目标物处；由目标物反射的激光被收发天线接收，沿与第一光束相反的方向传播，在第二偏振分光棱镜处发生反射，入射到第四偏振分光棱镜，此时其传播方向与第一光束方向垂直；第二光束作为参考光，首先经过第二声光移频器产生移频，其中的负一级衍射光为有用信号，继续作为第二光束入射到第三声光移频器，经第三声光移频器后，其零级衍射光作为第二光束，一级衍射光作为第二衍射光束；第二衍射光束经第三平面反射镜反射后，入射到第四偏振分光棱镜，其传播方向与第一光束平行；第二光束经第二平面反射镜反射后，入射到第三偏振分光棱镜；第一衍射光束和第二光束在第三偏振分光棱镜处合束并发生干涉效应，合束后的光束经过第二检偏器后，被第二探测器接收；第二衍射光束和第一光束在第四偏振分光棱镜处合束并发生干涉效应，合束后的光束经过第一检偏器后，被第一探测器接收。

进一步的，通过调整第二平面反射镜的角度，使第一衍射光束和第二光束在第三偏振分光棱镜处合束并发生干涉效应。

进一步的，通过调整第三平面反射镜的角度，使第一衍射光束和第二光束在第三偏振分光棱镜处合束并发生干涉效应。

进一步的，激光器为窄线宽线偏振连续波稳频激光器。

进一步的，第一、第二、第三声光移频器的移频量分别为、、，且移频量两两之间差值不同。

进一步的，第一探测器的响应通带范围包含频率，第二探测器的响应通带范围包含频率。

本实用新型的有益效果：在两条干涉臂上同时加入移频量不同的声光移频器，在满足外差探测要求的同时，实现了对声光移频器相位噪声的抑制；同时在一条干涉臂上使用两个移频量不同的声光移频器，实现了对衍射级次混叠噪声和驱动器谐波噪声的滤除，大大提高了整体系统的信噪比。

附图说明

图1为本实用新型的声光移频器出射光频率示意图。

图2为本实用新型的偏振分光棱镜分光原理示意图。

图3为本实用新型的工作原理图。

图中：1为激光器，2为第一偏振分光棱镜，3为第一声光移频器，4为第一平面反射镜，5为第二偏振分光棱镜，6为1/4玻片，7为激光收发天线，8为第二声光移频器，9为第三声光移频器，10为第二平面反射镜，11为第三平面反射镜，12为第三偏振分光棱镜，13为第四偏振分光棱镜，14为第一检偏器，15为第二检偏器，16为第一探测器，17为第二探测器，18为第一光束，19为第二光束，20为第一衍射光束，21为第二衍射光束。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例1

图1为本实用新型的声光移频器出射光频率示意图。声光移频器是通过介质内传播的超声波和光波之间的声光效应来达到频移的目的，其一级衍射光的频率偏移量与驱动频率相同，负一级衍射光的频率偏移量与驱动频率相反。对整个系统而言，主要的噪声因素为声光移频器衍射光频率的变化。由于驱动频率的不稳定和传输过程中相位的变化产生的噪声称为相位噪声，相位噪声会对各级衍射光的频率造成影响，这个影响量为。原频率为f的入射光经过声光移频器衍射后，零级和一级衍射光分别为和。同时，由于声光移频器中会同时发生布拉格衍射与拉曼—奈斯衍射，衍射级次的混叠造成出射的每一级衍射光光强中都存在很小的声光移频器驱动频率的谐波项，即，驱动电路本身也会产生同样的谐波噪声，所以经声光移频器移频后，零级衍射光的频率为和，一级衍射光的频率为，这会对系统的精度造成影响。

图2为本实用新型的偏振分光棱镜分光原理示意图。任意偏振光可以分解为两束偏振方向垂直的线偏振光，以入射面为基准将任意偏振光分解为偏振方向平行于入射面的P光和偏振方向垂直于入射面的S光，则经过偏振分光棱镜后，P光发生透射，S光发生反射，实现了分光的目的。

图3为一种低噪声的激光外差干涉光路系统工作原理图，其具体实施方案如下，包括激光器1、第一偏振分光棱镜2、第一声光移频器3、第一平面反射镜4、第二偏振分光棱镜5、1/4玻片6、激光收发天线7、第二声光移频器8、第三声光移频器9、第二平面反射镜10、第三平面反射镜11、第三偏振分光棱镜12、第四偏振分光棱镜13、第一检偏器14、第二检偏器15、第一探测器16和第二探测器17。

第一、第二、第三声光移频器的驱动频率分别为、、，其因相位噪声产生的频率改变量分别为、、；激光器1发出的激光为线偏振光，其频率为f,经第一偏振分光棱镜2进行分光，透射光形成第一光束作为测量光，其偏振方向平行于入射面；反射光形成第二光束作为参考光，其偏振方向垂直于入射面；第一光束经过第一声光移频器3，偏振方向没有改变；取衍射后的零级光为第一光束18，其频率为和，一级衍射光形成第一衍射光束20，其频率为和；第一衍射光束20经第一平面反射镜4反射后，入射到第三偏振分光棱镜12，光束传播方向与第一光束垂直；第一光束18继续传播，经过第二偏振分光棱镜5和1/4玻片6后，变为椭圆偏振光，入射到收发天线7，并经收发天线7发射到待测目标物处；经目标物反射的激光被收发天线7接收，沿与第一光束18相反的方向传播，并在经过1/4玻片6后重新变为线偏振光，偏振方向垂直于入射面；传播到第二偏振分光棱镜5处发生反射，入射到第四偏振分光棱镜13，此时其传播方向与第一光束18方向垂直，并且由于目标物处的振动产生多普勒效应，多普勒频移为，此时的频率为和。经第一偏振分光棱镜2反射的第二光束19为参考光，参考光首先经过第二声光移频器8产生移频，将衍射后的负一级衍射光作为第二光束19，其频率为和；之后入射到第三声光移频器9，经第三声光移频器9衍射后，零级衍射光作为第二光束19，其频率为、和，一级衍射光作为第二衍射光束21，其频率为、；第二衍射光束21经第三平面反射镜11反射后，入射到第四偏振分光棱镜13，其传播方向与第一光束18平行；第二光束19经第二平面反射镜10反射后，入射到第三偏振分光棱镜12。在第三偏振分光棱镜12处，因为偏振方向不同，第一衍射光束20发生透射，第二光束19发生反射，二者经过第三偏振分光棱镜12后恰好合束并发生干涉效应，调整第二平面反射镜10的角度，使二者经过第三偏振分光棱镜12后恰好合束并发生干涉效应，合束后的光束经过第二检偏器15后，被第二探测器17接收；在第四偏振分光棱镜13处，因为偏振方向不同，第二衍射光束21发生透射，第一光束18发生反射，调整第三平面反射镜11的角度，使二者经过第四偏振分光棱镜13后恰好合束并发生干涉效应，合束后的光束经过第一检偏器14后，被第一探测器16接收。在实际实施例中，第二平面反射镜10和第三平面反射镜11的角度以能够实现两束光的合束为准。

本实施例中，所述激光器1为1550nm窄线宽线偏振连续波稳频激光器。

所述第一、第二、第三声光移频器为高频率稳定度声光移频器，移频量分别为、、。第一探测器12的响应通带范围包含频率，第二探测器17的响应通带范围包含频率。

由于所述的探测器无法探测到频率很高的信号，所以含有光频项f的信号将无法被探测到。经过干涉效应后，在频域范围内，会新出现原有两束光频率的和频项和差频项，故第一探测器12所能探测到的信号的频率包括：、、、、、，通过合理的设计滤波器，可将通带范围设置在附近，则频率为的信号被保留，其他干扰信号被滤除；同理第二探测器17能探测到的信号频率包括：、、、、、，通过合理的设计滤波器，可将通带范围设置在附近，则频率为的信号被保留，其他干扰信号被滤除，消除了声光移频器级次混叠和谐波噪声带来的负面影响。对两个探测器探测到的信号进行差分处理，则得到频率为的信号，相位噪声带来的影响也被消除，整个光路系统产生的噪声大大降低。

以上描述的仅是本实用新型的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本实用新型做出的改进和替换，属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种低噪声的激光外差干涉光路系统，其特征在于：包括激光器（1）、第一偏振分光棱镜（2）、第一声光移频器（3）、第一平面反射镜（4）、第二偏振分光棱镜（5）、1/4玻片（6）、激光收发天线（7）、第二声光移频器（8）、第三声光移频器（9）、第二平面反射镜（10）、第三平面反射镜（11）、第三偏振分光棱镜（12）、第四偏振分光棱镜（13）、第一检偏器（14）、第二检偏器（15）、第一探测器（16）和第二探测器（17），激光器（1）发出激光经第一偏振分光棱镜（2）进行分光，透射光形成第一光束（18）作为测量光，反射光形成第二光束（19）作为参考光；第一光束（18）经过第一声光移频器（3）发生衍射，零级和一级衍射光为有用光束，其中零级衍射光传播方向没有改变，依然视为第一光束（18），一级衍射光形成第一衍射光束（20）；第一衍射光束（20）经第一平面反射镜（4）反射后，入射到第三偏振分光棱镜（12），光束传播方向与第一光束（18）垂直；第一光束（18）继续传播，经过第二偏振分光棱镜（5）和1/4玻片（6）后，入射到收发天线（7），发射到待测目标物处；由目标物反射的激光被收发天线（7）接收，沿与第一光束（18）相反的方向传播，在第二偏振分光棱镜（5）处发生反射，入射到第四偏振分光棱镜（13），此时其传播方向与第一光束方向垂直；第二光束（19）作为参考光，首先经过第二声光移频器（8）产生移频，其中的负一级衍射光为有用信号，继续作为第二光束入射到第三声光移频器（9），经第三声光移频器（9）后，其零级衍射光作为第二光束（19），一级衍射光作为第二衍射光束（21）；第二衍射光束（21）经第三平面反射镜（11）反射后，入射到第四偏振分光棱镜（13），其传播方向与第一光束平行；第二光束（19）经第二平面反射镜（10）反射后，入射到第三偏振分光棱镜（12）；第一衍射光束（20）和第二光束（19）在第三偏振分光棱镜（12）处合束并发生干涉效应，合束后的光束经过第二检偏器（15）后，被第二探测器（17）接收；第二衍射光束（21）和第一光束（18）在第四偏振分光棱镜（13）处合束并发生干涉效应，合束后的光束经过第一检偏器（14）后，被第一探测器（16）接收。

2.根据权利要求1所述的低噪声的激光外差干涉光路系统，其特征在于：通过调整第二平面反射镜（10）的角度，使第一衍射光束（20）和第二光束（19）在第三偏振分光棱镜（12）处合束并发生干涉效应。

3.根据权利要求1所述的低噪声的激光外差干涉光路系统，其特征在于：通过调整第三平面反射镜（11）的角度，使第一光束（18）和第二衍射光束（21）在第三偏振分光棱镜（12）处合束并发生干涉效应。

4.根据权利要求1所述的低噪声的激光外差干涉光路系统，其特征在于：所述激光器为窄线宽线偏振连续波稳频激光器。

5.根据权利要求1所述的低噪声的激光外差干涉光路系统，其特征在于：第一、第二、第三声光移频器的移频量分别为、、，且移频量两两之间差值不同。

6.根据权利要求5所述的低噪声的激光外差干涉光路系统，其特征在于：第一探测器的响应通带范围包含频率，第二探测器的响应通带范围包含频率。