CN2391169Y - 微小位移的半导体激光干涉测量仪 - Google Patents
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Abstract
一种微小位移的半导体激光干涉测量仪,包括同光轴地依次置有原光源、第一透镜、偏振分束器、分束器、参考平板和被测物体;偏振分束器反射光束的方向上置有第二透镜和调制光源。调制光源和原光源均为半导体激光器。原光源的波长是通过正弦信号发生器与驱动器来控制调制光源的光强正弦变化,调制光源的输出光强加于原光源上,利用光热效应来调制的。而原光源输出光强不随时间变化,避免了已有技术中的补偿问题,提高了测量精度,使用操作简便。
Description
本实用新型涉及到微小位移干涉测量仪，特别是涉及到使用正弦相位调制的半导体激光器的微小位移干涉测量仪。
由于半导体激光器(以下简称为LD)波长的温度稳定性得到较好的解决，半导体激光干涉仪正在被广泛地研究开发。LD除体积小、用电省、价格低外，一个突出的优点是波长调制简便。这使得能提高测量精度的光外差技术在半导体激光干涉仪中可以简单地通过直接调制LD的注入电流来实现。日本新泻(Niigata)大学的佐佐木修己(Osami Sasaki)先生等提出了一种用于测量微小位移的正弦相位调制半导体激光干涉仪，(参见已有技术[1]Osami Sasaki，Kazuhide Takahashi，andTakamasa Suzuki，“Sinusoidal phase modulating laser diode interferometer with afeedback control system to eliminate external disturbance，”Opt.Eng.，1990，29(12)，1511-1515.)此干涉仪如图1所示。以半导体激光器作为原光源1发出的光束由第一透镜2准直为平行光束，由分束器3反射的反射光束f照射到参考镜4上，透过分束器3的透射光束t照射到被测物体5上，参考镜4、被测物体5的反射光束产生的干涉信号由接收元件6转换为电信号，经模数转换器7转换为数字信号后送入计算机8进行数据处理。与原光源1连接的驱动器9分别与第一直流电源10和正弦信号发生器11连接。向原光源1注入一个正弦电流信号使得原光源1波长正弦变化，从而得到正弦相位调制的干涉信号。从干涉信号傅立叶变换后得到的频率成分可纳米精度测出被测物体5的微小位移。
向作为原光源1的半导体激光器注入电流后，其强度和波长分别为：
g(t)＝β1[i0+Δi(t)]， (1)
λ(t)＝λ0+β2Δi(t)， (2)
i0与Δi(t)分别为驱动电流的直流和交流分量，β1、β2为比例常数，λ0为对应于直流分量i0的中心波长。交流分量
Δi(t)＝αcos(ωct+θ)。 (3)
接收元件6检测到的干涉信号为：
I(t)＝I0(t)+S0(t)cos[zcos(ωct+θ)+α0+α(t)]，(4)
其中I0(t)与S0(t)为由于原光源1的输出光强被调制所产生的随时间变化的函数，z为干涉信号相位调制的振幅，α0＝2πr0/λ0，α(t)＝4πr(t)/λ0，r0为被测物体5静止时的光程差，r(t)为待测的微小位移。对式(4)进行傅立叶变换(参见已有技术[2]Osami Sasaki and Hirokazu Okazaki，“Sinusoidal phase modulating interferometerusing optical fibers for displacement measurement，”Appl.Opt.1988，27(19)，4139-4142.)求得α(t)，进而求得微小位移r(t)。
由于原光源1的光强g(t)被调制，使得I0(t)和S0(t)随时间变化，这将影响式(4)傅立叶变换后的频谱成分，造成测量误差。为消除该误差，佐佐木修己先生采用软件的方法来补偿原光源1输出光强的变化，这种补偿是在得到干涉信号后，数据处理时实现的，仅为粗略补偿，而且需根据外界条件的变化随时对软件进行修正。如果此干涉仪仪器化的话，用户根据外界条件的变化随时修正软件，这给正确测量造成困难。
本实用新型的目的为从根本上解决直接调制光源波长引起的光强度变化的补偿问题，为使操作方便，测量精度高，提供一种微小位移的半导体激光干涉测量仪。
本实用新型的微小位移的半导体激光干涉测量仪，如图2所示。它包括置于机壳19内的带有第一直流电源10的原光源1的发射光束前进方向上同光轴地依次置有第一透镜2，偏振分束器17，分束器3，参考平板18与被测物体5。在分束器3的反射光束f2上置有输出与连接到机壳19外的计算机8上的模数转换器7连接的接收元件6。在偏振分束器17的反射光束f1的前进方向上，依次置有第二透镜16和调制光源15。调制光源15带有驱动器9，驱动器9连接有第二直流电源14和移相器13。移相器13经过正弦信号发生器11与控制器12相连，控制器12连接到置于机壳19外的模数转换器7上。
上面所说的原光源1和调制光源15均是半导体激光器(也称激光二极管，简称为LD)。
所说的接收元件6是光电二极管，或是光电池等光电转换器件。
所说的偏振分束器17是由能够将偏振方向相互垂直的两束光分开的分光元件构成的。也就是说，让一束光透过，让偏振方向与其垂直的另一束光被反射的分光元件构成的。如是偏振分光棱镜，或是镀有膜层的平行平板等。
所说的分束器3是指能够将入射光按接近于1∶1的光强比分成两束光的分光元件。如分光棱镜、或一面镀有析光膜的平行平板等
所说的参考平板18是一对着分束器3一侧的表面上镀有增透膜，而另一对着被测物体5一侧的表面上镀有增反膜的平行平板。其反射率R满足0.08＜R＜0.73，相应地透射率T满足0.27＜T＜0.92。
如图2所示，作为原光源1的LD由第一直流电源10驱动，使得原光源1的光强不随时间变化，原光源1的波长由调制光源15正弦光热效应调制。原光源1发出的光由第一透镜2准直，透过偏振分束器17和分束器3的透射光束t1照射到参考平板18上，透过参考平板18的透射光束t2照射到被测物体5上，参考平板18和被测物体5两者反射的光束产生的干涉信号由接收元件6转换为电信号，经模数转换器7送入计算机8处理。正弦信号发生器11的信号经移相器13后进入调制原光源15的驱动器9，控制器12产生采样触发脉冲与采样信号送入模数转换器7。调制光源15发出的光由第二透镜16准直，经偏振分束器17反射后，由第一透镜2聚焦于原光源1上。原光源1与调制光源15发出的光的偏振方向相互垂直，偏振分束器17使原光源1的光透过而不反射到调制光源15上，同时使调制光源15的光入射到原光源1上，其中被原光源1反射的部分光束不会再通过偏振分束器17。正弦信号发生器11通过移相器13向驱动器9加入正弦信号使调制光源15的输出光强正弦变化，此光强照射到原光源1上后，由于光热效应，原光源1的结温相应地正弦变化，使得原光源1的波长按正弦变化。接收元件6接收到的干涉信号的相位被正弦调制。由于原光源1的注入电流为直流，原光源1的输出光强不随时间变化，因此接收元件6接收到的干涉信号为
I(t)＝I0+S0cos[zcos(ωct+θ)+α0+α(t)]， (5)
其中，I0与S0分别为干涉信号直流分量与交流分量的振幅，z为干涉信号相位调制的振幅，α0＝2πr0/λ0，α(t)＝4πr(t)/λ0，r0为被测物体5静止时的光程差。r(t)为待测的微小位移。对式(5)进行傅立叶变换(参见对比文献[2]Osami Sasaki andHirokazu Okazaki，“Sinusoidal phase modulating interferometer using optical fibersfor displacement measurement，”Appl.Opt.1988，27(19)，4139-4142.)求得α(t)，
r(t)＝λ0α(t)/4π。 (6)
α(t)的测量精度达到0.01rad是较容易实现的。若采用常用的波长λ0为785nm的LD，位移的分辨率为0.62nm。若α的测量精度提高到0.001rad，则分辨率提高到0.062nm。
因原光源1的输出光强度不随时间变化，式(5)中的I0、S0为常数，从而从根本上解决了调制波长时光强变化对测量的影响。
本实用新型的优点有：
1.提高了测量精度。已有技术中，直接调制原光源1的波长时，原光源1的输出光强随时间变化，影响了对干涉信号进行傅立叶变换后得到的频谱分布。由于位移是根据该频谱的频率成分求出的，因此输出光强的变化引入了测量误差。本实用新型含有调制光源15，利用光热效应调制原光源1的波长，原光源1的输出光强不随时间变化，避免了该测量误差，提高了测量精度。
2.已有技术的输出光强变化是采用软件方法补偿的。该补偿是在得到干涉信号后，数据处理时实现的，仅为粗略补偿，存在残留误差，而且需根据外界条件的变化随时对软件进行修正。本实用新型避免了这一补偿问题。
3.就已有技术直接调制原光源1波长的干涉测量仪来说，仪器化后，用户必须根据外界条件的变化随时修正软件以补偿光强变化，这给用户正确使用该仪器带来困难。本实用新型的干涉测量仪仪器化后，不需要用户补偿，使用操作简便。
图1为已有技术直接调制原光源1波长的干涉测量仪示意图；
图2为本实用新型的含有调制光源15的利用光热效应调制原光源1波长的干涉测量仪示意图。
实施例：
如图2所示的结构。其中原光源1和调制光源15均采用波长λ0为785nm的LD。接收元件6为光电二极管。分束器3是一面镀有析光膜的平行平板。偏振分束器17是偏振分光棱镜。参考平板18是透射率T＝0.62，反射率R＝0.38。开始测量时，通过正弦信号发生器11与驱动器9来控制调制光源15的输出光强正弦变化的幅度，使得上述式(5)中的z值约为2.34。通过调节移相器13使得上述式(5)中的θ值为0或π。z＝2.34与θ＝0或π时，求得的位移r(t)的精度最高。r(t)＝62.47α(t)nm，当α(t)＝1.0，r(t)＝62.47nm。
用本实用新型的干涉测量仪可以测量幅度不超过半个光源波长的位移，这个位移可以是静止的位移或随时间随机变化的位移。
Claims (4)
1.一种微小位移的半导体激光干涉测量仪，包括：
<1>带第一直流电源(10)的原光源(1)发射光束前进的方向上同光轴地依次置有第一透镜(2)、分束器(3)、参考平板(18)和被测物体(5)，上述各部件除被测物体(5)外均置于机壳(19)内；
<2>在分束器(3)的反射光束(f2)上置有输出与连接到机壳(19)外的计算机(8)上的模数转换器(7)连接的接收元件(6)；
其特征在于：
<3>在第一透镜(2)与分束器(3)之间同光轴地置有偏振分束器(17)；
<4>在偏振分束器(17)反射光束(f1)的方向上，依次置有第二透镜(16)和调制光源(15)；
<5>调制光源(15)带有连接有第二直流电源(14)和移相器(13)的驱动器(9)，其中移相器(13)经过正弦信号发生器(11)与连接到机壳(19)外的模数转换器(7)的控制器(12)相连。
2.根据权利要求1所述的微小位移的半导体激光干涉测量仪，其特征在于所说的原光源(1)和调制光源(15)均是半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的微小位移的半导体激光干涉测量仪，其特征在于所说的偏振分束器(17)是由能够将偏振方向相互垂直的两束光分开的分光元件构成的，如是偏振分光棱镜，或是镀有膜层的平行平板。
4.根据权利要求1所述的微小位移的半导体激光干涉测量仪，其特征在于所说的参考平板(18)是对着分束器(3)一侧的表面上镀有增透膜，而另一对着被测物体(5)一侧的表面上镀有增反膜的平行平板，其反射率R满足0.08＜R＜0.73，相应地透射率T满足0.27＜T＜0.92。
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|---|---|---|---|---|
| CN109631767A (zh) * | 2018-12-12 | 2019-04-16 | 上海卫星装备研究所 | 测距装置和测距方法 |
| CN115128800A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-09-30 | 西北工业大学 | 基于f-p腔的光学位移敏感单元及逆设计方法 |
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1999
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