CN106017307A - 准全程补偿的激光回馈干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种准全程补偿的激光回馈干涉仪，包括：一激光模组输出两束同向且相互平行的激光；一分光镜使激光模组输出的两束激光透射后成为第一透射光及第二透射光；一声光移频模组对第一透射光及第二透射光进行移频；一汇聚透镜将第一透射光及第二透射光汇聚；一第一发散透镜将汇聚后的第一透射光及第二透射光分离；一准直模组使分离后的第一透射光及第二透射光准直且相互平行；一参考镜将第一透射光反射后沿原路返回第一激光器，第二透射光被待测目标反射后沿原路返回第二激光器；一光电探测模组将第一反射光及第二反射光转换为电信号；以及一信号处理系统，将光电探测模组输入的电信号进行处理。本发明能够准确测量远距离待测目标的位移。

Description

准全程补偿的激光回馈干涉仪

技术领域

本发明涉及一种激光回馈干涉仪，特别是一种具有准全程补偿结构，用于非配合目标非接触式精密位移测量的激光回馈干涉仪。

背景技术

激光回馈干涉仪基于移频光回馈的原理，与外差式相位测量技术相结合，可以实现非配合目标的高分辨率位移测量。然而，回馈干涉仪的回馈外腔属于死程，空气折射率波动、温度变化引起的元器件变形以及激光器自身的不稳定等因素都会导致回馈光的外腔相位发生漂移，从而严重影响位移测量的分辨率和精度。尤其当干涉仪无法靠近待测目标时，待测物体离干涉仪较远，空气扰动对测量结果的影响更大。因此，为了消除死程误差，提高回馈干涉仪的环境抗干扰能力，有必要引入参考光路实时补偿外界因素所致相位漂移量。并且，参考镜离待测目标越近，补偿效果越好。

现有技术中，采用了频率复用的方式实现了准共路的环境补偿。但是，参考光被参考镜反射后沿测量回馈光的路径返回激光器，参考回馈光与测量回馈光易产生串扰。此外，当测量远距离物体时，为实现远距离补偿，参考镜离激光器较远。由于参考光并非垂直入射参考镜，参考镜微小的角度偏差都会使参考光无法返回激光器构成回馈。光路调节困难，不利于实际应用。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种易于调节、能够消除光路串扰，并且测量远距离物体也能实现准全程补偿的激光回馈干涉仪。

一种准全程补偿的激光回馈干涉仪，包括：一激光模组，包括一第一激光器及一第二激光器间隔设置，输出两束同向且相互平行的激光；一分光镜，设置于从所述激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述激光模组间隔设置，将第一激光器输出的激光分为第一反射光及第一透射光，将第二激光器输出的激光分为第二反射光及第二透射光；一声光移频模组，设置于从分光镜出射的第一透射光及第二透射光的光路上，并对第一透射光及第二透射光进行移频；其中，进一步包括：一汇聚透镜，设置于所述声光移频模组的出射光路上，将第一透射光及第二透射光汇聚；一第一发散透镜，设置于从所述汇聚透镜出射光路上，将汇聚后的第一透射光及第二透射光分离；一准直模组，设置于所述第一发散透镜的出射光路上，使分离后的第一透射光及第二透射光准直且相互平行；一参考镜，设置于待测目标附近，且与准直模组出射的第一透射光垂直，第一透射光被参考镜反射后沿原路返回第一激光器，作为参考回馈光，第二透射光被待测目标反射后沿原路返回第二激光器，作为测量回馈光；一光电探测模组，设置于所述第一反射光及第二反射光的光路上，并将第一反射光及第二反射光转换为电信号；以及一信号处理系统，与所述光电探测模组相连，将光电探测模组输入的电信号进行处理，计算参考回馈光和测量回馈光的相位变化量及相应的位移信息。

与现有技术相比较，本发明所述的准全程补偿的激光回馈干涉仪，采用两个激光器，对两路激光同时移频回馈、分离、准直，参考回馈光和测量回馈光空间分离，并且返回各自的激光器发生干涉，能够有效避免产生串扰。此外，参考镜与光路垂直设置，即使测量远距离物体，通过调节参考镜的角度，也很容易使参考光沿原路返回激光器构成回馈，进一步补偿死程误差，保证了激光回馈干涉仪的位移测量精度和分辨率。

附图说明

图1为本发明所述的激光回馈干涉仪的结构及光路示意图。

图2为本发明实施例提供的激光回馈干涉仪对于远距离测量稳定性的测量结果的示意图。

图3为本发明所述的激光回馈干涉仪的稳定性测试结果的示意图。

图4为本发明所述的激光回馈干涉仪的短期位移分辨率的测量结果分析示意图。

图5为激光回馈干涉仪补偿环境干扰的效果的示意图。

图6为有补偿和无补偿的情况下测量得到的非线性误差的比较图。

主要元件符号说明

激光模组	1
		第一激光器	11
第二激光器	12
		分光镜	2
声光移频模组	3
		第一声光移频器	31
第二声光移频器	32
		汇聚透镜	4
第一发散透镜	5
		准直模组	6
凹透镜	61
		凸透镜	62
参考镜	7
		光电探测模组	8
第一光电探测器	81
		第二光电探测器	82
信号处理系统	9
		第二发散透镜	10
待测目标	20

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的准全程补偿的激光回馈干涉仪。

请参阅图1，本发明实施例提供的准全程补偿的激光回馈干涉仪，包括一激光模组1，一分光镜2，一移频模组3，一汇聚透镜4，一第一发散透镜5，一准直模组6，一参考镜7，一光电探测模组8及一信号处理系统9。

所述激光模组1用于同向输出两束相互平行的激光。本实施例中，所述激光模组1包括一第一激光器11及一第二激光器12间隔设置，所述第一激光器11及第二激光器12输出激光方向平行且同向。所述第一激光器11及第二激光器12可分别为全内腔、半外腔或全外腔，可采用固体激光器或半导体激光器，并且可连续的输出激光。优选的，所述第一激光器11及第二激光器12的工作模式均为单纵模、基横模。本实施例中，所述第一激光器11及第二激光器12采用两个LD泵浦一片Nd:YVO₄晶体，输出的两路激光相互平行，间隔为2毫米。所述第一激光器11及第二激光器12的工作模式均为单纵模、基横模、连续输出。

所述分光镜2与所述激光模组1间隔设置，且设置于所述第一激光器11及第二激光器12输出激光的光路上。所述分光镜2将激光模组1输出的激光分为反射光及透射光两束，所述反射光用于光强探测，所述透射光用于形成移频回馈光路。具体的，所述分光镜2分别将第一激光器11输出的激光分为第一反射光及第一透射光，将第二激光器12输出的激光分为第二反射光及第二透射光。进一步，所述第一反射光与第二反射光平行，所述第一透射光与第二透射光平行。本实施例中，所述分光镜2的透光率为96%，反射率为4%。

所述声光移频模组3设置于从所述分光镜2透射的透射光的光路上，用于对透射光进行移频，可使得移频量（激光单次经过声光移频器之后的频率变化）接近激光模组1的弛豫振荡频率的一半。具体的，所述移频量与弛豫振荡频率的比值为可为1/20至2/5。所述声光移频模组3可包括至少一声光移频器，以实现移频。进一步，所述声光移频模组3可包括一第一声光移频器31及第二声光移频器32沿透射光的光路间隔设置，用于对第一透射光及第二透射光进行移频。具体的，所述第一声光移频器31及所述第二声光移频器32均设置于第一透射光的光路上及第二透射光的光路上。本实施例中，所述第一透射光及第二透射光在经过第一声光移频器31后均发生-1级衍射；在经过第二声光移频器32后均发生+1级衍射，移频量为Ω，其中Ω=Ω₂-Ω₁，Ω₁是第一声光移频器31的驱动信号频率，Ω₂为第二声光移频器32的驱动信号频率。进一步，所述第一声光移频器31及第二声光移频器32的移频量Ω于激光模组1的弛豫振荡频率的一半。优选的，所述移频量小于5MHz。本实施例中，所述第一声光移频器31的驱动频率为Ω₁=70MHz，所述第二声光移频器32的驱动频率Ω₂=70.125MHz，因此所述第一透射光及第二透射光经过所述声光移频模组3后的移频量都为Ω=Ω₂-Ω₁=125KHz。

所述汇聚透镜4与所述第一发散透镜5组成一激光分离模组，用于对从声光移频模组3出射的第一透射光及第二透射光进行分离，以避免后续扩束后的光束重合，从而利于测量，提高测量精度。具体的，所述汇聚透镜4设置于所述声光移频模组3的出射光路上，用于将第一透射光及第二透射光汇聚，并使第一透射光及第二透射光发散的光斑变得清晰。本实施例中，所述汇聚透镜4为一短焦距的凸透镜，第一透射光及第二透射光经过所述汇聚透镜4后开始快速汇聚，交叉后再分离。

所述第一发散透镜5设置于所述汇聚透镜的后方，将汇聚后的第一透射光及第二透射光分离。本实施例中，所述第一发散透镜5为一凹透镜，汇聚后的第一透射光及第二透射光经过所述第一发散透镜5后逐渐分离，并且距离越远，第一透射光及第二透射光的间距越大。

所述准直模组6设置于所述第一发散透镜5的后方，使分离后的第一透射光及第二透射光准直平行，从而避免测量远距离物体时参考光离测量光太远，保证远距离测量的补偿效果。该准直模组6还可减小第一透射光和第二透射光的发散角，进一步增大量程。本实施例中，所述准直模组6包括一凹透镜61及一凸透镜62，所述凹透镜61及凸透镜62沿所述第一发散透镜5的出射光方向依次间隔设置。所述准直模组6的扩束比M可由该凹透镜61以及凸透镜62的焦距和两镜间距来确定，所述扩束比M等于凸透镜62的焦距与凹透镜61的焦距的比值。具体的，所述准直模组6的扩束比M可大于等于4x小于等于8x，本实施中，所述准直模组6的扩束比M为6x。可以理解，所述准直模组6也可采用其他的准直结构，只要能使第一透射光及第二透射光准直平行即可。所述准直模组6使分离后的第一透射光及第二透射光准直平行，并且减小了第一透射光和第二透射光的发散角，使参考回馈光及测量回馈光尽可能多的返回到所述第一激光器11及所述第二激光器12中，从而进一步提高了激光回馈干涉仪的量程。

所述参考镜7设置在待测目标20附近，且设置于第一透射光出射的光路上，并与准直模组6出射的第一透射光垂直，以使入射到参考镜7的光沿原路返回第一激光器11中。本实施例中，所述第一透射光入射到参考镜7表面并被参考镜7反射后沿原路返回第一激光器，作为参考回馈光；所述第二透射光入射到待测目标20经待测目标20反射后沿原路返回第二激光器，作为测量回馈光。

所述第一激光器11及第二激光器12输出的激光来回两次经过第一声光移频器31及第二声光移频器32，因此总移频量均为2Ω。

所述参考回馈光和测量回馈光引起第一激光器11及第二激光器12的输出功率调制为：

(1)

其中，ΔI₁₁,₁₂为激光功率变化，κ为回馈水平，G(2Ω)为增益放大系数，φ₁₁,₁₂为固定相位，P₁₁,₁₂为外腔相位，分别由第一激光器11及第二激光器12各自输出激光的外腔腔长L₁₁和L₁₂决定，并且满足：P_11,12=4πL_11,12/λ，λ为激光波长。由式（1）可知，所述第一激光器11及第二激光器12各自输出激光的光强都受到外差的余弦调制，并且调制频率都为总移频量2Ω。

所述光电探测模组8设置于从所述分光镜2输出的反射光的光路上，用于探测所述第一激光器11及第二激光器12的输出功率并将光强信号转换为电信号。具体的，所述光电探测模组8包括一第一光电探测器81及第二光电探测器82，所述第一光电探测器81设置于第一反射光的光路上并探测其光强，所述第二光电探测器82设置于第二反射光的光路上并探测其光强，并分别转换为电信号。本实施例中，所述第一光电探测器81及第二光电探测器82均采用PIN探测器。

所述信号处理系统9与所述光电探测模组8电连接，从而将所述光电探测模组8输入的信号进行处理、显示及计算，以得到参考回馈光和测量回馈光的相位变化量及相应的位移信息。所述信号处理系统9可通过数据电缆与所述光电探测模组8连接。

进一步，在所述分光镜2以及所述光电探测模组8之间可以进一步设置一第二发散透镜10，用于对从所述分光镜2反射的第一反射光及第二反射光进行分离，使所述第一反射光及第二反射光之间的间距变大，从而有利于光电探测模组8的分别探测，避免串扰。本实施例中，所述第二发散透镜10为一短焦距的凸透镜，所述第一反射光及第二反射光经过第二发散透镜10后先汇聚再分离，从而使得光斑更小、更清晰。可以理解，所述发散透镜10为一可选元件，当所述第一反射光及第二反射光之间的间距满足第一光电探测器81及第二光电探测器82的间距要求时，也可无需所述发散透镜10。

本发明实现准全程补偿的原理是：当待测目标运动时，参考回馈光的相位变化仅来源于空气扰动，测量回馈光的相位变化来源于待测目标的位移和空气扰动，二者的差即反映了待测目标的真实位移量，排除了环境干扰所致的死程误差。

请参阅图2，为本发明所述的激光回馈干涉仪对于远距离测量稳定性的测量结果。待测物体为一个钢块，放置在距干涉仪10米处静止。参考光的零漂ΔLr和测量光的零漂ΔLm被测量2分钟。死程导致ΔLm有348nm的波动，且变化趋势与ΔLr一致。对比而言，它们的差值ΔL限制在±12nm的范围，表明在普通实验室环境下，准全程补偿激光回馈干涉仪在2min内测量10米远物体的精度可达12nm。也反映出本发明所述的激光回馈干涉仪能够测量大于10米之外的待测目标的位移，尤其是测量非配合目标的位移，即所述激光回馈干涉仪能够测量远距离的表面反射率较低或粗糙度较高的物体，且无需在待测目标上安装靶镜。

请一并参阅图3，为本发明所述的激光回馈干涉仪的稳定性测试结果。在250分钟内，ΔLm的变化范围为-2222 nm到893 nm，但差值ΔL仍然限制在180 nm。由此可见，本发明所述的激光回馈干涉仪中的准全程补偿显著提高了系统的远距离测量稳定性。

请参阅图4，为本发明所述的激光回馈干涉仪的短期位移分辨率的测量结果分析。理论上，激光回馈干涉仪采用外差测相的方法，经过电细分，分辨率可达1nm。然而，在测量10米远物体时，短期分辨率主要取决于远距离空气扰动等周围环境的影响，因此全程准共路补偿对高分辨率的保障至关重要。将物体固定在PI微位移平台（P-621.1CD）上，据干涉仪10米远。位移台的分辨率为0.2nm，重复性1nm，由闭环控制器E-753.1CD驱动。令物体做振幅为40nm的往复运动。仅从ΔLm已经无法准确判定物体的位移波形，在空气扰动的作用下，物体位移呈逐渐减小的趋势，系统的理论分辨率被淹没。而补偿后的ΔL则可以准确反映物体的运动，峰峰值为40nm。取ΔL中的线性段计算得最大非线性残差为2.3nm，表明准全程补偿激光回馈干涉仪在测量10米远物体时的短期分辨率优于3nm。

请参阅图5，图5反映了激光回馈干涉仪补偿环境干扰的效果。令物体做振幅为15nm的往返运动。在1.6s处有一干扰使ΔLr和ΔLm骤降40nm，使得ΔLm无法真实反映物体的运动。然而，补偿后上述干扰被成功滤掉，ΔL的位移与设定相符，从而说明本发明提供的激光回馈干涉仪能够很好的减少环境干扰对系统的影响。

请参阅图6，令物体从0um运动到100um，步距10微米，采用最小二乘法直线拟合，分别计算没有补偿和有补偿时的非线性残差。没有补偿时，100μm内线性度为2×10^-3，标准差138.5nm；有补偿时，线性度1×10^-4，标准差8.3nm。证明本发明提供的激光回馈干涉仪可显著提高远距离位移测量的精度。

本发明实施例中所述的准全程补偿的激光回馈干涉仪具有以下优点：（1）采用两个激光器，分别以待测目标及其附近的参考镜作为回馈物体，对两路激光同时移频回馈。参考回馈光和测量回馈光空间分离，并且返回各自的激光器发生干涉，无法产生串扰。（2）通过汇聚透镜、发散透镜组成的激光分离模组，能够有效的避免扩束后的光束重合，从而利于远距离测量时参考镜的摆放和测量；（3）通过所述准直模组，从声光移频模组出射的两路激光间距变大且互相平行。参考光和测量光的路径基本相同，在整个回馈光路上都可补偿死程误差，提高了激光回馈干涉仪的测量精度和分辨率。此外，两光束各自的发散角在经过准直模组后也进一步减小，扩大了激光回馈干涉仪的量程。（4）参考镜与光路垂直设置，即使测量远距离物体，通过简易的调节也可使参考光沿原路返回激光器构成回馈，光路调节简单，有利于激光回馈干涉仪的实际应用。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种准全程补偿的激光回馈干涉仪，包括：

一激光模组，包括一第一激光器及一第二激光器间隔设置，输出两束同向且相互平行的激光；

一分光镜，设置于从所述激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述激光模组间隔设置，将第一激光器输出的激光分为第一反射光及第一透射光，将第二激光器输出的激光分为第二反射光及第二透射光；

一声光移频模组，设置于从分光镜出射的第一透射光及第二透射光的光路上，并对第一透射光及第二透射光进行移频；

其特征在于，进一步包括：

一汇聚透镜，设置于所述声光移频模组的出射光路上，将第一透射光及第二透射光汇聚；

一第一发散透镜，设置于从所述汇聚透镜出射光路上，将汇聚后的第一透射光及第二透射光分离；

一准直模组，设置于所述第一发散透镜的出射光路上，使分离后的第一透射光及第二透射光准直且相互平行；

一参考镜，设置于待测目标附近，且与准直模组出射的第一透射光垂直，第一透射光被参考镜反射后沿原路返回第一激光器，作为参考回馈光，第二透射光被待测目标反射后沿原路返回第二激光器，作为测量回馈光；

一光电探测模组，设置于所述第一反射光及第二反射光的光路上，并将第一反射光及第二反射光转换为电信号；以及

一信号处理系统，与所述光电探测模组相连，将光电探测模组输入的电信号进行处理，计算参考回馈光和测量回馈光的相位变化量及相应的位移信息。

2.如权利要求1所述的准全程补偿的激光回馈干涉仪，其特征在于，所述声光移频模组包括一第一声光移频器及一第二声光移频器沿第一透射光及第二透射光的输出方向间隔设置。

3.如权利要求2所述的准全程补偿的激光回馈干涉仪，其特征在于，所述第一声光移频器与第二声光移频器的移频量的差值小于激光模组的弛豫振荡频率的一半。

4.如权利要求2所述的准全程补偿的激光回馈干涉仪，其特征在于，所述第一透射光及第二透射光经过第一声光移频器后发生-1级衍射，经过第二声光移频器后发生+1级衍射，所述第一透射光及第二透射光经过第一声光移频器及第二声光移频器后的移频量为Ω，其中Ω=Ω₂-Ω₁，Ω₁是第一声光移频器的驱动信号频率，Ω₂为第二声光移频器的驱动信号频率。

5.如权利要求1所述的准全程补偿的激光回馈干涉仪，其特征在于，所述准直模组包括一凹透镜及一凸透镜沿所述第一发散透镜的出射光方向间隔设置。

6.如权利要求5所述的准全程补偿的激光回馈干涉仪，其特征在于，所述准直模组的扩束比大于等于4倍小于等于8倍。

7.如权利要求1所述的准全程补偿的激光回馈干涉仪，其特征在于，所述汇聚透镜为一凸透镜，所述第一发散透镜为一凹透镜，所述汇聚透镜与所述第一发散透镜组成一激光分离模组。

8.如权利要求1所述的准全程补偿的激光回馈干涉仪，其特征在于，进一步包括一第二发散透镜，设置于分光镜与光电探测模组之间，且与所述分光镜及光电探测模组间隔设置，以将第一反射光和第二反射光分离。

9.如权利要求8所述的准全程补偿的激光回馈干涉仪，其特征在于，所述第二发散透镜为一凸透镜。