利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统

摘要

本发明公开了一种利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统。利用光纤光栅反射布拉格波长特性和波分复用技术构成光纤复合干涉仪，该干涉仪含二个反射镜独立光路几乎重合的光纤迈克尔逊干涉仪。一个干涉仪用于测量；另一个干涉仪用于稳定，经反馈控制电路补偿环境干扰对测量系统的影响，从而使系统适用于在线测量。谱宽40nm的超辐射发光二极管发出的光被三个布拉格波长不同的光纤光栅反射包含三个波长的光进入系统，一个波长作用于稳定干涉仪中，稳定系统；另二个波长作用于测量干涉仪中，产生合成波干涉，实现测量。调节作用于测量干涉仪的二个波长的大小，可得不同大小的合成波长，实现对不同高度台阶测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统，特别是涉及一种适用于在线测量的台阶高度测量系统，属于光学测量技术领域。

背景技术

[1]D.P.Hand，T.A.Carolan，J.S.Barton，and J.D.C.Jones，光学快报(Optics Letters)，1993年，第18卷，第16期，1361-1363页。现有技术文献[1]的工作原理如图1所示，半导体激光器发出的光经过法拉第隔离器和光纤50∶50耦合器后，到达测量头，测量头是一个菲索干涉仪，一部分光被光纤端面反射作为参考光，另一部分光经过自聚焦透镜聚焦后，投射到被测表面上，由被测表面反射重新回到系统中并与参考光发生干涉，干涉信号由探测器D1探测，干涉信号的相位决定于被测表面被测点的纵向高度；改变该激光器的驱动电流以改变激光器的发光频率，用四种不同频率的光对同一点进行测量，得到四个干涉信号，由于入射光波频率不同，四个干涉信号的相位就不同，调节驱动电流，使相邻两个干涉信号的相位差π/2，通过以下式子，即可解调出该点的光程差D，即完成单点的测量：

$D=\frac{c}{4\mathrm{\pi v}}{\tan }^{-1}\left(\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}\right)$

I_n(n＝1，2，3，4)是第n次干涉信号的强度，c是光速，v是入射光频率。

步进电机再带动测量头横向扫描被测表面，即完成对被测表面的测量。

[2]Dejiao Lin，Xiangqian Jiang，Fang Xie，Wei Zhang，Lin Zhang and IanBennion，光学特快(Optics Express)，2004年，第12卷，第23期，5729-5734页。现有技术文献[2]的工作原理如图2所示，由半导体激光器发出波长为λ₀的光经过两个3dB-耦合器后被分为两路，一路被光纤光栅反射，另一路被参考反射镜反射。两路反射光经过3dB-耦合器后再次相遇并且发生干涉，干涉信号经过回旋器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过回旋器，然后被PIN探测器探测，此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节光纤干涉仪的参考臂的长度，使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(相位差为π/2)，从而实现稳定该干涉仪的目的。

可调谐激光器发出的波长λ_m可变的光经过两个光纤3dB-耦合器后被分为两路，一路经过光纤自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中，另一路经过光纤自准直透镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中，两路光经过3dB-耦合器后相遇，形成干涉信号，此干涉信号经过回旋器及光纤光栅后，被PIN探测器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的位移。

上述两个现有技术存在的问题和不足是：

1、测量系统对环境振动和温度漂移等干扰敏感，不适用于在线测量。

2、测量的台阶高度受入射光波波长λ的限制，可测量的台阶高度小于λ/2，仅为几百纳米，无法对几十至几百微米的台阶高度进行测量。

本发明的目的就是针对现有技术存在的问题和不足而提出一种利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统。

发明内容

本发明的目的是通过如下技术方案实现的。

一种利用光纤光栅及波分复用技术的台阶高度在线测量系统，该系统是由超辐射发光二管SLD、光纤光栅FBG、回旋器、3dB-耦合器、光纤自准直透镜GRIN、压电陶瓷PZT、测量反射镜、参考反射镜、探测器PD、信号电路处理、相位测量、反馈控制电路、A/D转换卡、信号发生器、计算机、输出结果组成。中心波长为1550nm谱宽40nm的超辐射发光二极管发出的光经布拉格波长不同的三个光纤光栅反射波长为λ₁、λ₂和λ₃的光进入测量系统。利用光纤光栅反射布拉格波长的特性，在用于测量的光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂的末端分别写入一个参数相同的光纤光栅，以这两个光纤光栅为反射镜又构成另一个用于稳定的光纤迈克尔逊干涉仪；测量迈克尔逊干涉仪和稳定迈克尔逊干涉仪有各自独立的反射镜，两个干涉仪的测量臂和参考臂的光路几乎重合，将作为参考臂的光纤缠绕在压电陶瓷管PZT1上，反馈控制电路驱动压电陶瓷PZT1，调节参考臂的长度，补偿由于温度漂移和环境振动对稳定光纤迈克尔逊干涉仪的影响，使稳定光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(两个干涉臂的相位差π/2)，这样稳定光纤迈克尔逊干涉仪就稳定了，由于测量光纤迈克尔逊干涉仪的光路与稳定光纤迈克尔逊干涉仪的光路几乎重合，测量光纤迈克尔逊干涉仪也稳定了。反馈控制电路的频率响应范围为0～5kHz，也就是说反馈控制电路可以修正补偿频率为0～5kHz的干扰信号对测量系统的影响，使得测量系统适用于在线测量。由于光纤光栅反射布拉格波长的特性和啁啾光纤光栅反射特定光谱的特性，使波长为λ₁的光作用于稳定光纤迈克尔逊干涉仪中，完成稳定工作，另外二个波长λ₂、λ₃的光作用于测量光纤迈克尔逊干涉仪中，形成合成波干涉，完成测量工作。合成波长为${\lambda }_s=\frac{{\lambda }_2{\lambda }_3}{{\lambda }_2-{\lambda }_3},$远远大于λ₂、λ₃，使本系统可以对台阶高度进行测量。调节参考反射镜的初始位置，使测量光纤迈克尔逊干涉仪的两个臂的初始相位差为零，当测量臂的光程由于台阶高度的变化而引起Δd变化时，两个臂的初始相位差将变为所以初始相位差的变化量与台阶高度的变化量成正比，通过测量初始相位差的变化量实现对台阶高度的测量。

本发明的有益效果主要有两个：

1、本测量系统适用于在线测量。系统利用光纤光栅反射布拉格波长的特性构成复合在一起的稳定光纤迈克尔逊干涉仪和测量光纤迈克尔逊干涉仪，通过反馈控制电路使稳定光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态，使稳定光纤迈克尔逊干涉仪稳定，从而使测量光纤迈克尔逊干涉仪也稳定，使测量系统适用于在线测量。

2、本测量系统能够对台阶高度进行测量。用合成波干涉的方法扩大干涉测量量程，合成波长${\lambda }_s=\frac{{\lambda }_2{\lambda }_3}{{\lambda }_2-{\lambda }_3},$远远大于光波波长λ₂和λ₃，可以测量的台阶的最大高度为λ_s/2，可通过调节光波波长λ₂和λ₃的大小得到不同大小的合成波长，实现对不同高度的台阶测量。

附图说明

图1是现有技术文献[1]的工作原理图；

图2是现有技术文献[2]的工作原理图；

图3是本发明的工作原理图。

图中标注：SLD-超辐射发光二极管，FBG-光纤光栅，CFBG7-啁啾光纤光栅，PZT1-压电陶瓷管，PZT2-叠片式压电陶瓷，GRIN-光纤准直透镜，

PD-探测器。

具体实施方式

下面结合附图3和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图3所示，光纤光栅FBG1、FBG2和FBG3反射的布拉格波长分别为λ₁、λ₂、λ₃，FBG4、FBG5和FBG6反射的布拉格波长均为λ₁，啁啾光纤光栅CFBG7的反射谱包含λ₂、λ₃，但不包含λ₁。光纤光栅FBG4和FBG5分别写在测量光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂的末端，这样，以光纤光栅FBG4和FBG5为反射镜又构成稳定光纤迈克尔逊干涉仪，而且稳定光纤迈克尔逊干涉仪和测量光纤迈克尔逊干涉仪的光路几乎重合。中心波长为1550nm谱宽40nm的超辐射发光二极管发出的光经过回旋器1后到达光纤光栅FBG1、FBG2和FBG3，被光纤光栅FBG1、FBG2和FBG3反射回λ₁、λ₂、λ₃三个波长的光，此光经过回旋器1、回旋器2、以及3dB-耦合器后分为两路，当两路光到达光纤光栅FBG4和FBG5时，波长为λ₁的光被反射，波长为λ₂、λ₃的光透射；被反射的两路波长λ₁的光再次经过3dB-耦合器，在3dB-耦合器处相遇并发生干涉，一路干涉信号经过回旋器2、回旋器3、以及啁啾光纤光栅CFBG4，由探测器PD1探测，另一路干涉信号经过回旋器4后被光纤光栅FBG6反射，再次经过回旋器4，由探测器PD2探测。探测器PD1和PD2探测到的信号经过反馈控制电路处理，作为反馈信号作用在压电陶瓷管PZT1上，光纤干涉仪的参考臂缠绕在PZT1上，反馈信号驱动PZT1调节光纤的长度，以此调节参考臂的光程，使得稳定光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(两个干涉臂的相位差始终为π/2)，这就补偿和修正了温度漂移和环境振动等干扰对稳定光纤迈克尔逊干涉仪的影响，实现了对稳定光纤迈克尔逊干涉仪的稳定。由于测量光纤迈克尔逊干涉仪的光路与稳定光纤迈克尔逊干涉仪的光路几乎重合，所以测量光纤迈克尔逊干涉仪也稳定了。该反馈控制电路的工作频率范围为0～5kHz，也就是说该反馈控制电路可以对0～5kHz的干扰信号进行修正和补偿，使测量光纤迈克尔逊干涉仪能精确地进行测量工作，使测量系统适用于在线测量。透过光纤光栅FBG4和FBG5波长为λ₂和λ₃的两路光分别经过两个光纤准直透镜GRIN，被准直成平行光束，分别被参考反射镜和测量反射镜反射回系统，再次经过光纤光栅FBG4和FBG5，并在3dB-耦合器处相遇发生合成波干涉，合成波长为${\lambda }_s=\frac{{\lambda }_2{\lambda }_3}{{\lambda }_2-{\lambda }_3},$一路合成波干涉信号经过回旋器2和3，由啁啾光纤光栅CFBG7反射，再次经过回旋器3后被导出系统，另一路干涉信号经过回旋器4和光纤光栅FBG6后，由探测器PD3探测。当台阶高度变化时，合成波干涉信号的相位将变化。当台阶高度变化Δd时，合成波干涉信号的相位变化量为：

式中λ_s为合成波长。由方程(1)可知只要解调出干涉信号的相位变化量Δ，经过数据处理，即可测出台阶高度的变化Δd。为此，系统对参考光路中的压电陶瓷PZT2加周期性的锯齿波电压，周期性地线性调节参考光路的光程。调节锯齿波电压的幅值及参考光路光程，使得初始的周期性的锯齿波电压与干涉信号同周期同相位。当台阶高度变化Δd时，锯齿波电压的相位和干涉信号的相位就不同，测出二者之间的相位差，经过数据处理后，即得到被测位移变化量Δd值。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明所公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。