相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪及其测量方法

摘要

本发明涉及一种用于二维测量的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪及其测量方法，测量原理基于光栅衍射、光学多普勒效应、Lamb半经典理论和时域正交解调原理。双折射双频氦氖激光器输出的正交偏振光垂直入射至偏振分光棱镜被分成两束不同偏振方向的线偏振光，这两束偏振光分别经过两个不同的电光调制器后分别被反射镜以±1级利特罗入射角入射到反射式衍射光栅上。衍射光分别沿各自的入射光返回激光腔内与腔内光发生自混合干涉。激光器后向输出光经偏振片后只保留单模光，并被光电探测器接受，光电探测器输出信号输出至数据处理模块进行数据处理，得到待测目标的二维位移。本发明具有结构简单，测量范围大、测量分辨率高等优点。

说明书

技术领域

本发明属于精密位移测量技术领域，具体地涉及一种用于二维测量的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪及其测量方法。

背景技术

纳米测量是先进制造业发展的关键技术，也是整个纳米科技领域的先导和基础。随着超精密加工和超微细加工技术的发展，对实时高精度二维定位系统的需求迅速增长。激光干涉仪和光栅干涉仪由于具有非接触，高分辨率和宽动态测量范围等优点而被广泛用于高精度位移测量。通常，激光干涉测量法用于测量面外位移，而光栅干涉测量则用于测量面内位移。

目前能够实现二维测量的解决方案中主要是通过使用两组干涉仪、使用二维光栅和分光技术、或用反射光栅替换干涉仪的反射镜来实现。使用两组干涉仪是最直接的方法，但不能其同时性无法得到保证。基于二维衍射光栅的光栅干涉仪在同时高精度二维定位方面表现出良好的性能，但该系统是将光栅布置在反射面内，利用二维光栅实现面内的二维位移的测量，而二维光栅的制作成本十分昂贵。在一些特定应用场景中，例如基于探针的近场显微镜和光学成像，一种准共焦光路外差光栅干涉仪也可以实现高精度二维面内测量。近几年，用反射光栅替换反射镜的外差光栅的干涉仪得到了许多关注，它由一个参考光栅和一个测量光栅组成，可以同时测量面内和面外的位移。之后，很多基于这种方法的面内和面外位移测量系统被开发出来。但是，这类系统普遍面对两个问题：当目标在平面外方向上移动一段距离时，这些系统的光路也将改变，导致检测光与光电检测器之间出现偏差。因此，平面外位移的测量通常用于给面内位移测量起补偿作用；并且这些光路系统往往十分复杂，难于调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

为了使二维微位移测量装置具有大量程、高分辨率、且适用于工业现场测量，本发明提出一种相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪及其测量方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

提出一种相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，它包括：双折射双频氦氖激光器1、沃拉斯顿棱镜2、第一电光调制器3、第二电光调制器4、电光调制器驱动器5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、反射式衍射光栅8、偏振片9、光电探测器10和信号处理模块A。

所述双折射双频氦氖激光器1发出正交偏振激光，经所述沃拉斯顿棱镜2被分成偏振方向不同的两束激光，其中的水平偏振光经所述第一电光调制器3，被所述第一反射镜6以+1级利特罗入射角入射到所述反射光栅上8，垂直偏振光经所述第二电光调制器4，被所述第二反射镜7以-1级利特罗入射角入射到所述反射光栅上8；电光调制器驱动器5输出两种不同频率的电压信号分别驱动两电光调制器3,4，并且将这两种电压信号对应的参考信号输出至信号处理模块A；激光入射到所述反射光栅8产生的衍射光沿入射路径返回所述激光器1，与腔内光发生激光反馈干涉；所述偏振片9置于所述氦氖激光器1后向输出光路上，所述光电探测器10置于偏振片9后方，光电探测器10输出至信号处理模块A；

所述信号处理模块A包括：运算放大器11、第一带通滤波器12、第二带通滤波器13、第三带通滤波器14、第四带通滤波器15、数据采集卡16和计算机17；探测信号输入至所述运算放大器11，所述运算放大器11将放大信号输出至所述第一至第四带通滤波器12-15中，四个滤波信号同时输出至所述数据采集卡16，所述数据采集卡16进行模数转换后输入所述计算机17，由所述计算机17处理后，得到待测位移。

如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述双折射双频氦氖激光器1输出双纵模正交偏振激光，两个模式间存在模式竞争。

如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述沃拉斯顿棱镜2采用α-BBO、方解石或钒酸钇为基底，出射光束的分离角在17°～23°之间。

如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述电光调制器3,4主轴方向和通过的激光偏振方向一致；所述电光调制器用于对通过的激光进行纯相位调制。

如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述电光调制器3,4用于对通过的激光进行正弦相位调制，调制幅度为π/2，调制初始相位为0；所述第一电光调制器3与所述第二电光调制器4的调制频率之比为3:7。

如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述电光调制器3,4采用波导形电光晶体。

如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述反射式衍射光栅8为Borofloat玻璃制作的全息光栅。

如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述偏振片9的偏振方向调整为仅允许双折射双频氦氖激光器的o光或e光通过。

如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述第一带通滤波器12的中心频率等于所述第一电光调制器的调制频率，所述第二带通滤波器13的中心频率等于所述第一电光调制器的调制频率的二倍，所述第三带通滤波器14的中心频率等于所述第二电光调制器的调制频率，所述第四带通滤波器15的中心频率等于所述第二电光调制器的调制频率的二倍；所述第一至第四带通滤波器12-15的带宽相同，且在通带不重叠的前提下达到最大。

本发明还提出一种基于前述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪的测量方法，其中，相位解调采用时域正交解调技术，具体步骤包括：

(1)用实时归一化算法处理所述第一至第四带通滤波器12-15输出的滤波信号；

(2)对处理后的滤波信号分别除去各自的载波，得到两组待测相位的正弦分量和余弦分量；

(3)解调出两组待测相位；

(4)依据两组待测相位和所述反射光栅8二维位移之间的线性关系，实时测量目标位移。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1)本发明采用激光反馈光栅干涉原理，不需要传统光栅干涉仪的参考光栅等辅助元件，正交偏振的两束光同时反馈回激光器发生干涉，对信号检测只需要一个光电探测器即可实现，大大简化了光路系统的结构，光路调节方便。

2)相对于现有的用于实现二维位移测量的光栅干涉技术，本发明利用利特罗结构的优势，在光栅发生面外位移时光路结构不会随之改变，实现了面外大量程位移的测量，减少了器件数量、降低系统复杂程度。

3)本发明提出了采用电光调制器对衍射光进行纯相位调制，调制精度高，调制带宽宽，相位解调由时域正交解调技术实现，解调方法算法简单，对采样误差不敏感，可以大幅度提高位移测量装置的测量分辨率。

4)本发明形成了新的大量程、高分辨率、适用于工业现场测量的二维微位移测量装置，对进一步推动先进制造技术的发展具有重要的现实意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的时域正交解调原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

激光反馈干涉技术是近年来兴起的一种具有很高应用价值的新型干涉计量技术，当激光器输出光被外界物体反射或散射后，部分光将返回激光器谐振腔内与腔内光束相混合而引起激光器的输出光强的变化，实现速度、位移、振动及距离等物理量的精密测量。由于系统固有的结构简单紧凑、自准直、以及可以工作于粗糙散射表面显著优点，解决了传统干涉测量技术系统复杂、敏感于准直等问题，在很多场合可以代替传统的激光干涉仪。

结合图1说明本发明相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪工作原理。如图1，双折射双频氦氖激光器1输出的正交偏振光垂直入射至沃拉斯顿棱镜2并被分解为o光和e光。第一电光调制器3置于o光光路上，对o光进行纯相位调制，调制函数M_o为：

M_o＝(π/2)sin(2πf_omt)>

其中f_om为第一电光晶体3的调制频率；第二电光调制器4置于e光光路上，对e光进行纯相位调制，调制函数M_e为：

M_e＝(π/2)sin(2πf_emt)>

其中f_em为第二电光晶体4的调制频率。为了准确地反映反射式衍射光栅的运动状态，调制频率f_om和f_em需远大于反射式衍射光栅产生位移的速率，具体地需满足：

f_om/3＝f_em/7>>v_xm/d+v_zm(2/λcosθ-tanθ/d)>

式中v_xm为所述反射式衍射光栅(8)在面内方向的最大运动速度，v_zm为所述反射式衍射光栅(8)在面外方向的最大运动速度，d为光栅常数，λ为所述双折射双频氦氖激光器(1)的中心波长，θ为利特罗入射角。

被分解出来的o光和e光分别被第一反射镜6和第二反射镜7反射，分别以+1和-1级利特罗入射角θ入射至反射性衍射光栅8上。利特罗结构使得的衍射光沿入射光路返回到双折射双频氦氖激光器1腔内与腔内光发生激光反馈干涉。

当反射式衍射光栅8沿图中x方向运动Δx时，由反射式衍射光栅8的位移导致的o光的反馈光相位变化为：

其中d为光栅常数。e光的反馈光相位变化为：

当反射式衍射光栅8沿图中z方向运动Δz时，由反射式衍射光栅8的位移导致的o光和e光的反馈光相位变化为：

其中θ为利特罗入射角。由于o光和e光分别在外腔中两次经过电光调制器，由电光调制器导致o光和e光的反馈光相位变化分别为：

o光和e光的反馈光相位总变化量分别为：

根据Lamb半经典理论，双纵模激光器的输出光场E_o/e(t)在三阶微扰近似下可以表示为：

E_o＝E₀+(α_oβ_e-α_eθ_oe)/(β_oβ_e-θ_oeθ_eo)>

E_e＝E₀+(α_eβ_o-α_oθ_eo)/(β_oβ_e-θ_oeθ_eo)>

式中，下标o和e分别代表o光对应的变量和e光对应的变量，各变量的含义为：E₀为初始光强，α_o，α_e为o光和e光的线性增益系数，β_o，β_e为o光和e光的光强自饱和常数，θ_oe，θ_eo为o光和e光的互饱和常数。其中线性增益系数α_o，α_e为：

α_o＝α’_o-f_o/Q_o>

α_e＝α’_e-f_e/Q_e>

式中，各变量的含义为：α’_o，α’_e为o光和e光的小信号线性增益，f_o/e，f_o/e为o光和e光的激光光频，Q_o，Q_e为o光和e光的谐振腔的品质因子。其中品质因子Q_o，Q_e可以表示为：

Q_o＝4πL/[λ(2-R₁-R_o)]>

Q_e＝4πL/[λ(2-R₁-R_e)]>

式中，各变量的含义为：L为激光器腔长，R₁是图1中激光器1的左端谐振镜的反射率，R_o，R_e是激光器1的右端谐振镜受其与反射光栅8形成的外腔影响表现出的o光和e光的动态反射率。反射光栅8在xz平面发生位移时，动态反射率R_o，R_e可以表示为：

式中，各变量的含义为：R₂是图1中激光器1的右端谐振镜的反射率，η是反射光栅8的一阶衍射效率，l_o，l_e是外腔长度。将(13)-(18)式代入(11)-(12)式，得到激光反馈干涉的近似解：

式中，A和B为化简后的常系数。对(19)式进行展开，可以得到：

式中J_n(π)表示π的n阶贝塞尔函数值。激光器1的左侧输出光经过偏振片9后，o光和e光其中一个模式被滤掉，光电探测器10探测到激光器1的另一模式的输出光强并输入到信号处理模块A中。这里以输出o光为例，结合图2说明本发明相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪的位移测量方法。由于模式竞争效应，e光的反馈导致的光功率波动也会反映在o光中。光电探测器10将检测到的光强信号转换为电信号输出至运算放大器11中，被放大的信号等分成四份同时输入到四个带通滤波器12-15中，其中第一带通滤波器12的中心频率为第一电光调制器3的调制频率f_om，第二带通滤波器13的中心频率为2f_om，第三带通滤波器14的中心频率为第二电光调制器4的调制频率f_em，第四带通滤波器15的中心频率为2f_em。滤波后的信号依次为：

式中S₁-S₄分别代表第一至第四带通滤波器12-15的输出信号，它们和电光调制驱动5产生的两种调制频率f_om，f_em对应的参考信号一同输入至信号采集卡16中，并被计算机17处理。电光调制驱动5输出的参考信号被计算机17转化成4种载波，分别为：C₁＝cos(2πf_omt)，C₂＝cos(4πf_omt)，C₃＝cos(2πf_emt)，C₄＝cos(4πf_emt)。滤波后信号S₁-S₄分别除以载波C₁-C₄后经过归一化，可以得到：

则光栅位移分别导致o光和e光的相位变化和可以表示为：

由反正切函数计算的相位包裹于[-π,π]之间，解包裹运算后，得到光栅位移为：

本发明提供了一种相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪及一种测量方法，用于实时测量目标面内及面外位移，该干涉仪的结构相对传统光栅干涉仪更加紧凑，同时保持了激光反馈光栅干涉仪自准直的优点，是一种适用于工业现场测量的高分辨率，大量程二维位移测量装置，对进一步推动先进制造技术的发展具有重要的现实意义。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。