基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪

摘要

基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪属于激光干涉测量领域；采用偏振分光镜PBS分光形成参考臂和测量臂，参考臂上和测量臂上的入射光束均经过声光调制器发生衍射，移频的一级衍射光通过光束折转元件调整，使光束传播方向平行于入射光束；通过调整角锥棱镜使反射光位于声光调制器上方，从而使测量光和参考光均只经过一次声光调制器，调节参考角锥棱镜和测量角锥棱镜使参考光和测量光再次经过偏振分光镜PBS时光束重合，并发生干涉；本发明采用较少的光学元件实现了外差激光干涉测量，光路调整简单，可有效解决现有技术方案中存在光路调整复杂等问题，在超精密振动测量领域具有显著的技术优势。

权利要求

1.一种基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪，由激光器(1)、二分之一波片(16)、偏振分光镜(2)、第一声光调制器(3)、第一光束折转元件(14)、测量角锥棱镜(4)、第二声光调制器(5)、第二光束折转元件(6)、参考角锥棱镜(7)、检偏器(17)、高速光电探测器(8)组成，其特征在于：所述激光器(1)发出线偏振光，经二分之一波片(16)调整偏振方向，然后经偏振分光镜(2)进行分光，反射光形成第一光束(9)作为测量光，透射光形成第二光束(10)作为参考光；第一光束(9)经过第一声光调制器(3)产生第一衍射光束(15)，第一衍射光束(15)经第一光束折转元件(14)调整后，光束传播方向平行于第一光束(9)，经测量角锥棱镜(4)反射后，再经偏振分光镜(2)透射形成第三光束(12)；第二光束(10)经过第二声光调制器(5)产生第二衍射光束(11)，第二衍射光束(11)经第二光束折转元件(6)调整后，光束传播方向平行于第二光束(10)，经参考角锥棱镜(7)反射后，再经消偏振分光镜(2)反射形成第四光束(13)；第三光束(12)、第四光束(13)光路重合、且偏振方向正交；第三光束(12)、第四光束(13)经过检偏器(17)后发生干涉，被高速光电探测器(8)接收。

2.根据权利要求1所述的基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪，其特征在于：所述第一、二光束折转元件(14、6)为平面反射镜或楔形块。

3.根据权利要求1所述的基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪，其特征在于：所述第一、二声光调制器(3、5)的一级衍射光与入射光偏振正交。

4.根据权利要求1所述的基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪，其特征在于：所述激光器(1)为稳频激光器。

说明书

基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪

技术领域

[0001] 本发明属于激光干涉测量领域，主要涉及一种基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪。

背景技术

[0002] 激光测振仪作为能够将振动量值溯源到激光波长的超精密测量仪器，被广泛应用于位移动态测量、振动测量与监测、超精密装备与系统集成、科学研究与实验等领域。基于激光干涉法的激光测振仪按照原理可分为零差和外差两大类，二者在工作原理、光路结构和技术特点上具有显著区别。零差测量法采用单频激光作为光源，基于经典或改进的迈克尔逊激光干涉原理，通过测量干涉条纹的相位变化直接测位移；而外差测量法一般是采用双频激光作为光源，基于多普勒效应，通过测量多普勒频差测量被测件的运动速度而间接测位移。零差激光测振仪其信号处理本质上是进行光强测量，系统本身是直流系统，具有结构简单、测量精度高、动态范围宽，非线性易于补偿等优点，缺点是抗干扰能力差、测量结果受光强变化影响大。外差激光测振仪(常称多普勒激光测振仪)其信号处理本质上是进行频率测量，系统本身是动态交流系统，具有抗干扰能力强、测量精度高、测量结果受光强变化影响小等特点，因此外差测量法一直受到研究人员的关注而成为本领域的研究热点。

[0003] 外差干涉测量要求在测振仪两个干涉臂间形成一定的频差。产生频差的方法主要是利用塞曼效应和声光调制。塞曼效应受频差闭锁现象影响，产生的双频频差一般较小，通常最大频差不超过4MHz。声光调制方法得到的频差通常较大，频差达到20MHz以上，而且频率稳定性非常好，可以满足高速、高精度测量的需求。

[0004] 现有基于声光调制产生频差的外差激光测振仪(1.Martin B，et.al.“High-precision laser vibrometers based on digital Doppler-signal processing”，Proceedings of SPIE，Vol.4827：50-61，2002；2.Stefan Franz，et.al.“Heterodyne interferometer having an optical modulator”.US Patent：US7688451B2；)是以马赫曾德干涉仪为基础，采用稳频激光器作为光源，通过偏振分光镜PBS分光形成两个干涉臂，作为测量臂和参考臂，在至少一个干涉臂上采用声光调制器实现频移，从而使两个干涉臂间形成频差；再采用平面反射镜、偏振分光镜PBS以及消偏振分光镜NBS对光束进行合光。单声光频移技术方案产生的双频激光的频差大，对系统硬件速度要求高，为解决这一问题，可采用双声光调制技术方案产生两路频差相对小的光束，分别作为参考光和测量光，双声光调制方案虽然可减小频差，但增加了光学系统复杂程度。综上，现有技术方案存在的缺点为：1)现有技术方案均是以马赫曾德干涉仪为基础，干涉臂和测量臂整体呈矩形，通过偏振分光镜在矩形的一顶点处分光，再通过额外的偏振分光镜PBS、消偏振分光镜NBS以及反射镜在分光点的对角处合光，该技术方案存在多个偏振分光镜PBS，存在偏振泄漏现象，导致光路非线性误差显著；2)根据声光调制器的工作原理，只有一级衍射光会发生频移，但与入射光束存在一定的夹角，从而使光路合光困难，参考光和测量光难以干涉。

[0005] 由于声光调制器一级衍射光与入射光不平行、以及光学元件不理想等因素，尤其是偏振分光镜PBS的偏振泄漏，导致现有外差激光测振仪技术方案调整困难，而且受光路结构、原理及光学器件本身特性不理想的限制，存在难以克服的非线性误差，难以满足亚纳米甚至皮米级精度振动测量需求。因此，如何通过光路结构与原理上的创新，提供一种光路调整简单或非线性误差较小的外差激光测振技术方案，意义十分重大。

发明内容

[0006] 本发明的目的是针对现有马赫曾德外差激光测振技术方案在光路结构和原理上存在的光路调整困难、非线性误差等问题，提供一种基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪，通过光路结构与原理的创新，以迈克尔逊干涉仪为基础，采用较少的光学元件实现外差激光干涉测量，调整简单方便，可有效解决现有技术方案中光路存在偏振泄露与偏振混叠显著、光路调整困难的问题。

[0007] 本发明的技术解决方案是：

[0008] 一种基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪，由激光器、二分之一波片、偏振分光镜、第一声光调制器、第一光束折转元件、测量角锥棱镜、第二声光调制器、第二光束折转元件、参考角锥棱镜、检偏器、高速光电探测器组成，所述激光器发出线偏振光，经二分之一波片调整偏振方向，然后经偏振分光镜进行分光，反射光形成第一光束作为测量光，透射光形成第二光束作为参考光；第一光束经过第一声光调制器产生第一衍射光束，第一衍射光束经第一光束折转元件调整后，光束传播方向平行于第一光束，经测量角锥棱镜反射后，再经偏振分光镜透射形成第三光束；第二光束经过第二声光调制器产生第二衍射光束，第二衍射光束经第二光束折转元件调整后，光束传播方向平行于第二光束，经参考角锥棱镜反射后，再经消偏振分光镜反射形成第四光束；第三光束、第四光束光路重合、且偏振方向正交；第三光束、第四光束经过检偏器后发生干涉，被高速光电探测器接收。

[0009] 所述第一、二光束折转元件为平面反射镜或楔形块。

[0010] 所述第一、二声光调制器的一级衍射光与入射光偏振正交。

[0011] 所述激光器为稳频激光器。

[0012] 本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：

[0013] (1)本发明提出了一种基于声光调制的迈克尔逊外差激光测振技术方案。该技术方案以迈克尔逊干涉仪为基础，光路简单，元器件较少，减少了非线性误差产生的环节；利用声光调制器一级衍射光发生频移的特性，使两个干涉臂之间形成频差；采用角锥棱镜作为测量镜和参考镜，使干涉臂的返回光位于声光调制器上方，只经过一次声光调制器，从而实现了外差激光干涉测量。通过上述技术创新，有效解决了现有技术方案光路光学元件较多，非线性误差来源较多的问题。

[0014] (2)本发明只需调整干涉臂上的光束折转元件，使一级衍射光束的传播方向与入射光束或零级光束平行，即可通过调整测量角锥棱镜和参考角锥棱镜的位置使参考光和测量光发生干涉，光路调整十分方便。解决了现有技术方案光路调整不便的问题。

附图说明

[0015] 图1为本发明基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪的一个实施例的三维示图；

[0016] 图2为本发明基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪的一个实施例的光路原理示图；

[0017] 图3为本发明基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪另一个实施例的三维示图；

[0018] 图4为本发明基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪另一个实施例的光路原理示图；

[0019] 图5为本发明的声光调制器工作原理；

[0020] 图6为本发明的信号处理原理图；

[0021] 图中，1激光器、2偏振分光镜、3第一声光调制器、4测量角锥棱镜、5第二声光调制器、6第二光束折转元件、7参考角锥棱镜、8高速光电探测器、9第一光束、10第二光束、11第二衍射光束、12第三光束、13第四光束、14第一光束折转元件、15第一衍射光束、16二分之一波片、17检偏器。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，并给出实施例。

[0023] 一种基于双声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪，由激光器1、二分之一波片16、偏振分光镜2、第一声光调制器3、第一光束折转元件14、测量角锥棱镜4、第二声光调制器5、第二光束折转元件6、参考角锥棱镜7、检偏器17、高速光电探测器8组成，其特征在于：所述激光器1发出线偏振光，经二分之一波片16调整偏振方向，然后经偏振分光镜2进行分光，反射光形成第一光束9作为测量光，透射光形成第二光束10作为参考光；第一光束9经过第一声光调制器3产生第一衍射光束15，第一衍射光束15经第一光束折转元件14调整后，光束传播方向平行于第一光束9，经测量角锥棱镜4反射后，再经偏振分光镜2透射形成第三光束12；第二光束10经过第二声光调制器5产生第二衍射光束11，第二衍射光束11经第二光束折转元件6调整后，光束传播方向平行于第二光束10，经参考角锥棱镜7反射后，再经消偏振分光镜2反射形成第四光束13；第三光束12、第四光束13光路重合、且偏振方向正交；第三光束12、第四光束13经过检偏器17后发生干涉，被高速光电探测器8接收。

[0024] 所述第一、二光束折转元件14、6为平面反射镜或楔形块。

[0025] 所述第一、二声光调制器3、5的一级衍射光与入射光偏振正交。

[0026] 所述激光器1为稳频激光器。

[0027] 结合图1和图2给为本发明的一个实施例。本实施例中，第一、二光束折转元件14、6为平面反射镜。激光器1采用经过稳频的He-Ne激光器，波长为632.8nm，噪声＜0.05％rms，输出功率为1mW，偏振化为1000∶1，频率为ω0，在空间坐标系xyz内，激光器1发出线偏振光，偏振方向为x轴，即为P光。二分之一波片16放置在xy平面内，二分之一波片16快轴与x轴成22.5°夹角时，P光变成了45°线偏振光，经偏振分光镜2分光，S分量的反射光形成作为测量光的第一光束9，P分量的透射光形成作为参考光的第二光束10。在测量臂上，S分量的第一光束9经过第一声光调制器3，第一声光调制器3的驱动频率为ωc1，出射的第一衍射光束15为P光，频率为ω0+ωc1，传播方向与入射光有一定夹角。第一衍射光束15经平面反射镜调整后，传播方向与第一光束9平行，经测量角锥棱镜4反射，测量臂的返回光位于第一声光调制器3上方，再经偏振分光镜2透射形成第三光束12。测量角锥棱镜4的运动会产生多普勒频移±ωd，因此测量臂的返回光频率为ω0+ωc1±ωd。在参考臂上，P分量的第二光束10经过第二声光调制器5，第二声光调制器5的驱动频率为ωc2，出射的第二衍射光束11为S光，频率为ω0+ωc2，传播方向与入射光有一定夹角。第二衍射光束11经平面反射镜调整后，传播方向与第二光束10平行，经参考角锥棱镜7反射，参考臂的返回光位于第二声光调制器5上方，再经偏振分光镜2反射形成第四光束13。测量光第三光束12、参考光第四光束13重合、偏振方向正交，经检偏器17后发生干涉，检偏器17的偏振方向与z轴成45°夹角时，干涉信号强度最大。频率为Δωc±ωd的干涉信号被高速光电探测器8接收，其中Δωc为两个声光调制器的驱动频率差，即Δωc＝ωc1-ωc2。本实施例中，高速光电探测器8为Si PIN类型的光电探测器，光敏区直径为0.8mm，带宽200MHz。

[0028] 图3和图4给出本发明的另一个实施例。本实施例中，第一、二光束折转元件14、6为楔形块，根据折射定律原理，改变光束传播方向。

[0029] 图5为本发明的声光调制器工作原理示图。本实施例中，以第二声光调制器5为例，声光调制器的声光晶体为布拉格盒，由于布拉格声光衍射的固有特性，超声波的频率不能太小，一般不小于20MHz，则能够获得的双频激光频差等于或大于20MHz。当入射光倾斜入射到声光调制器5时，出射光只有衍射零级光和一级光，衍射零级光的频率和方向与入射光相同，衍射一级光发生频移，且传播方向与零级光或入射光有一个偏转角。衍射零级光偏振态与入射光一致，一级光与入射光偏振正交。

[0030] 图6为本发明的信号处理原理示图。第一声光调制器3的参考信号cos ωc1t与第二声光调制器5的参考信号cos ωc2t相乘，经低通滤波后得到较低频率的参考信号cosΔωct；高速光电探测器8接收到的测量信号cos(Δωc±ωd)t分别与较低频率的参考信号cosΔωct以及其移相90°的sinΔωct相乘，分别经低通滤波、A/D转换后，得到正交信号，然后经反正切计算得到运动物体的相位