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正交偏振激光回馈干涉仪

阅读：758发布：2021-02-25

IPRDB可以提供正交偏振激光回馈干涉仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种正交偏振激光回馈干涉仪，包括：一正交偏振激光模组输出同向且在空间上重合的两束正交偏振的激光；一分光镜将正交偏振激光模组输出的激光分为反射光及透射光；一偏振分光镜将分光镜出射的反射光分为平行偏振光及垂直偏振光；一光电探测模组将光信号转换为电信号；一声光移频模组透射光进行移频；一光阑透射经过声光移频模组移频的激光；一半波片设置于从光阑出射的激光的光路上；一偏振耦合透镜将半波片出射的激光耦合进一第一保偏光纤；一光纤偏振分束器将激光分为第一线偏振光及第二线偏振光；一第二保偏光纤将第一线偏振光反射，形成参考光路；以及一第三保偏光纤输出激光照射待测物体形成测量光路。，下面是正交偏振激光回馈干涉仪专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种正交偏振激光回馈干涉仪，包括：

一正交偏振激光模组，用于输出激光；

一分光镜，设置于从所述正交偏振激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述正交偏振激光模组间隔设置，将正交偏振激光模组输出的激光分为反射光及透射光；

其特征在于，所述正交偏振激光模组输出同向且在空间上重合的两束正交偏振的激光；

所述正交偏振激光回馈仪进一步包括：

一偏振分光镜，设置于从分光镜出射的反射光的光路上，将分光镜出射的反射光分为两束振动方向为正交的偏振光；

一光电探测模组，设置于所述偏振分光镜输出的激光的光路上，并将接收到的光强信号转换为电信号；

一声光移频模组，设置于从分光镜出射的透射光的光路上，并对透射光进行移频；

一光阑，设置于从所述声光移频模组出射的激光的光路上，阻隔未经移频的激光，并透射经过声光移频模组移频的激光；

一第一半波片，设置于从光阑出射的激光的光路上；

一偏振耦合透镜，设置于从第一半波片出射的激光的光路上，并将第一半波片出射的激光耦合进一第一保偏光纤；

一光纤偏振分束器，与所述第一保偏光纤相连，以接收第一保偏光纤输入的激光，并按照激光的偏振态不同分为第一线偏振光及第二线偏振光；

一第二保偏光纤，与所述光纤偏振分束器相连，以传输第一线偏振光，并将第一线偏振光反射，使第一线偏振光按原光路返回，形成参考光路；以及一第三保偏光纤，与所述光纤偏振分束器相连，以传输第二线偏振光，使出射的第二线偏振光照射在待测物体表面，经待测物体反射后原路返回，形成测量光路，以监测待测物体的位移。

2.如权利要求1所述的正交偏振激光回馈干涉仪，其特征在于，所述正交偏振激光模组包括一泵浦源分光装置、一固体激光器、一第二半波片、一方解石晶体及一小孔光阑，所述固体激光器、半波片、方解石及小孔光阑沿泵浦源分光装置的出光方向依次设置。

3.如权利要求2所述的正交偏振激光回馈干涉仪，其特征在于，所述泵浦源分光装置包括相互间隔的两个半导体泵浦源，所述两个半导体泵浦源输出的光入射到所述固体激光器，为所述固体激光器提供泵浦光。

4.如权利要求3所述的正交偏振激光回馈干涉仪，其特征在于，所述固体激光器在所述两个半导体泵浦源的泵浦之下输出两束相互平行的激光，且两束激光的偏振方向一致。

5.如权利要求4所述的正交偏振激光回馈干涉仪，其特征在于，所述第二半波片设置于所述固体激光器出射的两束激光的光路上，并对两束激光的偏振方向分别进行旋转。

6.如权利要求4所述的正交偏振激光回馈干涉仪，其特征在于，所述方解石晶体设置于从第二半波片出射的两束激光的光路上，并对每一束激光进行分束，使得每一束激光形成一o光及一e光，并且其中一束激光分束后的o光与另一束激光分束后的e光在空间上重合，且偏振态为正交。

7.如权利要求6所述的正交偏振激光回馈干涉仪，其特征在于，小孔光阑设置于在空间上重合、且偏振态为正交的o光及e光的光路上，使所述o光及e光透过，并阻隔其他的激光。

8.如权利要求1所述的正交偏振激光回馈干涉仪，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透射光的传播方向间隔设置，所述光阑与所述第二声光移频器间隔设置，并对经过第一声光移频器和第二声光移频器均移频后的激光透射，其他的光进行阻隔。

9.如权利要求1所述的正交偏振激光回馈干涉仪，其特征在于，进一步包括一聚焦透镜设置于正交偏振激光模组与分光镜之间，用于对两束正交偏振的激光进行聚焦。

10.如权利要求2所述的正交偏振激光回馈干涉仪，其特征在于，所述泵浦源分光装置包括一半导体泵浦源，用于输出一束泵浦光；一第一方解石晶体，用以将泵浦光分解为相互间隔的o光及e光；一透镜，用以对所述o光及e光分别进行聚焦，并照射在固体激光器表面的不同位置上；所述固体激光器在泵浦源分光装置的泵浦之下，输出两束相互平行且偏振方向一致的激光。

说明书全文

正交偏振激光回馈干涉仪

技术领域

[0001] 本发明涉及激光测量技术领域，涉及一种回馈干涉仪，特别是能够补偿绝大部分空程的正交偏振激光回馈干涉仪。

背景技术

[0002] 激光干涉仪的应用非常广泛，在现代精密测量领域占据着非常重要的地位，由于其高精度，可溯源，应用广泛等特点，可称之为“计量之王”。

[0003] 在机械制造业，IC制造业，实验室等场合都可以见到激光干涉仪的身影。现有的技术成熟、应用广泛的激光干涉仪绝大多数都采用迈克尔逊干涉仪的基本结构，这一类结构相似的干涉仪我们统称为传统激光干涉仪。传统干涉仪的优点是性能稳定、技术成熟、应用广泛，但是也存在着难以弥补的缺点，即对待测目标表面要求很高，大多数情况下都需要靶镜的配合才能测量。不适合黑、柔、轻、小、透明和液面等非配合目标的测量。

[0004] 然而，现有的激光干涉仪只能部分的补偿仪器内部的空程扰动，对于远距离测量时外界扰动较大的情况测量精度降低，并且测量光和参考光之间很容易产生串扰，带来测量上的误差。

发明内容

[0005] 综上所述，确有必要提供一种高稳定性、高精度的激光回馈干涉仪。

[0006] 一种正交偏振激光回馈干涉仪，包括：一正交偏振激光模组；一分光镜，设置于从所述正交偏振激光模组输出激光的光路上，且所述分光镜与所述正交偏振激光模组间隔设置，将正交偏振激光模组输出的激光分为反射光及透射光；其中，所述正交偏振激光模组输出同向且在空间上重合的两束正交偏振的激光；所述正交偏振激光回馈仪进一步包括：一偏振分光镜，设置于从分光镜出射的反射光的光路上，将分光镜出射的反射光分为平行偏振光及垂直偏振光；一光电探测模组，设置于所述偏振分光镜输出的激光的光路上，并将光强信号转换为电信号；一声光移频模组，设置于从分光镜出射的透射光的光路上，并对透射光进行移频；一光阑，设置于从所述声光移频模组出射的激光的光路上，阻隔未经移频的激光，并透射经过声光移频模组移频的激光；一第一半波片，设置于从光阑出射的激光的光路上；一偏振耦合透镜，设置于从第一半波片出射的激光的光路上，并将第一半波片出射的激光耦合进一第一保偏光纤；一光纤偏振分束器，与所述第一保偏光纤相连，以接收第一保偏光纤输入的激光，并按照激光的偏振态不同分为第一线偏振光及第二线偏振光；一第二保偏光纤，与所述光纤偏振分束器相连，以传输第一线偏振光，并将第一线偏振光反射，使第一线偏振光按原光路返回，形成参考光路；以及一第三保偏光纤，与所述光纤偏振分束器相连，以传输第二线偏振光，使出射的线偏振光照射在待测物体表面，经待测物体反射后原路返回，形成测量光路，以监测待测物体的位移。

[0007] 与现有技术相比较，本发明提供的正交激光偏振回馈干涉仪，采用正交偏振的两束光，一束作为测量光，一束作为参考光，由于参考光实时地监测外腔相位的变化，这样用测量光的相位减去参考光的相位就能够得到待测目标的相位变化，使得回馈干涉仪能够补偿正交偏振光共路部分空程，极大地提高了仪器测量的稳定性和抗干扰能力。采用偏振复用的方案同样使得测量光与参考光容易分离，减小测量与参考的串扰，提高了测量的分辨率。

附图说明

[0008] 图1是本发明第一实施例提供的正交偏振激光回馈干涉仪的结构示意图。

[0009] 图2为本发明第一实施例提供的正交偏振激光回馈干涉仪中正交偏振激光模组的结构示意图。

[0010] 图3为本发明第二实施例提供的正交偏振激光回馈干涉仪中正交偏振激光模组的结构示意图。

[0011] 主要元件符号说明正交偏振激光回馈干涉仪 100
正交偏振激光模组 1
聚焦透镜 2
分光镜 3
偏振分光镜 4
光电探测模组 5
声光移频模组 6
光阑 7
第一半波片 8
偏振耦合透镜 9
第一保偏光纤 10
光纤偏振分束器 11
第二保偏光纤 12
第三保偏光纤 13
待测物体 14
泵浦源分光装置 101，201
固体激光器 102
第二半波片 103
方解石晶体 104
小孔光阑 105
半导体泵浦源 101a，201a
第一方解石晶体 201b
透镜 201c
第一光电探测器 51
第二光电探测器 52
第一声光移频器 61
第二声光移频器 62
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

[0012] 以下将结合附图详细说明本发明提供的正交偏振激光回馈干涉仪。

[0013] 请参阅图1，本发明实施例提供的正交偏振激光回馈干涉仪100，包括一正交偏振激光模组1，一聚焦透镜2，一分光镜3，一偏振分光镜4，一光电探测模组5，一声光移频模组6，一光阑7，一第一半波片8，一偏振耦合透镜9，一第一保偏光纤10，一光纤偏振分束器11，一第二保偏光纤12及一第三保偏光纤13。

[0014] 所述正交偏振激光模组1用于同向输出两束正交偏振的激光，且两束光在空间上重合。请一并参阅图2，本实施例中，所述正交偏振激光模组1包括一泵浦源分光装置101，一固体激光器102，一第二半波片103，一方解石晶体104，及一小孔光阑105。所述泵浦源分光装置101包括两个相互间隔的半导体泵浦源101a，所述两个半导体泵浦源101a出光的间距固定，且与固体激光器102之间的距离相同，所述两个半导体泵浦源101a输出的光入射到固体激光器102，用以对固体激光器102提供泵浦光，以形成两束激光。

[0015] 所述固体激光器102设置于所述两个半导体泵浦源101a出射的光的光路上，在所述两个半导体泵浦源101a的泵浦之下形成两束相互平行的激光，且两束激光的偏振方向一致。本实施例中，所述固体激光器102为Nd:YVO4。

[0016] 所述第二半波片103设置于所述固体激光器102出射的两束激光的光路上，用于对固体激光器102出射的两束激光的偏振方向进行旋转。经过所述第二半波片103之后，所述两束激光的偏振方向均旋转了角度θ，所述角度θ的大小可通过旋转第二半波片103进行控制。

[0017] 所述方解石晶体104设置于从第二半波片103出射的两束激光的光路上，以对出射的每一束激光进行平行分束，使得每一束激光均形成一o光及e光。进一步，经过所述方解石晶体104之后，其中一束激光的e光与另一束激光光的o光在空间上重合，且偏振态为正交。

[0018] 所述小孔光阑105设置于从方解石晶体104出射的激光的光路上，具体的，所述小孔光阑105设置于在空间上重合，偏振态正交的两束激光的光路上，其他状态的光均被所述小孔光阑105阻隔，从而实现了两束空间上重合且正交偏振光的输出。本说明书中将正交偏振激光模组1输出的这两束在空间上重合、且偏振方向正交的激光简称为两束正交偏振光。

[0019] 所述聚焦透镜2与所述正交偏振激光模组1间隔设置，且设置于所述正交偏振激光模组1输出的两束正交偏振光的光路上，用于对两束正交偏振光进行聚焦，以提高测量精度。可以理解，在所述两束正交偏振光满足测量精度的要求下，所述聚焦透镜2为一可选元件。

[0020] 所述分光镜3与所述正交偏振激光模组1间隔设置，且设置于所述两束正交偏振光的光路上。所述分光镜3将正交偏振激光模组1输出的激光分为反射光及透射光两束。所述反射光及所述透射光均包括两束正交偏振光。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。本实施例中，所述分光镜3的透光率为96%，反射率为4%。

[0021] 所述偏振分光镜4设置于从所述分光镜3出射的反射光的光路上，用以将分光镜3出射的反射光按照偏振态分为两束正交偏振的偏振光。本实施例中，所述反射光经过偏振分光镜4之后分为平行偏振光和垂直偏振光。所述偏振分光镜4的角度可旋转，用以调整匹配反射光的偏振方向。

[0022] 所述光电探测模组5设置于从所述偏振分光镜4输出的激光的光路上，用于探测反射光的光强并将光强信号转换为电信号。具体的，所述光电探测模组5包括一第一光电探测器51及第二光电探测器52，所述第一光电探测器51可设置于水平偏振光的光路上并探测其光强，所述第二光电探测器52设置于垂直偏振光的光路上并探测器光强，并分别转换为电信号。本实施例中，所述第一光电探测器51及第二光电探测器52均采用PIN探测器。

[0023] 所述声光移频模组6设置于从所述分光镜3透射的透射光的光路上，用于对透射光进行移频。所述声光移频模组6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6可包括一第一声光移频器61及第二声光移频器62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61及所述第二声光移频器62均设置于透射光的光路上。本实施例中，所述透射光在经过第一声光移频器61后分为0级光及+1级光，频率分别对应为ω和ω+Ω1，其中Ω1是第一声光移频器61的驱动频率。

[0024] 所述第二声光移频器62设置于从第一声光移频器61出射的激光的光路上，经过第一声光移频器61移频后的+1级衍射光经过第二声光移频器62后，分为-1级光和0级光，频率分别对应为：ω+Ω1-Ω2和ω+Ω1，其中Ω2为第二声光移频器62的驱动频率。因此入射到声光移频器6之后的部分透射光经过第一声光移频器61及第二声光移频器62后的移频量为Ω，Ω=Ω1-Ω2。

[0025] 所述光阑7与所述第二声光移频器62间隔设置，且设置于第二声光移频器62出射的激光的光路上，所述光阑7用于对其他的未经移频的光进行阻隔，并对经过第一声光移频器61及第二声光移频器62移频后的激光透射，允许频率为ω+Ω1-Ω2的激光通过。

[0026] 所述第一半波片8与所述光阑7间隔设置，且设置于从光阑7出射的激光的光路上，用以改变激光的偏振方向。

[0027] 所述偏振耦合透镜9与所述第一半波片8间隔设置，且设置于从所述第一半波片8出射的激光的光路上，用于将从第一半波片8出射的两束正交偏振光耦合进第一保偏光纤10中。

[0028] 所述第一保偏光纤10具有相对的两端，一端与所述偏振耦合透镜9相连，以接收两束正交偏振光。具体的，所述第一保偏光纤10通过一FC/APC头与所述偏振耦合透镜9相连，以防止从偏振耦合透镜9出射的激光在该端面反射，产生干扰信号。所述第一保偏光纤10的另一端与所述光纤偏振分束器11相连接，以将两束正交偏振光传输进光纤偏振分束器11中。

[0029] 所述光纤偏振分束器11将第一保偏光纤10输入的两束正交偏振光进行分束，按照激光的偏振态不同分为第一线偏振光及第二线偏振光，所述第一线偏振光及第二线偏振光分别为平行偏振光及垂直偏振光。

[0030] 所述第二保偏光纤12及第三保偏光纤13分别与所述光纤偏振分束器11相连，分别用以传输光纤偏振分束器11分束后的两束线偏振光。具体的，所述第二保偏光纤12包括相对的第一端及第二端，所述第一端与所述光纤偏振分束器11相连，另一端为高反结构，用以将所述第二保偏光纤12中传输的激光原路返回，形成参考光路，以检测外界环境扰动引起的外腔相位飘移。所述第三保偏光纤13也具有相对的第一端与第二端，所述第一端与所述光纤偏振分束器11相连，所述第二端用于输出激光，并照射一待测物体14的表面，经过待测物体14表面反射后原路返回，形成测量光路，以监测待测物体14的位移。

[0031] 本发明提供的正交偏振激光回馈干涉仪，所述两束正交偏振激光之间没有相位关系，强度也是相互独立的，但是两者在空间上重合在一起的。因此能够用来作为两个共光路的激光光源来进行回馈干涉测量，并能够补偿正交偏振光经过的光路噪声扰动。另外，通过将正交偏振光分束还可以用来进行偏摆、俯仰等多自由度的测量。

[0032] 请一并参阅图3，本发明第二实施例提供的正交偏振激光回馈干涉仪100，包括一正交偏振激光模组1，一聚焦透镜2，一分光镜3，一偏振分光镜4，一光电探测模组5，一声光移频模组6，一光阑7，一第一半波片8，一偏振耦合透镜9，一第一保偏光纤10，一光纤偏振分束器11，一第二保偏光纤12及一第三保偏光线13。

[0033] 本发明第二实施例提供的正交偏振激光回馈干涉仪与第一实施例基本相同，其不同在于所述正交偏振激光模组1的泵浦源分光装置不同。

[0034] 具体的，所述正交偏振激光模组1包括泵浦源分光装置201，所述泵浦分光装置201包括一半导体泵浦源201a，用于输出一束泵浦光；一第一方解石晶体201b，用以将泵浦光分解为相互间隔的o光及e光；一透镜201c，用以对所述o光及e光分别进行聚焦，并照射在固体激光器102表面的不同位置上。所述固体激光器102在泵浦源分光装置201的泵浦之下，输出两束相互平行且偏振方向一致的激光。

[0035] 可以理解，所述正交偏振激光模组仅仅为具体的实施例，还可以根据实际需要进行选择，只要保证所述正交偏振激光模组能够输出在空间上重合的两束正交偏振光即可。

[0036] 本发明提供的正交偏振激光回馈干涉仪，采用正交偏振的两束光，一束作为测量光，一束作为参考光，由于参考光实时地监测外腔相位的变化，这样用测量光的相位减去参考光的相位就能够得到待测目标的相位变化，使得回馈干涉仪能够补偿正交偏振光共路部分空程，极大地提高了仪器测量的稳定性和抗干扰能力。采用偏振复用的方案同样使得测量光与参考光容易分离，减小测量与参考的串扰，提高了测量的分辨率。另外，正交偏振激光回馈干涉仪采用保偏光纤进行传输的方案使得测量光能够柔性传输，极大的减小了干涉仪及干涉测量受空间条件的限制，可以测量狭小空间的位移及速度等物理量，很大程度上提高了干涉仪的应用范围，可以填补现有激光干涉仪在精密测量应用方面的一个空白。

[0037] 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。

标题	发布/更新时间	阅读量
正交头-专利编号CN102222822A	2020-05-11	527
正交向量DSL-专利编号CN102668443B	2020-05-13	900
正交头-专利编号CN101622914A	2020-05-11	376
正交吸盘-专利编号CN100525681C	2020-05-12	314
正交分频器-专利编号CN105850047B	2020-05-13	87
正交分频器-专利编号CN105850047A	2020-05-12	586
正交吸盘-专利编号CN1828073A	2020-05-11	688
正交互连-专利编号CN1063590A	2020-05-12	495
正交头-专利编号CN101622914B	2020-05-11	613
正交振荡器-专利编号CN110168927A	2020-05-13	1044

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