一種基于雙光束差分消除光彈調(diào)制器及環(huán)境影響的檢測裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于雙光束差分消除光彈調(diào)制器及環(huán)境影響的檢測裝置和檢測方法。該裝置包括光學(xué)模塊和測量模塊兩部分，光學(xué)模塊由激光器、起偏器、分束器、光彈調(diào)制器、檢偏器組成；測量模塊由兩個光電探測器、鎖相放大器和數(shù)字信號處理系統(tǒng)組成。本發(fā)明特征在于兩束狀態(tài)相同的光通過同一個光彈調(diào)制器后經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號，通過鎖相放大器和數(shù)字信號處理系統(tǒng)解算分別得到對應(yīng)兩束光束的調(diào)制幅度和殘余應(yīng)力雙折射角，將解算的兩路信號進行差分處理，消除了光彈調(diào)制器件自身及環(huán)境變化帶來的不穩(wěn)定因素。利用本發(fā)明后在光彈調(diào)制檢測中能大幅提高檢測信噪比及信號的穩(wěn)定性。
【專利說明】-種基于雙光束差分消除光彈調(diào)制器及環(huán)境影響的檢測裝 置與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)檢測領(lǐng)域，特別是一種基于雙光束差分消除光彈調(diào)制器及環(huán)境影 響的檢測裝置與方法。 技術(shù)背景
[0002] 利用光彈調(diào)制器對線偏振光進行高頻調(diào)制，有效提高了入射偏振光束偏振面微小 旋轉(zhuǎn)角的檢測，隔離了低頻、1/f、緩慢漂移帶來的噪聲。尤其在一些需要系統(tǒng)長期穩(wěn)定的應(yīng) 用領(lǐng)域，調(diào)制檢測系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性很重要。
[0003] 光彈調(diào)制檢測中調(diào)制器的性能直接影響檢測信號的輸出。而光彈調(diào)制器殘余應(yīng)力 引起的雙折射是反應(yīng)光彈調(diào)制器性能的主要指標(biāo)，在系統(tǒng)測量過程中其容易受外界環(huán)境如 溫度、振動等的影響，導(dǎo)致測試信號隨之變化出現(xiàn)不穩(wěn)定因素，因此在使用過程中應(yīng)予以去 除。
[0004] 在 SPIE 文獻（Baoliang(Bob)Wang, Emily Hinds and Erica Krivoy，Basic Optical Properties Of The Photoelastic Modulator Part II :Residual Birefringence in the Optical Element, 2009. 746110-746110-8)中提到光彈調(diào)制器由于材料及結(jié)構(gòu)特 性不可避免存在應(yīng)力雙折射。這種應(yīng)力將直接影響器件中光束傳播特性及調(diào)制性能，在文 獻中并沒有提到去除光彈調(diào)制器殘余應(yīng)力雙折射的方法。然而在微弱信號檢測時，由于光 彈調(diào)制器應(yīng)力雙折射隨環(huán)境變化帶來的影響較為顯著卻不容忽視，本發(fā)明旨在解決光彈調(diào) 制器件自身及環(huán)境變化帶來測試信號的不穩(wěn)定性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于解決光彈調(diào)制器件帶來檢測信號不穩(wěn)定問題，提出一種基于雙光 束差分消除光彈調(diào)制及環(huán)境影響的檢測裝置與檢測方法。該裝置包括光源模塊和測量模 塊，將入射光彈調(diào)制器的兩路信號解算得到同一位置處器件的殘余角，進行差分處理，有效 消除了調(diào)制器件自身及環(huán)境帶來的影響。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0007] -種基于雙光束差分消除光彈調(diào)制器及環(huán)境影響的檢測裝置，包括光學(xué)模塊和測 量模塊兩部分，光學(xué)模塊由激光光源、起偏器、激光功率穩(wěn)定模塊、消偏振分光棱鏡、二分之 一波片、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、光彈調(diào)制器、光彈控制器和檢偏器組成；測 量模塊由第一光電探測器、第二光電探測器、鎖相放大器、和信號采集與處理系統(tǒng)組成。上 述元器件的位置關(guān)系如下：
[0008] 激光器出射的光經(jīng)過起偏器變成線偏振光，通過激光功率穩(wěn)定模塊對激光功率進 行穩(wěn)定控制；線偏振光經(jīng)過消偏振分光棱鏡將線偏振光等分成兩束，其中第一光束直接通 過光彈調(diào)制器引入周期性的相位調(diào)制其峰值相位延遲量和工作波長由光彈控制器設(shè)定，經(jīng) 光彈調(diào)制器相位調(diào)制后的光進入檢偏器，經(jīng)出射的光進入第一光電探測器記錄第一光束光 強并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎腈i相放大器；從消偏振分光棱鏡出射的第二光束經(jīng)過二分之一波片 對線偏振光的方向進行相位補償，經(jīng)過的光依次經(jīng)過第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡 進入光彈調(diào)制器被調(diào)制，出射的光依次進入檢偏器，經(jīng)出射的光進入第二光電探測器；記錄 第二光束光強并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎腈i相放大器；由所述的光彈控制器給鎖相放大器提供參 考信號并與其參考信號輸入端相連；鎖相放大器輸出信號至信號采集與處理系統(tǒng)；
[0009] 所述起偏器的透光軸與光彈調(diào)制器振動軸方向呈45°夾角；光彈調(diào)制器的振動 軸與檢偏器透光軸呈-45°夾角；起偏器透光軸與檢偏器透光軸呈90°正交。
[0010] 所述的基于雙光束差分消除光彈調(diào)制器自身及環(huán)境影響的檢測裝置消除光彈調(diào) 制器自身及環(huán)境影響的檢測方法。其特征在于該方法包括以下步驟：
[0011] a.構(gòu)建上述的基于雙光束差分的光彈調(diào)制檢測裝置。調(diào)整經(jīng)消偏振分光棱鏡分出 的第一光束入射光彈調(diào)制器的位置與經(jīng)過三個反射鏡入射到光彈調(diào)制器的位置應(yīng)在同一 位置；調(diào)整二分之一波片角度使經(jīng)消偏振分光棱鏡的第二束光束的偏振方向與第一光束一 致；通過光路中元器件的選擇及角度調(diào)整使進入光彈調(diào)制器的第一光束及第二光束功率相 等。
[0012] b.所述的光彈調(diào)制器通過設(shè)定光彈控制器的面板參數(shù)確定其峰值相位延遲量，第 一光電探測器和第二光探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并輸入到鎖相放大器，同時光彈控制 器將光彈調(diào)制器的參考信號輸入到鎖相放大器的參考信號輸入端；通過鎖相放大器及信號 采集與處理系統(tǒng)得到第一光束輸出信號的基頻分量V11和倍頻分量V12，和第二光束輸出信 號的基頻分量V21及倍頻分量V21 ;
[0013] c.第一光束及第二光束的基頻分量和倍頻分量進行解算得到下述表達式：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于雙光束差分消除光彈調(diào)制器及環(huán)境影響的檢測裝置，其特征在于其包括 光學(xué)模塊和測量模塊兩部分，光學(xué)模塊由沿系統(tǒng)光軸依次設(shè)置的激光器（1)、透光軸角度為 45°的起偏器（2)、激光功率穩(wěn)定模塊（3)、消偏振分光棱鏡（4)、二分之一波片（5)、第一反 射鏡（6)、第二反射鏡（7)、第三反射鏡（8)、快軸角度為0°的光彈調(diào)制器（9)、光彈控制器 (10) 和透光軸角度為-45°的檢偏器（11)組成；測量模塊由第一光電探測器（12)、第二光 電探測器（13)、鎖相放大器（14)和信號采集與處理系統(tǒng)（15)組成，上述元器件的位置關(guān)系 如下： 激光器（1)出射的光經(jīng)過起偏器（2)變成線偏振光，利用從（2)出射的旁路光束和激 光功率穩(wěn)定模塊（3)實現(xiàn)激光功率的穩(wěn)定控制；起偏器（2)沿系統(tǒng)主光軸透過的光進入消 偏振分光棱鏡（4)，其光束被等分成兩束，其中第一光束直接進入光彈調(diào)制器（9)引入周期 性的相位調(diào)制，該光彈調(diào)制器（9)的峰值相位延遲量和工作波長由光彈控制器（10)設(shè)定， 經(jīng)光彈調(diào)制器（9)相位調(diào)制后的光進入檢偏器（11)，經(jīng)檢偏器（11)出射的光進入第一光電 探測器（12);從消偏振分光棱鏡（4)分出的第二光束經(jīng)過二分之一波片（5)對線偏振光的 相位進行補償，通過二分之一波片（5)的光依次經(jīng)過第一反射鏡（6)、第二反射鏡（7)、第三 反射鏡（8)進入光彈調(diào)制器（9)，經(jīng)過光彈調(diào)制器（9)相位調(diào)制后的光進入檢偏器（11)，經(jīng) 檢偏器（11)出射的光進入第二光電探測器（13);第一光電探測器（12)記錄直接進入彈調(diào) 制器（9)經(jīng)檢偏器（11)出射的第一光束光強并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎腈i相放大器（14);第二 光電探測器（13)記錄經(jīng)過第一反射鏡（6)、第二反射鏡（7)、第三反射鏡（8)經(jīng)光彈調(diào)制器 (9)進入檢偏器（11)出射的第二光束光強并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎腈i相放大器（14);由所述的 光彈控制器（10)給鎖相放大器（14)提供參考信號；鎖相放大器（14)輸出信號至信號采 集與處理系統(tǒng)（15);所述起偏器（2)的透光軸與光彈調(diào)制器（9)振動軸方向呈45°夾角； 光彈調(diào)制器（9)的振動軸與檢偏器（11)透光軸呈-45°夾角；起偏器（2)透光軸與檢偏器 (11) 透光軸呈90°正交。
2. 利用權(quán)利要求1所述的基于雙光束差分消除光彈調(diào)制器及環(huán)境影響的檢測裝置消 除光彈調(diào)制器及環(huán)境影響的檢測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： a. 構(gòu)建上述的基于雙光束差分消除光彈調(diào)制器及環(huán)境影響的檢測裝置；調(diào)整消偏振 分光棱鏡（4)出射的第一光束入射光彈調(diào)制器（9)的位置與經(jīng)過三個反射鏡入射到光彈調(diào) 制器（9)的位置應(yīng)在同一位置；調(diào)整二分之一波片（5)角度使第二光束的偏振方向與第一 光束一致；通過光路中元器件的選擇及角度調(diào)整使得進入光彈調(diào)制器（9)的第一光束及第 二光束光功率相等； b. 所述的光彈調(diào)制器（9)通過設(shè)定光彈控制器（10)的面板參數(shù)確定其峰值相位延遲 量，第一光電探測器（12)和第二光探測器（13)將光束的光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入鎖相放 大器（14)，同時光彈控制器（10)基頻參考信號輸入鎖相放大器（14)的參考信號輸入端； 通過鎖相放大器（14)及信號采集與處理系統(tǒng)（15)得到第一光束的基頻分量Vn和倍頻分 量V12，和第二光束的基頻分量V21及倍頻分量V22 ; c. 對第一光束及第二光束的基頻分量和倍頻分量，進行如下的解算：

其中，1〇為消偏振分光棱鏡等分的單束激光功率，Vi(aml)是第一光束信號調(diào)制幅度，Vi(ad是第一光束信號殘余雙折射角；V2(a&)是第二光束信號調(diào)制幅度，V2(a%)是第二 光束信號殘余雙折射角； 將得到的兩路信號對應(yīng)的殘余雙折射角進行差分處理如下， AV=V1(a〇1)-V2(a〇2) 由于此方法中兩束狀態(tài)相同的光通過同一個光彈調(diào)制器，理論上AV為0,然而實驗中 兩束光功率不能確保完全相等，解算的AV為接近零的常值，在檢測中可通過信號處理方 法減掉得到消除了器件及環(huán)境影響的信號。
【文檔編號】G01D5/30GK104406544SQ201410670079
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】房建成, 段利紅, 胡朝暉, 李茹杰, 姜麗偉 申請人:北京航空航天大學(xué)