本發(fā)明涉及一種激光回饋干涉儀，特別是基于全光纖的激光回饋干涉儀。

背景技術(shù)：

激光干涉儀的應(yīng)用非常廣泛，在現(xiàn)代精密測(cè)量領(lǐng)域占據(jù)著非常重要的地位，由于其高精度，可溯源，應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，可稱之為“計(jì)量之王”。在機(jī)械制造業(yè)，IC制造業(yè)，實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)合都可以見(jiàn)到激光干涉儀的身影。傳統(tǒng)的技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的激光干涉儀絕大多數(shù)都采用邁克爾遜干涉儀的基本結(jié)構(gòu)，這一類結(jié)構(gòu)相似的干涉儀我們統(tǒng)稱為傳統(tǒng)激光干涉儀。傳統(tǒng)干涉儀的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，但是也存在著難以彌補(bǔ)的缺點(diǎn)，即對(duì)待測(cè)目標(biāo)表面要求很高，大多數(shù)情況下都需要靶鏡的配合才能測(cè)量。不適合黑、柔、輕、小、透明和液面等非配合目標(biāo)的測(cè)量。

自1963年，King等人首次發(fā)現(xiàn)激光回饋現(xiàn)象以來(lái)，科學(xué)界基于激光回饋現(xiàn)象已經(jīng)開(kāi)展了大量激光回饋干涉儀的研究工作。其原理為：諧振腔外物體反射或散射返回進(jìn)入激光諧振腔的激光會(huì)對(duì)激光的功率產(chǎn)生調(diào)制，且調(diào)制的相位取決于激光在外腔所經(jīng)歷的光程。因此這種現(xiàn)象可以應(yīng)用于幾何量傳感測(cè)量，此領(lǐng)域中前期絕大多數(shù)研究的對(duì)象為半導(dǎo)體激光器和HeNe激光器。

由于具有非常高的回饋靈敏度，固體微片激光器逐漸引起了人們的注意。然而由于回饋干涉中，整個(gè)光路都屬于干涉光路，因此它對(duì)環(huán)境的變化以及光學(xué)器件的熱變化等能夠改變光程的因素都非常敏感。傳統(tǒng)的位移測(cè)量?jī)x進(jìn)行位移量測(cè)量時(shí)，光學(xué)器件的熱蠕動(dòng)以及空氣光路的擾動(dòng)帶來(lái)的噪聲會(huì)把待測(cè)信號(hào)淹沒(méi)，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

綜上所述，確有必要提供一種能夠消除空氣擾動(dòng)和光路中光學(xué)器件的變化帶來(lái)的干擾，且具有高測(cè)量精度的激光回饋干涉儀。

一種激光回饋干涉儀，包括：

激光輸出組件，用于輸出兩束線偏振光；

耦合透鏡組件，設(shè)置于從激光輸出組件出射的兩束線偏振光的光路上，用于將兩束線偏振光耦合進(jìn)入保偏光纖，并且兩束線偏振光的偏振方向與保偏光纖的本征軸重合；

偏振合束器，設(shè)置于從耦合透鏡組件出射的光路上，用于將兩束線偏振光合束成為一束正交偏振光，且所述正交偏振光的兩個(gè)正交分量分別沿保偏光纖的快軸、慢軸傳播；

保偏分束器，設(shè)置于從偏振合束器出射的正交偏振光的光路上，用于將從偏振合束器出射的正交偏振光分為探測(cè)光及測(cè)量光；

第一偏振分束器，設(shè)置于從保偏分束器出射的探測(cè)光的光路上，用于將探測(cè)光按照偏振態(tài)進(jìn)行分離；

光電探測(cè)器組件，設(shè)置于從第一偏振分束器出射的探測(cè)光的光路上，用于探測(cè)探測(cè)光的光強(qiáng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

聲光移頻組件，設(shè)置于從保偏分束器出射的測(cè)量光的光路上，用于對(duì)測(cè)量光進(jìn)行移頻；

第二偏振分束器，設(shè)置于從聲光移頻組件出射的測(cè)量光的光路上，用于將測(cè)量光進(jìn)行分離，形成兩束線偏振光；

所述偏振合束器、保偏分束器、第一偏振分束器、光電探測(cè)組件、聲光移頻組件以及第二偏振分束器之間通過(guò)保偏光纖連接。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述耦合透鏡組件包括第一耦合透鏡及第二耦合透鏡，分別設(shè)置于兩束線偏振光的光路上。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，從所述第二偏振分束器出射的兩束線偏振光，均分別沿保偏光纖的慢軸或快軸傳播，一束線偏振光作為待測(cè)目標(biāo)測(cè)量光，一束光作為參考光。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)一步包括準(zhǔn)直透鏡組設(shè)置于從第二偏振分束器出射的兩束線偏振光的光路上，用于對(duì)兩束線偏振光進(jìn)行準(zhǔn)直。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述準(zhǔn)直透鏡組包括第一準(zhǔn)直透鏡及第二準(zhǔn)直透鏡，所述第一準(zhǔn)直透鏡設(shè)置于待測(cè)目標(biāo)測(cè)量光的傳播光路上，所述第二準(zhǔn)直透鏡設(shè)置于參考光的傳播光路上。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)一步包括參考目標(biāo)，設(shè)置于從第二準(zhǔn)直透鏡出射的光路上，且所述參考目標(biāo)靜止設(shè)置。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述激光輸出組件輸出的兩束激光同向且相互平行傳播。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，光電探測(cè)組件包括第一光電探測(cè)器及第二光電探測(cè)器，以對(duì)從第一偏振分束器出射的按偏振態(tài)分離后的兩束激光進(jìn)行探測(cè)。

本發(fā)明提供的激光回饋干涉儀，采用保偏光纖柔性光路的方法，使得激光回饋干涉儀能夠適應(yīng)遠(yuǎn)距離、復(fù)雜狹小空間中非配合目標(biāo)的測(cè)量。

此外，在保偏光纖快慢軸傳輸?shù)恼黄竦膬墒?，一束作為測(cè)量光，一束作為參考光，由于參考光實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)外腔相位的變化，這樣用測(cè)量光的相位減去參考光的相位就能夠得到待測(cè)目標(biāo)的相位變化，使得回饋干涉儀能夠補(bǔ)償正交偏振光共路部分空程，極大地提高了儀器測(cè)量的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述的激光回饋干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中保偏光纖端面橫截面快慢軸示意圖；

圖3是圖1中所使用的保偏分束器的工作方式示意圖；

圖4是參考光及測(cè)量光的光功率譜圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提供的激光回饋干涉儀。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供的激光回饋干涉儀100，包括激光輸出組件1，耦合透鏡組件2，偏振合束器3，保偏分束器4，第一偏振分束器5，光電探測(cè)組件6，聲光移頻組件8，第二偏振分束器9以及準(zhǔn)直透鏡組10。所述耦合透鏡組件2，偏振合束器3，保偏分束器4，第一偏振分束器5，光電探測(cè)組件6，聲光移頻組件8、第二偏振分束器9以及準(zhǔn)直透鏡組10之間均通過(guò)保偏光纖7光學(xué)相連。

所述激光輸出組件1用于輸出兩束激光，所述激光均為線偏振光，且兩束正交偏振的激光可在相位以及功率、頻率上無(wú)固定鎖定關(guān)系。所述兩束激光可相互平行且沿同一方向傳播。所述激光模組1可包括一第一激光器及一第二激光器間隔設(shè)置。所述第一激光器及第二激光器可分別為全內(nèi)腔、半外腔或全外腔，可采用固體激光器或半導(dǎo)體激光器，并且可連續(xù)的輸出激光。優(yōu)選的，所述第一激光器及第二激光器的工作模式均為單縱模、基橫模，以利于后續(xù)測(cè)量。本實(shí)施例中，所述激光輸出組件1為固體微片激光器，并且可通過(guò)兩束激光泵浦同一片晶體輸出兩路激光。具體的，可采用兩個(gè)LD泵浦一片Nd:YVO₄晶體，輸出的兩路激光。

所述耦合透鏡組2設(shè)置于從激光輸出組件1出射的兩束激光的光路上，用于將激光輸出組件1出射的兩束激光耦合進(jìn)入與所述耦合透鏡組2相連的所述保偏光纖7中，并且兩束激光的偏振方向與保偏光纖7的本征軸重合。具體的，所述耦合透鏡組2包括第一耦合透鏡21及第二耦合透鏡22，分別設(shè)置于所述激光輸出組件1輸出的兩束激光的光路上。本實(shí)施例中，所述第一耦合透鏡21及第二耦合透鏡22均為自聚焦透鏡。

請(qǐng)一并參閱圖2，所述偏振合束器3通過(guò)保偏光纖7與所述耦合透鏡組2相連，具體的，所述偏振合束器3分別通過(guò)兩束保偏光纖7與所述第一耦合透鏡21及第二耦合透鏡22相連。所述偏振合束器3用于將分別將來(lái)自第一耦合透鏡21及第二耦合透鏡22的線偏振光合束成為一束正交偏振光，且該正交偏振光的兩個(gè)偏振分量分別沿著與偏振合束器3相連的保偏光纖7的快軸和慢軸輸出并傳播。

所述保偏分束器4設(shè)置于從偏振合束器3出射的正交偏振光的光路上，用于在不改變正交偏振光偏振狀態(tài)的前提下，將其依能量分為兩個(gè)部分，一部分作為測(cè)量光，一部分作為探測(cè)光。具體的，所述保偏分束器4可對(duì)入射的激光進(jìn)行反射及透射，所述反射光可作為探測(cè)光，而所述透射光可作為測(cè)量光。

請(qǐng)一并參閱圖3，所述第一偏振分束器5設(shè)置于從保偏分束器4出射的探測(cè)光的光路上，用于將探測(cè)光按照偏振態(tài)分開(kāi)，分別通過(guò)兩束保偏光纖入射到光電探測(cè)組件6中。本實(shí)施例中，所述第一偏振分束器5將正交偏振的探測(cè)光分為水平偏振光和垂直偏振光。

所述光電探測(cè)組件6包括第一光電探測(cè)器61及第二光電探測(cè)器62，所述第一光電探測(cè)器61可設(shè)置于水平偏振光的光路上并探測(cè)其光強(qiáng)，所述第二光電探測(cè)器62可設(shè)置于垂直偏振光的光路上并探測(cè)光強(qiáng)信號(hào)，并分別將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。本實(shí)施例中，所述第一光電探測(cè)器61及第二光電探測(cè)器62均采用PIN探測(cè)器。

所述聲光移頻組件8設(shè)置于從所述保偏分束器4出射的測(cè)量光的光路中，用于對(duì)測(cè)量光進(jìn)行移頻。所述聲光移頻組件8可包括至少一聲光移頻器，以實(shí)現(xiàn)移頻。所述移頻量的大小可由聲光移頻器的驅(qū)動(dòng)頻率Ω決定。與所述聲光移頻組件8的輸出光路連接的保偏光纖7的長(zhǎng)度可為數(shù)厘米到數(shù)千米，可以根據(jù)測(cè)量需要等應(yīng)用場(chǎng)合的需求進(jìn)行選擇。所述聲光移頻組件8輸出的激光仍然為正交偏振光，并且所述正交偏振光的兩個(gè)分量同時(shí)經(jīng)歷相同的由于光纖擾動(dòng)帶來(lái)的誤差。通過(guò)將兩個(gè)分量做差，就能夠消除光纖應(yīng)力變化等因素帶來(lái)的測(cè)量誤差，因此所述保偏光纖7的長(zhǎng)短不會(huì)影響到測(cè)量的精度。

所述第二偏振分束器9設(shè)置于從聲光移頻組件8出射的激光的光路上，所述第二偏振分束器9通過(guò)保偏光纖7與所述聲光移頻組件8連接。所述第二偏振分束器9用于將從聲光移頻組件8出射的激光進(jìn)行分離，分為兩束線偏振光。具體的，從所述聲光移頻組件8出射的兩束線偏振光分別沿所述保偏光纖7的快軸、慢軸傳播；所述第二偏振分束器9將從聲光移頻組件8出射的測(cè)量光分離形成兩束線偏振光后，分別通過(guò)兩條保偏光纖7輸出。進(jìn)一步，經(jīng)過(guò)第二偏振分束器9分光后的兩束線偏振光可分別沿兩條保偏光纖7的慢軸傳播，作為待測(cè)目標(biāo)測(cè)量光以及參考光?？梢岳斫?，經(jīng)過(guò)第二偏振分束器9分光后的兩束線偏振光也可分別沿兩條保偏光纖7的快軸傳播，作為待測(cè)目標(biāo)測(cè)量光以及參考光。所述待測(cè)目標(biāo)測(cè)量光用于對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，所述參考光用于實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)外腔相位的變化。

激光回饋干涉儀可進(jìn)一步包括準(zhǔn)直透鏡組10設(shè)置于從第二偏振分束器9出射的光路上，具體的，所述準(zhǔn)直透鏡組10可設(shè)置于與第二偏振分束器9相連的兩條保偏光纖7的末端，用于將從兩條保偏光纖7出射的激光進(jìn)行準(zhǔn)直，使得所述激光即使在傳播較遠(yuǎn)距離時(shí)，依然能夠保持較小的光斑尺寸，從而提高測(cè)量精度及測(cè)量距離。本實(shí)施例中，所述準(zhǔn)直透鏡組10包括第一準(zhǔn)直透鏡11及第二準(zhǔn)直透鏡12，分別用于對(duì)兩條保偏光纖7出射的激光進(jìn)行準(zhǔn)直。

激光回饋干涉儀100用于測(cè)量時(shí)，可將待測(cè)目標(biāo)101設(shè)置于從第一準(zhǔn)直透鏡11出射的激光的光路上，將參考目標(biāo)102設(shè)置于從第二準(zhǔn)直透鏡12出射的激光的光路上。

由待測(cè)目標(biāo)101和參考目標(biāo)102反射或者散射后的光再沿各自的原光路返回系統(tǒng)，并最終返回到各自對(duì)應(yīng)的激光器中，整個(gè)回路激光經(jīng)歷兩次聲光移頻。所以根據(jù)激光回饋的原理，最終在激光輸出組件1輸出的激光功率譜中就會(huì)出現(xiàn)頻率等于兩倍聲光移頻頻率2Ω的功率調(diào)制，在探測(cè)端接收光信號(hào)，并且經(jīng)過(guò)預(yù)處理后再解調(diào)功率調(diào)制信號(hào)，就可以得到被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離狹小空間中的非配合目標(biāo)高精度位移量以及速度、角度等幾何量的高精度測(cè)量。在保偏光纖中傳輸?shù)墓饴?，因?yàn)闇y(cè)量光和參考光分別沿著保偏光纖的快軸和慢軸傳播，兩者經(jīng)歷完全相同的光程變化，因此即使光路很長(zhǎng)，共路補(bǔ)償?shù)男Ч廊荒軌虮ＷC系統(tǒng)能夠進(jìn)行高精度測(cè)量。

請(qǐng)一并參閱圖4，圖4(a)及圖4(b)為頻率分別為2Ω參考光及測(cè)量光兩路信號(hào)的光功譜圖，進(jìn)行相位求解即可得到各路信號(hào)代表的光束所經(jīng)歷的光程變化。圖4(a)所示參考光形成的光功譜圖中，其中參考信號(hào)Result1體現(xiàn)了在測(cè)量過(guò)程中由于光路中環(huán)境變化導(dǎo)致的光程擾動(dòng)，這對(duì)于遠(yuǎn)距離高精度位移測(cè)量來(lái)說(shuō)是系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲；而圖4(b)所示的測(cè)量光形成的光功譜圖中，測(cè)量信號(hào)結(jié)果Result2則既包括了系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲，又包括了被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的信息，因此將Result2與Result1做差可以在Result2中將系統(tǒng)由于環(huán)境的擾動(dòng)帶來(lái)的影響排除，只剩下待測(cè)目標(biāo)與參考目標(biāo)的位移差異，又由于參考目標(biāo)被設(shè)置為靜止不動(dòng)，所以最終結(jié)果完全體現(xiàn)了待測(cè)目標(biāo)的位移信息。

本發(fā)明提出采用保偏光纖柔性光路的方法，使得激光回饋干涉儀能夠適應(yīng)遠(yuǎn)距離、復(fù)雜狹小空間中非配合目標(biāo)的測(cè)量，由于光源部分采用固體微片激光器，其具有超高的靈敏度，在測(cè)量中無(wú)需靶鏡的配合即可直接測(cè)量大多數(shù)的物體表面。此外在保偏光纖快慢軸傳輸?shù)恼黄竦膬墒猓皇鳛闇y(cè)量光，一束作為參考光，由于參考光實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)外腔相位的變化，這樣用測(cè)量光的相位減去參考光的相位就能夠得到待測(cè)目標(biāo)的相位變化，使得回饋干涉儀能夠補(bǔ)償正交偏振光共路部分空程，極大地提高了儀器測(cè)量的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

本發(fā)明提供的正交回饋測(cè)量?jī)x，正交偏振激光之間沒(méi)有相位關(guān)系，強(qiáng)度也是相互獨(dú)立的，但是兩者在空間上重合在一起的。因此本發(fā)明能夠用來(lái)作為兩個(gè)共光路的激光光源來(lái)進(jìn)行回饋干涉測(cè)量，并能夠補(bǔ)償正交偏振光經(jīng)過(guò)的光路噪聲擾動(dòng)。在此實(shí)施例中，將正交偏振光分束還可以用來(lái)進(jìn)行偏擺、俯仰等多自由度的測(cè)量。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。