專利名稱：共模抑制頻漂干擾外差移頻式孿生激光干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計量技術(shù)，屬于長度、速度的精密測量技術(shù)領(lǐng)域。
激光干涉儀由于它的測量精密高，在長度、角度、位移速度和角速度等的精密測量中得到了廣泛的應(yīng)用，同時還用它制成了地震儀、應(yīng)變儀、重力儀和工業(yè)自動化監(jiān)控裝置等專用儀器設(shè)備。
激光干涉儀的測量精度主要取決于激光頻率(或波長)的穩(wěn)定性。激光共振腔的選頻作用是激光優(yōu)良單色性的保證。共振腔的長度會隨溫度等環(huán)境因素而變化，導(dǎo)致激光器發(fā)射的激光頻率會隨時間漂移變化，引起干涉儀的測量誤差。提高測量精度的常用辦法是使激光器的頻率穩(wěn)定化。在使激光器頻率穩(wěn)定的各種措施中，以伺服穩(wěn)頻系統(tǒng)的效果最佳。其中利用塞曼效應(yīng)取得伺服穩(wěn)頻系統(tǒng)的誤差信號的穩(wěn)頻系統(tǒng)同時還能取得雙頻激光。用雙頻激光器作成的干涉儀能大大減小光電探測器的低頻噪音引起的誤差，它比單頻激光干涉儀的抗干擾能力更強(qiáng)，對工作環(huán)境條件要求也就更低。故商品中最常見的是塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻的雙頻激光干涉儀。(參閱華中工學(xué)院、天津大學(xué)、西北電訊工程學(xué)院合編的《激光技術(shù)》、湖南科學(xué)技術(shù)出版社出版)。
使用激光伺服穩(wěn)頻系統(tǒng)雖然可大幅度減小干涉儀的測量誤差，但是使干涉儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴，更主要的是激光穩(wěn)頻所達(dá)到的世界最高頻率穩(wěn)定度△f/f只是1×10-14，1×10-15的頻率穩(wěn)定度還是未來的目標(biāo)(參閱《我國激光發(fā)展戰(zhàn)略研究》，上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社1988)，目前穩(wěn)頻激光干涉儀因激光頻率漂移引起的測量誤差△f/f不小于1×10-14。
本發(fā)明的目的是用新方法替代傳統(tǒng)的穩(wěn)頻方法，使激光干涉儀因頻率漂移的測量誤差△f/f減小到1×10-18以下，同時使干涉儀的結(jié)構(gòu)簡單，成本更低廉。
本發(fā)明的實質(zhì)是在由激光器[1]，部分反射面[2]，反射面[3]和[4]以及光電探測器[5]組成的邁克爾遜形式的普通干涉儀中，加入一個由部分反射面[7]，反射面[8]和光電探測器[6]組成的參考光路，此參考光路共用上述邁克爾遜形式干涉儀(以下稱測量干涉儀)中的激光器[1]和反射面[4]構(gòu)成另一個干涉儀(以下稱參考干涉儀)。參考干涉儀與測量干涉儀合成為共模抑制頻漂干擾的孿生激光干涉儀，如

圖1所示。因為測量與參考干涉儀共用同一個激光器，兩干涉儀的光電探測器[5，6]輸出的電信號同時受激光器頻率漂移的影響，而以完全相同的模式隨時間變化(簡稱共模變化)。將兩電信號合成相減，就能對消掉激光器頻率漂移的影響。同樣，激光器[1]和共用反射面[4]的無規(guī)運動產(chǎn)生的多普勒頻移干擾也被對消掉。剩下的僅是測量反射面[3]相對于靜止的參考反射面[8]運動的待測相位移動信號。所以這種用孿生激光干涉儀共模抑制頻漂干擾的方法，能消除激光器頻率不穩(wěn)定引起的測量誤差。進(jìn)一步讓兩干涉儀的共用反射面[4]以一定的速度往返運動，使得經(jīng)它反射的光產(chǎn)生多普勒頻移，此頻移由兩干涉儀的光電探測器[5，6]同時檢測出，再在頻率合成相減中對消掉。此頻移即使是不太穩(wěn)定，也不會引起測量誤差，因為它不再出現(xiàn)在待測的合成輸出信號中。用這種外差移頻的方法，使得普通單頻激光干涉儀原來基于光程變化用直流方法計數(shù)干涉條紋的測量，變成為基于激光頻率變化用拍頻法測量頻率差△f，這與雙頻干涉測量是一樣的，能減小光電探測器的低頻噪音，尤其是大幅度減小零拍頻(△f趨于零時為相位移動信號)時特別嚴(yán)重的1/△f噪音，提高干涉儀的抗干擾能力，使干涉儀對溫度、濕度、空氣清潔度等環(huán)境因素變化引起的光程差的直流零點漂移不敏感，無恒溫條件下也能長期連續(xù)工作。所以，本發(fā)明的共模抑制頻漂干擾外差移頻式孿生激光干涉儀能替代雙頻穩(wěn)頻激光干涉儀的全部功能。
本發(fā)明的孿生激光干涉儀，其共用反射面[4]的往返運動可以通過對電(或磁)致伸縮元件施加一定頻率的恰當(dāng)幅度的三角波電壓(或電流)來實現(xiàn)，也可以用其它振子(最好是線性振子如線性馬達(dá))來實現(xiàn)。
本發(fā)明的孿生激光干涉儀為了使激光器頻率漂移引起的測量誤差完全消除，測量干涉儀的光程應(yīng)等于參考干涉儀的光程。即是說，當(dāng)同為不等臂干涉儀時，從激光器出發(fā)經(jīng)共用反射面[4]反射到達(dá)兩光電探測器的兩路光的光程相等，而且從激光器出發(fā)到達(dá)兩光電探測器的另兩路光的光程也相等。當(dāng)同為等臂干涉儀時，則從激光器出發(fā)的上述四路光的光程全相等。實際的干涉儀總是允許有一定的測量誤差，上述光程的相等也就并不需要絕對相等，而是調(diào)節(jié)至一定的相等程度就可以了。例如當(dāng)孿生激光干涉儀測量誤差△f/f要求不大于1×10-18，設(shè)計的使用條件是放在無振動的基座上，環(huán)境溫度變化每五分鐘不超過1℃，當(dāng)激光器選用的是單頻單模的普通玻璃腔He-Ne激光器，激光器玻璃腔的線膨脹系數(shù)不大于1×10-5/℃，則上述光程的相等應(yīng)精確到不相差1厘米。因1厘米的光程差△1對應(yīng)于光在路徑中傳播的時間差為△t＝△1/C＝3×10-11秒。兩光電探測器接收的光是在相差△t的時間中先后發(fā)射的。由于激光發(fā)射頻率隨時間漂移，同一時刻兩光電探測器接收到的光波頻率就有微小差別，這種不完全共模變化導(dǎo)致誤差不能完全對消，而引起剩余誤差。激光器頻率漂移速率主要取決于激光腔長L的變化速率，而腔長變化主要由溫度T變化引起，即△f/f≈△L/L△L/L＝(dL/Ldt)△t≈(dL/LdT)(dT/dt)△t因而激光器頻率漂移引起的未能對消的測量誤差為△f/f≈(dL/LdT)(dT/dt)△t≤1×10-5/℃×(1℃/300秒)×3×10-11秒＝1×10-18若要求測量誤差不大于1×10-19，則光程相等應(yīng)精確到不相差1毫米，若要求測量誤差不大于1×10-17則光程相等到不差10厘米即可，等等。當(dāng)本發(fā)明的孿生激光干涉儀用作測量長度時，因參考反射面[8]的位置設(shè)定好之后，在測量過程中一般是不再改變的，上述光程相等的允許誤差范圍就正好是測長儀的量程。要求的測量誤差愈小測長儀的量程就愈小。以上述用普通玻璃腔激光器作成的孿生干涉儀為例，當(dāng)它被放在無振動的基座上，環(huán)境溫度變化的速率不大于1℃/300秒，孿生干涉儀的測量精度與作為測長儀的量程以及光程相等的允許誤差見下表(當(dāng)選用石英腔激光器時，在同樣精度要求與使用條件下，光程相等的允許誤差和作為測長儀的量程比表中數(shù)值增大一個數(shù)量級)
本發(fā)明的孿生激光干涉儀，從功能上看是以共模抑制激光器頻率漂移干擾的方法替代激光器穩(wěn)頻的方法，以對單頻激光進(jìn)行外差移頻來替代雙頻激光。它比起用塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻的雙頻激光干涉儀結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低廉，其最大的優(yōu)點是激光器頻率漂移引起的測量誤差原則上能減小到零。實際上也能減小到△f/f小于1×10-18，而現(xiàn)今的穩(wěn)頻技術(shù)只能使激光器頻率漂移誤差減小到△f/f＝1×10-14。
附圖簡要說明圖1為本發(fā)明的孿生激光干涉儀的示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例之一(等臂干涉儀)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明實施例之二(不等臂干涉儀)的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中[1]激光器[2]部分反射面[3]測量反射面[4]共用反射面[5]光電探測器[6]光電深測器[7]部分反射面[8]參考反射面[9]三角波驅(qū)動電源[10]反射面[11]反射面[12]壓電陶瓷[13]多次反射面[14]反射面本發(fā)明的孿生激光干涉儀具體完成的實施例之一如圖2所示。這是一個等臂的孿生激光干涉儀。它由激光器[1]，反射面[3，4，8，10，11]，部分反射面[2，7]，光電探測器[5，6]，壓電陶瓷[12]、三角波驅(qū)動電源[9]組成。激光器[1]可選用單頻單模He-Ne激光器。共用反射面[4]與壓電陶瓷[12]聯(lián)成一體。三角波驅(qū)動電源[9]施加一定幅度的音頻三角波電壓在壓電陶瓷[12]上，使共用反射面[4]成為外差移頻反射面。孿生激光干涉儀的光路可依下述方法調(diào)節(jié)。首先根據(jù)干涉儀目標(biāo)的測量精度，將從激光器出發(fā)經(jīng)不同反射面反射至兩光電深測器的四路光的光程調(diào)節(jié)至大致相等(按上表的要求)。再調(diào)節(jié)光電探測器[5]和[6]的位置，使它們分別同時接收到來自共用反射面[4]反射來的光束。然后調(diào)節(jié)反射面[3，8]的位置，使經(jīng)它們反射的光也正好分別落在光電探測[5，6]上。調(diào)節(jié)光路應(yīng)注意的是反射面[3，8，4]不要調(diào)節(jié)到與入射光絕對垂直，而要有1°左右的垂直度偏差，使得經(jīng)它們反射的入射光束與反射光束落在部分反射面上的光斑不相重合而離開一個小的距離。同時避免它們的反射光直接返回激光管。折轉(zhuǎn)光路的反射面[10，11]不是孿生干涉儀所必不可少的，僅僅是為了使干涉儀緊湊，縮小儀器的體積而安排的。
本發(fā)明的孿生干涉儀具體完成實施例之二如附圖3所示。這是一個不等臂的孿生激光干涉儀，適于對遠(yuǎn)處的被測物體的運動進(jìn)行測量。它與上例不同之處在于經(jīng)共用反射面[4]反射至兩光電探測器[5，6]的光程遠(yuǎn)小于經(jīng)測量反射面[3]反射至光電探測器[5]的光程。反射面[14]和多次反射面[13]的安排是使參考光路經(jīng)多次反射后，從激光器出發(fā)到達(dá)光電探測[6]的光程增大，從而能近似等于從激光器出發(fā)經(jīng)測量反射鏡[3]到達(dá)光電探測器[5]的光程。光路的調(diào)節(jié)方法與要求跟實施例1相同。
權(quán)利要求
1.一種共模抑制頻漂干擾外差移頻式孿生激光干涉儀，其特征在于在由激光器[1]、部分反射面[2]、反射面[3]和[4]以及光電探測器[5]組成的邁克爾遜干涉儀(測量干涉儀)中增加了用部分反射面[7]、反射面[8]和光電探測器[6]組成的參考光路，此參考光路共用前述測量干涉儀的激光器[1]和反射面[4]組成另一個干涉儀(參考干涉儀)，成為共模抑制頻漂干擾的孿生激光干涉儀，所說的共用反射面[4]以一定的速度往返運動成為外差移頻反射面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共模抑制頻漂干擾外差移頻式孿生激光干涉儀，其特征在于共用反射面[4]的往返運動是通過對電(或磁)致伸縮元件施加一定頻率與恰當(dāng)幅度的三角波電壓(或電流)來實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共模抑制頻漂干擾外差移頻式孿生激光干涉儀，其特征在于測量干涉儀的光程等于參考干涉儀的光程，即當(dāng)同為不等臂干涉儀時，從激光器[1]出發(fā)經(jīng)共用反射面[4]反射到達(dá)兩光電探測器的兩路光的光程相等，而且從激光器出發(fā)到達(dá)兩光電探測器的另兩路光的光程也相等;當(dāng)同為等臂干涉儀時，從激光器出發(fā)的上述的四路光的光程全相等。上述光程相等至何種程度，或測量反射面[3]位移的允許范圍(即干涉儀作為測長儀的量程)，依干涉儀允許的測量誤差而定。
全文摘要
一種共模抑制頻漂干擾外差移頻式孿生激光干涉儀，可用于作成精密測長、測速儀等。本發(fā)明是在邁克爾遜干涉儀中加進(jìn)一參考光路，它共用原干涉儀的激光器和一個反射面組成另一個干涉儀而成為孿生干涉儀。讓共用反射面往返運動成為外差移頻面以替代雙頻的作用來減小低頻噪音誤差。激光器頻漂引起的光電信號頻率變化對兩干涉儀完全相同(共模)，頻率合成相減可對消頻漂誤差。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，測量誤差Δf/f≤1×10
文檔編號G01P3/36GK1085315SQ9310946
公開日1994年4月13日 申請日期1993年7月29日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月29日
發(fā)明者陳賦 申請人:陳賦