基于馬赫曾德干涉儀的激光鑒頻裝置及鑒頻方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于馬赫曾德干涉儀的激光鑒頻裝置及鑒頻方法。它包括三片反射鏡，四塊不同形狀和大小的特殊棱鏡，四分之一波片，三角棱鏡，一維壓電位移臺，兩塊沃拉斯頓偏振器，兩片會聚透鏡，四個單元探測器組成，能夠?qū)⑾群髢纱稳肷涞挠形⑿☆l率差的單縱?；蚨嗫v模平行激光束分成四束相對能量依入射光頻率不同而不同的出射光，再用四個單元探測器同時探測每束出射光的能量，把兩次入射光對應的四個通道能量探測出來就可以反演出兩入射光的頻率差。本系統(tǒng)的優(yōu)點在于：結(jié)構(gòu)緊湊，光程差可粗調(diào)也可精細掃描，探測精度高，能夠使用多縱模激光入射，對探測器要求較低，特別適合于車載、機載等基于移動平臺的各種多普勒激光雷達鑒頻系統(tǒng)。
【專利說明】
基于馬赫曾德干潰儀的激光鑒頻裝置及鑒頻方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種激光頻率鑒定系統(tǒng)，具體設(shè)及一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒 頻裝置及鑒頻方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多普勒激光雷達常被用來測量風速或硬目標的移動速度，在大氣物理學、氣象遙 感、軍事武器中都有廣泛應用，其中用來測量光的多普勒頻移裝置是運些應用中必不可少 的核屯、部分。目前世界范圍內(nèi)的多普勒激光雷達所用的探測方法大體分兩種，相干探測和 非相干探測。非相干探測也叫直接探測，直接探測又分為邊沿檢測技術(shù)和條紋成像技術(shù)兩 種，邊沿檢測運用窄帶濾光片鑒定風速或運動目標引起的激光的頻移，條紋成像運用F-P干 設(shè)儀、Fizeau干設(shè)儀、Michelson干設(shè)儀或Mach-Zehnder (馬赫曾德)干設(shè)儀的干設(shè)條紋與頻 率的對應關(guān)系鑒定發(fā)射光與接收回波之間的頻率差從而反演出風速或運動目標的移動速 度，運兩種技術(shù)在普通工況下都能正常工作且各有優(yōu)勢，然而一旦要將系統(tǒng)放在移動平臺 上比如車載甚至星載，運兩種技術(shù)又均面臨過于復雜和龐大，結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，要求被檢光為 單縱模激光，某些器件要求恒溫條件等問題。本發(fā)明正是針對運種情況設(shè)計了一種對激光 器穩(wěn)頻精度要求很低，對溫度變化不敏感，不要求激光光源一定要單縱模入射，一旦各部件 固定激光鑒頻裝置就十分穩(wěn)定的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置。運里的馬赫曾 德干設(shè)儀并非條紋成像式的馬赫曾德干設(shè)儀，而是一種四通道的非條紋成像的馬赫曾德干 設(shè)儀，它基于Zhao化化iu和化kao Kobayashi二人于1995年提出的一種用于測風激光雷達 中檢測頻移的裝置，是對原裝置的改進，相比原裝置，結(jié)構(gòu)更緊湊使得機載甚至星載此激光 鑒頻裝置成為可能，光程差可調(diào)而利于裝調(diào)、數(shù)據(jù)獲取和反演激光頻率，能夠接收多縱模入 射激光而拓展了激光鑒頻裝置的應用范圍。由于本激光鑒頻裝置及鑒頻方法沒有利用條紋 成像技術(shù)，可W歸類為一種邊沿檢測技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種可W探測頻移的激光雷達鑒頻裝置及鑒頻方法，使得多 普勒激光雷達風場探測、硬目標移動速度探測有一種可W接受多縱模入射激光、受溫度影 響小、對激光器穩(wěn)頻精度要求低又穩(wěn)定、可靠、緊湊的鑒頻裝置。
[0004] 為了達到上述目的，本發(fā)明中的激光鑒頻裝置由第一反射鏡1，第二反射鏡4,第= 反射鏡7，第一特殊棱鏡2，第二特殊棱鏡3，第=特殊棱鏡8，第四特殊棱鏡9，=角棱鏡6，一 維壓電位移臺5,四分之一波片10,第一沃拉斯頓偏振器11，第二沃拉斯頓偏振器12,第一會 聚透鏡13,第二會聚透鏡14,第一單元探測器15,第二單元探測器16,第=單元探測器17,第 四單元探測器18共同組成。
[0005] 所述的第一反射鏡1、第二反射鏡4、第=反射鏡7、=角棱鏡6、四分之一波片10的 高度不超過第一特殊棱鏡2、第二特殊棱鏡3、第=特殊棱鏡8、第四特殊棱鏡9中最低高度的 一半。
[0006] 所述的=角棱鏡6下方裝有用W精確控制和掃描激光鑒頻裝置光程差的一維壓電 位移臺5。
[0007] 平行入射的參考激光或被檢激光光束經(jīng)與入射光軸成45°放置的第一反射鏡1反 射后垂直入射進入第一特殊棱鏡2,在第一特殊棱鏡2的緊挨第二特殊棱鏡3的且被部分鍛 W半透半反膜的面上，含有參考激光或被檢激光50%光能量的光束透過此面直達四分之一 波片10并透過四分之一波片10,而另外含有參考激光或被檢激光50%光能量的光在此反射 回第一特殊棱鏡2內(nèi)部，并在與被部分鍛W半透半反膜的面平行的另一個面再次被反射，反 射光再透過第一特殊棱鏡2和第二特殊棱鏡3,到達與此處光軸成45°角放置的反射鏡4并被 反射到=角棱鏡6,在=角棱鏡6中經(jīng)歷兩次內(nèi)反射后出射到與此處光軸成45°放置的第= 反射鏡7,被第=反射鏡7反射的光遭遇并透過第=特殊棱鏡8到達第四特殊棱鏡9,運時從 四分之一波片10出射的含有50%參考激光或被檢激光能量的光束與從第=特殊棱鏡出射 的同樣含有50 %參考激光或被檢激光能量的光束相互平行，它們垂直入射到特殊棱鏡9，被 第四特殊棱鏡9抬升一定高度后沿入射光軸出射，出射方向與入射方向相反，出射的兩束光 位置高于四分之一波片10、第一反射鏡1、第二反射鏡4和第=反射鏡7的最高高度而低于第 =特殊棱鏡8、第二特殊棱鏡3、第一特殊棱鏡2的最高高度，因此兩束光經(jīng)特殊棱鏡9出射后 其中一束將通過四分之一波片10的上方直接到達第二特殊棱鏡3,另一束將經(jīng)歷第=特殊 棱鏡8到達第二特殊棱鏡3;從四分之一波片10上方入射到第二特殊棱鏡3的光束穿過第二 特殊棱鏡3后到達第一特殊棱鏡2的被部分鍛了半透半反膜的面后被再次分光，含有參考激 光或被檢激光25%的能量的光透過此面并經(jīng)歷第一特殊棱鏡2再到達第二沃拉斯頓偏振器 12,被第二沃拉斯頓偏振器12分成兩束出射方向不一樣的含有不同偏振分量的平行光，一 束斜向上另一束斜向下，兩平行光經(jīng)過第二會聚透鏡14被聚焦到其焦平面上的兩點，W上 下對齊的第二單元探測器16和第四單元探測器18接收焦平面上的光斑能量;在第一特殊棱 鏡2的部分鍛有半透半反膜的面上，含有參考光或被檢光25%的能量的光從該面反射后，經(jīng) 歷第二特殊棱鏡3,被其與第一特殊棱鏡2緊挨的面平行的另一個面反射并再次經(jīng)歷第二特 殊棱鏡3，出射到第一沃拉斯頓偏振器11前，被第一沃拉斯頓偏振器11分成兩束斜出射的含 有不同偏振分量的平行光，運兩束光被第一會聚透鏡13會聚到達第一會聚透鏡13的焦平面 上，光斑落在上下對齊放置的第一單元探測器15和第=單元探測器17上;經(jīng)歷第=特殊棱 鏡8到達第二特殊棱鏡3的光束穿過第二特殊棱鏡3,在第一特殊棱鏡2的與兩特殊棱鏡接合 面平行的另一面處反射一次到達第一特殊棱鏡2的部分鍛有半透半反膜的面上，在此面上 含有參考激光或被檢激光25%光能量的光透過此面到達與兩棱鏡接合面平行的第二特殊 棱鏡3的一面并被反射，反射光束出射第二特殊棱鏡3到達第一沃拉斯頓偏振器11，它也會 被分成兩束方向不同含有不同偏振光分量的斜出射平行光束并被第一會聚透鏡13聚焦到 其焦平面的第一單元探測器15和第=單元探測器17上;在第一特殊棱鏡2的部分鍛有半透 半反膜的面處還有含有參考激光或被檢激光25%光能量的光被反射并出射第一特殊棱鏡2 到達第二沃拉斯頓偏振器12,被第二沃拉斯頓偏振器12分成兩束方向不同的含有不同偏振 分量的斜出射平行光，運兩束平行光再經(jīng)第二會聚透鏡14分別到達其焦平面上的第二單元 探測器16和第四單元探測器18上。
[000引所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置中，=角棱鏡6下方裝有一維壓 電位移臺5,用W精確控制或掃描激光鑒頻裝置的光程差L，此光程差為進入=角棱鏡6并兩 次透過第=特殊棱鏡8的一束平行光與經(jīng)過四分之一波片10-次的一束平行光之間的光程 之差，前者光程為第一特殊棱鏡2和第二特殊棱鏡3接合處的分界面處反射的含有50%入射 光能量的光束經(jīng)歷第一特殊棱鏡2、第二特殊棱鏡3、第二反射鏡4、=角棱鏡6、第=反射鏡 7、第=特殊棱鏡8、第四特殊棱鏡9、第=特殊棱鏡8、第二特殊棱鏡3、第一特殊棱鏡2后再次 到達前述分界面處的光程，后者光程為在前述分界面處透射的含有50%入射光能量的一束 平行光，經(jīng)歷四分之一波片10、第四特殊棱鏡9、第二特殊棱鏡3再次到達前述分界面處的光 程，上述所有在棱鏡中的光程要乘W棱鏡材料的折射率計入總光程中。
[0009] 單縱模激光鑒頻時，首先向所述的激光鑒頻裝置發(fā)射一束已知頻率的參考單縱模 激光束，由四個單元探測器獲取四個光強對應的電壓值，然后向所述的激光鑒頻裝置發(fā)射 一束與參考光頻率相差不到一個激光鑒頻裝置自由光譜范圍
的被檢單縱模激 光束，其中C為真空中的光速，L為激光鑒頻裝置光程差，由四個單元探測器獲取四個光強對 應的電壓值。在四個參考光光強檢測過程中，掃描參考光頻率，運四個參考光光強電壓值會 形成四條彼此相隔V2相位的四條正弦曲線，根據(jù)四個探測器得到的參考光和被檢光對應 的8個電壓值在四條正弦曲線中的相對位置關(guān)系，可W推算出兩者間的光頻率差，進而獲得 被檢光的頻率。多縱模激光鑒頻時，當入射的參考激光和被檢激光是多縱模激光時，若此多 縱模激光的自由光譜范圍FSRlaser和本激光鑒頻裝置的FSRsys相同，則仍然可W用本裝置檢 測多縱模激光的頻移。若此多縱模激光的自由光譜范圍和本激光鑒頻裝置的FSRsys不同，貝U 可W通過調(diào)節(jié)壓電位移臺來改變激光鑒頻裝置的光程差，從而使FSRsys變得與FSRlaser相同， 運樣仍然可W使用本激光鑒頻裝置鑒頻。
[0010] 所述的第一特殊棱鏡2是一個直五棱柱，其上下底面是一個五邊形，其中兩條有光 透射或反射的不相鄰的邊彼此平行，平行的邊中較短的一邊對應的五棱柱的側(cè)面鍛全反射 膜，較長的一邊中其與第一反射鏡1中屯、和四分之一波片10中屯、連線相交的位置對應的部 分側(cè)面鍛半透半反膜，此側(cè)面其余部分鍛增透膜，五棱柱的激光入射的側(cè)面鍛增透膜。
[0011] 所述的第二特殊棱鏡3是一個直六棱柱，其上下底面是一個六邊形，其中與第一特 殊棱鏡2緊挨的面對應的邊和此邊的對邊是平行關(guān)系，與第一特殊棱鏡2緊挨的面鍛增透 膜，其對邊鍛全反射膜;光入射和出射第二特殊棱鏡3的兩個側(cè)面鍛增透膜，且運兩個側(cè)面 也是平行關(guān)系，運兩個平行的面與入射或出射自身的光的方向垂直。
[0012] 所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置，其中所述的第=特殊棱鏡8是 一個長方體，其與光軸相交的兩個側(cè)面鍛增透膜，且第=特殊棱鏡8只為增加激光鑒頻裝置 的光程差而存在，如果激光鑒頻裝置不需要很大的光程差，可W去除第=特殊棱鏡8。
[0013] 所述的第四特殊棱鏡9是一個直五棱柱，此棱柱的上下底面的形狀與五角棱鏡和 =角棱鏡拼接的立體的上下底面形狀相同，在光入射和出射的側(cè)面鍛增透膜，其它側(cè)面鍛 全反射膜;第四特殊棱鏡9可W被一個上下底面中兩直角邊對應側(cè)面鍛全反射膜、斜邊對應 側(cè)面鍛增透膜的=角棱鏡替換。
[0014] 所述的第一沃拉斯頓偏振器11和第二沃拉斯頓偏振器12的光軸都平行或垂直于 四分之一波片10的快軸方向，可W用其它偏振分光元件代替運兩個偏振器，只要相應改變 各自后端的會聚透鏡、單元探測器的位置即可。
[0015] 所述的=角棱鏡6的=個側(cè)面需鍛膜處理，其上下底面中直角邊對應的側(cè)面鍛全 反射膜，斜邊對應的側(cè)面鍛增透膜。
[0016] 所述的=角棱鏡6下方裝有用W精確控制和掃描激光鑒頻裝置光程差的一維壓電 位移臺5,其運動方向與入射到一維壓電位移臺5的光束方向一致，掃描系統(tǒng)光程差可W用 來繪制所述的四個單元探測器上的光強隨光程差變化的圖譜，控制系統(tǒng)光程差則是為了滿 足一些特定應用中的調(diào)節(jié)光程差的需求，比如可W用來尋找系統(tǒng)最高信噪比工作點。
[0017] 所述的第一反射鏡1、第二反射鏡4、第=反射鏡7、=角棱鏡6、四分之一波片10的 高度不超過第一特殊棱鏡2、第二特殊棱鏡3、第=特殊棱鏡8、第四特殊棱鏡9中最低高度的 一半。
[0018] 所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置可W使用其他偏振分束器件代 替沃拉斯頓偏振器來將入射其中的光的水平偏振光分量和垂直偏振光分量分開探測。
[0019] 所述的第=特殊棱鏡8僅為增加激光鑒頻裝置光程差而存在，如特定應用中不需 要較大光程差，可W去除此棱鏡。
[0020] 激光鑒頻裝置的鑒頻方法步驟如下：
[0021] 先入射一束參考激光光束到所述的激光鑒頻裝置，記錄四個單元探測器上對應的 電壓值115、116、117、118，然后停止入射參考激光光束并再入射一束與參考光頻率相差不到一 個激光鑒頻裝置自由光譜范圍FSRsys的被檢激光光束到所述的激光鑒頻裝置，再次記錄四 個單元探測器上對應的電壓值115'、Il6'、Il7'、Il8'，根據(jù)下面的余切函數(shù)計算參考激光入射 時的光程差L，其中C為在真空中的光速，U為入射光頻率：
[00剖
（1)
[0023] 求得L后再將L作為已知，將Iis'、Il6'、Il7'、Il8'代入上式中Il5、Il6、Il7、Iis相應位 置，求得被檢激光頻率U，從而得到兩種激光的頻率差;上面公式（I)是在四分之一波片的快 軸和沃拉斯頓棱鏡光軸的方向平行時適用的求解激光頻率的公式，當四分之一波片的快軸 和沃拉斯頓棱鏡光軸的方向垂直時，使用下面的公式(2)計算激光頻率：
[0024]
(2)
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明裝置構(gòu)成圖，圖中標號：1-第一反射鏡、2-第一特殊棱鏡、3-第二特殊 棱鏡、4-第二反射鏡、5--維壓電位移臺、6-=角棱鏡、7-第二反射鏡、8-第=特殊棱鏡、9- 第四特殊棱鏡、10-四分之一波片、11-第一沃拉斯頓偏振器、12-第二沃拉斯頓偏振器、13- 第一會聚透鏡、14-第二會聚透鏡、15-第一單元探測器、16-第二光電探測器、17-第S光電 探測器、18-第四光電探測器。
[0026] 圖2是除去一維壓電位移臺、兩個會聚透鏡、四個單元探測器的激光鑒頻裝置=維 視圖。
[0027] 圖3是俯視視角下入射光束在本裝置底層入射到第四特殊棱鏡9前的部分光路示 意圖。
[0028] 圖4是水平視角下光束在第四特殊棱鏡9中被"抬升"的光路示意圖。
[0029] 圖5是俯視視角下自第四特殊棱鏡9出射的光束到達兩個沃拉斯頓偏振器11、12前 的部分光路示意圖。
[0030] 圖6是=角棱鏡6和一維壓電位移臺5的位置關(guān)系=維視圖。
[0031] 圖7是平視視角下每個沃拉斯頓偏振器及其后端相應的會聚透鏡、兩個探測器的 位置關(guān)系示意圖。
[0032] 圖8是不考慮各種誤差下四個探測器上接收光強隨入射光頻率變化的關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0033] 圖1為俯視視角下所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置的實例。圖2是 除會聚透鏡13、14,單元探測器15、16、17、18，一維壓電位移臺5外的所有元件的空間^維視 圖，清楚地反映了主要元件的相對大小和位置關(guān)系。W第一反射鏡1所在層為底層，底層還 有第二反射鏡2、第=反射鏡3、=角棱鏡6、四分之一波片10, W第一沃拉斯頓偏振器11、第 二沃拉斯頓偏振器12、第一會聚透鏡13、第二會聚透鏡14所在的層為頂層，第一單元探測器 15、第二單元探測器16在頂層中較高的位置，第=單元探測器17、第四單元探測器18在頂層 中較低的位置。俯視圖觀察時第一單元探測器15和第=單元探測器17位置重合，第二單元 探測器16和第四單元探測器18位置重合;第一特殊棱鏡2、第二特殊棱鏡3、第=特殊棱鏡8、 第四特殊棱鏡9的高度覆蓋底層和頂層，即它們的高度約為反射鏡1、2、3，=角棱鏡6，四分 之一波片10的兩倍。
[0034] -束參考激光或被檢激光在底層45°入射第一反射鏡1，前進方向由圖1中的向上 方向改為向右方向，垂直入射第一特殊棱鏡2,在第一特殊棱鏡2和第二特殊棱鏡3中的底層 的傳輸如圖3中所示，兩棱鏡的側(cè)面都經(jīng)過鍛膜處理而使入射光在分界面處被分光(具體被 接合面中第一特殊棱鏡2上的被鍛W半透半反膜的一部分分光），含有參考激光或被檢激光 50%光能量的光透射接合面和第二特殊棱鏡3,另外含有參考激光或被檢激光50%光能量 的光能量的光反射該接合面并在第一特殊棱鏡2的另一個側(cè)面被反射，再透過第一特殊棱 鏡2和第二特殊棱鏡3。此后從第二特殊棱鏡3出射的含有最初入射參考激光或被檢激光 50%能量的兩束光在底層平行向右前進，其中一束光直達快軸在系統(tǒng)水平方向（俯視圖中 的豎直方向）的四分之一波片10,此光束的慢軸方向上的偏振分量得到If齡相位延遲，經(jīng)過 四分之一波片10到達第四特殊棱鏡9;令一束光向右前進被與此處光軸成45°斜置的第二反 射鏡4反射到=角棱鏡6,此=角棱鏡6上下底面中直角邊對應的側(cè)面被鍛全反射膜，斜邊鍛 增透膜，將向上入射的光反射使其向下前進，到達與光前進方向成45°斜置的第S反射鏡7， 被轉(zhuǎn)折為向右前進，垂直入射并出射長方體形的第=特殊棱鏡8,到達第四特殊棱鏡9。運里 從第一特殊棱鏡2和第二特殊棱鏡3分界面透射和反射的兩束光走過不同的光程都會到達 第四特殊棱鏡9的下層，兩束光在系統(tǒng)水平方向觀察時在第四特殊棱鏡9中光路如圖4所示。 第四特殊棱鏡的上半部分為一個標準的五角棱鏡，下半部分為一個=角棱鏡，它們組合在 一起形成的第四特殊棱鏡9的各側(cè)面的角度使得在底層水平入射的光能夠在頂層水平出 射。在系統(tǒng)俯視圖圖1中，自第四特殊棱鏡9向左出射的兩束光，上面一束直接到達第二特殊 棱鏡3，下面一束經(jīng)過第=特殊棱鏡8到達第二特殊棱鏡3，之后兩束光在第一特殊棱鏡2和 第二特殊棱鏡3中的光路如圖5所示，二者都在兩棱鏡的接合面處再次被分光，最后從兩棱 鏡出射了四束光，然而運四束光兩兩重合，在空間分布上仍然是兩束光。運兩束光分別再經(jīng) 過第一沃拉斯頓偏振器11和第二沃拉斯頓偏振器12,其中各自的P偏振分量和S偏振分量被 第一會聚透鏡13、第二會聚透鏡14會聚到第一單元探測器15、第=單元探測器17和第二單 元探測器16、第四單元探測器18,如圖7所示。
[0035] 至此，一束被檢激光或參考激光入射后第一次在第一特殊棱鏡2和第二特殊棱鏡3 的接合面處分光，兩束光經(jīng)歷不同路徑的傳輸后在前述兩棱鏡的接合面處再次相遇(空間 上的會和），運兩束光走過的光程(包含空氣中和棱鏡材料中）之差即為系統(tǒng)的光程差L。
[0036] 所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述的第一特殊 棱鏡2是一個直五棱柱，其上下底面是一個五邊形，其中兩條有光透射或反射的不相鄰的邊 彼此平行，平行的邊中較短的一邊對應的五棱柱的側(cè)面鍛全反射膜，較長的一邊中其與第 一反射鏡1中屯、和四分之一波片10中屯、連線相交的位置對應的部分側(cè)面鍛半透半反膜，此 側(cè)面其余部分鍛增透膜，五棱柱的激光入射的側(cè)面鍛增透膜。
[0037] 所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述的第二特殊 棱鏡3是一個直六棱柱，其上下底面是一個六邊形，其中與第一特殊棱鏡2緊挨的面對應的 邊和此邊的對邊是平行關(guān)系，與第一特殊棱鏡2緊挨的面鍛增透膜，其對邊鍛全反射膜;光 入射和出射第二特殊棱鏡3的兩個側(cè)面鍛增透膜，且運兩個側(cè)面也是平行關(guān)系，運兩個平行 的面與入射或出射自身的光的方向垂直。
[0038] 所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述的第=特殊 棱鏡8是一個長方體，其與光軸相交的兩個側(cè)面鍛增透膜，且第=特殊棱鏡8只為增加激光 鑒頻裝置的光程差而存在，如果激光鑒頻裝置不需要很大的光程差，可W去除第=特殊棱 鏡8。
[0039] 所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述的第四特殊 棱鏡9是一個直五棱柱，此棱柱的上下底面的形狀與五角棱鏡和=角棱鏡拼接的立體的上 下底面形狀相同，在光入射和出射的側(cè)面鍛增透膜，其它側(cè)面鍛全反射膜;第四特殊棱鏡9 可W被一個上下底面中兩直角邊對應側(cè)面鍛全反射膜、斜邊對應側(cè)面鍛增透膜的=角棱鏡 替換。
[0040] 所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述的第一沃拉 斯頓偏振器11和第二沃拉斯頓偏振器12的光軸都平行或垂直于四分之一波片10的快軸方 向，可W用其它偏振分光元件代替運兩個偏振器，只要相應改變各自后端的會聚透鏡、單元 探測器的位置即可。
[0041 ]所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述的=角棱鏡6 的=個側(cè)面需鍛膜處理，其上下底面中直角邊對應的側(cè)面鍛全反射膜，斜邊對應的側(cè)面鍛 增透膜。
[0042]所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述的=角棱鏡6 下方裝有用W精確控制和掃描激光鑒頻裝置光程差的一維壓電位移臺5,其運動方向與入 射到一維壓電位移臺5的光束方向一致，掃描系統(tǒng)光程差可W用來繪制所述的四個單元探 測器上的光強隨光程差變化的圖譜，控制系統(tǒng)光程差則是為了滿足一些特定應用中的調(diào)節(jié) 光程差的需求，比如可W用來尋找系統(tǒng)最高信噪比工作點。
[0043] 所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置可W使用其他偏振分束器件代 替沃拉斯頓偏振器來將入射其中的光的水平偏振光分量和垂直偏振光分量分開探測。
[0044] 所述的一種基于馬赫曾德干設(shè)儀的激光鑒頻裝置，其中的第=特殊棱鏡8僅為增 加激光鑒頻裝置光程差而存在，如特定應用中不需要較大光程差，可W去除此棱鏡。
[0045] 在圖5中由右側(cè)入射第一特殊棱鏡2和第二特殊棱鏡3的接合面的光由于經(jīng)過兩棱 鏡之間很薄的空氣間隙，其中的反射光實際是被第一特殊棱鏡的一部分鍛了半透半反介質(zhì) 膜的面反射，運是一個外反射，反射光有n的相位損失，再加上四分之一波片10給波片慢軸 方向的光分量引入^'相位損失，運兩種附加的相位延遲最終使得四個單元探測器上探測到 的光強信號可W用下式表示：
[0046] (3)
[0047] (4)
[004引 （表）
[0049] (6)
[0化0] 其中Io為入射的光束光強：
L為入射光波長，L為系統(tǒng)的光程差，C為真 空中的光速。運四個強度信號隨A變化的示意圖如圖8(四個信號的順序與四分之一波片的 快軸方向和沃拉斯頓偏振器光軸方向有關(guān)，運里兩種軸互相平行)所示。圖中周期性的強度 信號關(guān)于頻率的周期為運也是系統(tǒng)的自由光譜范圍FSRsys。先后兩次入射的頻率差相差 化 不到一個FSRsys的不同頻率的光經(jīng)過本裝置探測到的四個強度信號是不同的，根據(jù)強度與 頻率的對應關(guān)系，可W反演出兩次入射的光的頻率差，而根據(jù)頻率差可W反演出激光雷達 探測的風速、硬目標的移動速度等。反演方法可W用查找表法，也可W用已有的一些文獻中 提出的數(shù)學方法，即令：
[0胤] 訊
[00 對 （8)
[0化3]
[0054] (9)
[0055] 從而可W得到入射光波長(頻率)與四個探測器檢測到的信號的一一映射關(guān)系，將 參考激光對應的四個通道上探測器探測到的信號（電信號代表光強信號)代入(9)式得到光 程差L，再將被檢激光對應的四個通道上探測器探測到的信號和計算的L代入(9)式就可W 得到被檢激光的波長(頻率）。上面公式(9)和公式（1) 一致，是在四分之一波片的快軸和沃 拉斯頓棱鏡光軸的方向平行時適用的求解激光頻率的公式，當四分之一波片的快軸和沃拉 斯頓棱鏡光軸的方向垂直時，使用公式(2)計算激光頻率。
[0056] 實際中任何激光都有展寬，運時探測器探測到的信號強度是入射光光譜展寬和 li，i = 15，16,17，18的卷積，運會影響本系統(tǒng)的探測精度，光譜展寬越小，探測精度越高。
[0057] 對于風速探測，本裝置探測器探測到的信號是入射光的光譜與各個通道理論光強 透過率li/Io, i = 15，16，17，18的卷積。先后兩次入射光為激光器未出射到大氣中的激光和 望遠鏡接收的大氣回波，而入射光如果是大氣散射回波，則其經(jīng)過瑞利散射和米散射的展 寬，運會影響探測到的光強的對比度（即115、116、117、11細對強度），由于瑞利散射的展寬遠 比米散射的展寬大，它和各通道光強透過率卷積后為一常數(shù)，給各個通道信號帶來一個相 同的直流偏置，運時各通道探測器得到的光強信號的相對強度僅與米散射相關(guān)，即此時本 裝置檢測激光頻移時僅利用了大氣米散射光信號。
[0058] =角棱鏡6下方放置一維壓電位移臺如圖6所示，此壓電位移臺的振動方向與=角 棱鏡入射光方向相同，其四角用螺絲固定，螺孔為"U"形，運允許使用者粗調(diào)系統(tǒng)的光程差。 壓電位移臺底部有控制電纜，連接其控制電路。壓電位移臺的引入能夠使本裝置具備光程 差控制和掃描的能力，運能夠更容易地得到四個單元探測器上的強度譜，反演出頻率差，也 有助于找到系統(tǒng)的最高信噪比工作點。
[0059] 在多縱模激光入射條件下，只要調(diào)節(jié)壓電位移臺的位置從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)光程差L，使 本裝置自由光譜范圍FSRsys和入射的多縱模激光的自由光譜范圍FSRlaser相同，就能夠讓所 有縱模光的如圖8中的強度譜重合(而相鄰縱模強度譜"級次"相差1)，運樣各縱模的合強度 譜仍然和單縱模的強度譜譜線形態(tài)相同，不影響我們反演頻率差。
【主權(quán)項】
1.一種基于馬赫曾德干涉儀的激光鑒頻裝置，包括第一反射鏡（I)，第二反射鏡(4)，第 三反射鏡(7)，第一特殊棱鏡(2)，第二特殊棱鏡(3)，第三特殊棱鏡(8)，第四特殊棱鏡(9)， 三角棱鏡(6)，一維壓電位移臺（5)，四分之一波片（10)，第一沃拉斯頓偏振器（11)，第二沃 拉斯頓偏振器（12)，第一會聚透鏡（13)，第二會聚透鏡（14)，第一單元探測器（15)，第二單 元探測器(16)，第三單元探測器(17)和第四單元探測器(18);其特征在于： 所述的第一反射鏡（1)、第二反射鏡(4)、第三反射鏡(7)、三角棱鏡(6)、四分之一波片 (10)的高度不超過第一特殊棱鏡(2 )、第二特殊棱鏡(3 )、第三特殊棱鏡(8 )、第四特殊棱鏡 (9)中最低高度的一半； 所述的三角棱鏡(6)下方裝有用以精確控制和掃描激光鑒頻裝置光程差的一維壓電位 移臺（5); 平行入射的參考激光或被檢激光光束經(jīng)與入射光軸成45°放置的第一反射鏡（1)反射 后垂直入射進入第一特殊棱鏡(2)，在第一特殊棱鏡(2)的緊挨第二特殊棱鏡(3)的且被部 分鍍以半透半反膜的面上，含有參考激光或被檢激光50%光能量的光束透過此面直達四分 之一波片（10)并透過四分之一波片（10)，而另外含有參考激光或被檢激光50%光能量的光 在此反射回第一特殊棱鏡(2)內(nèi)部，并在與被部分鍍以半透半反膜的面平行的另一個面再 次被反射，反射光再透過第一特殊棱鏡(2)和第二特殊棱鏡(3)，到達與此處光軸成45°角放 置的反射鏡(4)并被反射到三角棱鏡(6)，在三角棱鏡(6)中經(jīng)歷兩次內(nèi)反射后出射到與此 處光軸成45°放置的第三反射鏡（7)，被第三反射鏡(7)反射的光遭遇并透過第三特殊棱鏡 (8)到達第四特殊棱鏡(9 )，這時從四分之一波片（10)出射的含有50 %參考激光或被檢激光 能量的光束與從第三特殊棱鏡出射的同樣含有50%參考激光或被檢激光能量的光束相互 平行，它們垂直入射到特殊棱鏡(9 )，被第四特殊棱鏡(9)抬升一定高度后沿入射光軸出射， 出射方向與入射方向相反，出射的兩束光位置高于四分之一波片（10)、第一反射鏡（1)、第 二反射鏡(4)和第三反射鏡(7)的最高高度而低于第三特殊棱鏡(8 )、第二特殊棱鏡(3 )、第 一特殊棱鏡(2)的最高高度，因此兩束光經(jīng)特殊棱鏡(9)出射后其中一束將通過四分之一波 片（10)的上方直接到達第二特殊棱鏡(3)，另一束將經(jīng)歷第三特殊棱鏡(8)到達第二特殊棱 鏡(3);從四分之一波片（10)上方入射到第二特殊棱鏡(3)的光束穿過第二特殊棱鏡(3)后 到達第一特殊棱鏡（2)的被部分鍍了半透半反膜的面后被再次分光，含有參考激光或被檢 激光25%的能量的光透過此面并經(jīng)歷第一特殊棱鏡(2)再到達第二沃拉斯頓偏振器（12)， 被第二沃拉斯頓偏振器（12)分成兩束出射方向不一樣的含有不同偏振分量的平行光，一束 斜向上另一束斜向下，兩平行光經(jīng)過第二會聚透鏡（14)被聚焦到其焦平面上的兩點，以上 下對齊的第二單元探測器(16)和第四單元探測器(18)接收焦平面上的光斑能量;在第一特 殊棱鏡(2)的部分鍍有半透半反膜的面上，含有參考光或被檢光25%的能量的光從該面反 射后，經(jīng)歷第二特殊棱鏡(3)，被其與第一特殊棱鏡(2)緊挨的面平行的另一個面反射并再 次經(jīng)歷第二特殊棱鏡(3)，出射到第一沃拉斯頓偏振器(11)前，被第一沃拉斯頓偏振器(11) 分成兩束斜出射的含有不同偏振分量的平行光，這兩束光被第一會聚透鏡（13)會聚到達第 一會聚透鏡（13)的焦平面上，光斑落在上下對齊放置的第一單元探測器（15)和第三單元探 測器(17)上;經(jīng)歷第三特殊棱鏡(8)到達第二特殊棱鏡(3)的光束穿過第二特殊棱鏡(3 )，在 第一特殊棱鏡(2)的與兩特殊棱鏡接合面平行的另一面處反射一次到達第一特殊棱鏡(2) 的部分鍍有半透半反膜的面上，在此面上含有參考激光或被檢激光25%光能量的光透過 此面到達與兩棱鏡接合面平行的第二特殊棱鏡(3)的一面并被反射，反射光束出射第二特 殊棱鏡(3)至Ij達第一沃拉斯頓偏振器（11 )，它也會被分成兩束方向不同含有不同偏振光分 量的斜出射平行光束并被第一會聚透鏡（13)聚焦到其焦平面的第一單元探測器（15)和第 三單元探測器（17)上;在第一特殊棱鏡(2)的部分鍍有半透半反膜的面處還有含有參考激 光或被檢激光25%光能量的光被反射并出射第一特殊棱鏡（2)到達第二沃拉斯頓偏振器 (12)，被第二沃拉斯頓偏振器（12)分成兩束方向不同的含有不同偏振分量的斜出射平行 光，這兩束平行光再經(jīng)第二會聚透鏡（14)分別到達其焦平面上的第二單元探測器（16)和第 四單元探測器(18)上； 激光鑒頻裝置的光程差L為進入三角棱鏡(6)并兩次透過第三特殊棱鏡(8)的一束光與 經(jīng)過四分之一波片（10)-次的一束光之間的光程差，前者光程為第一特殊棱鏡(2)和第二 特殊棱鏡(3)接合面處反射的含有50%入射光能量的光束依次經(jīng)歷第一特殊棱鏡(2)、第二 特殊棱鏡(3)、第二反射鏡(4)、三角棱鏡(6)、第三反射鏡(7)、第三特殊棱鏡(8)、第四特殊 棱鏡(9 )、第三特殊棱鏡(8 )、第二特殊棱鏡(3 )、第一特殊棱鏡(2)后再次到達前述接合面處 的光程，后者光程為在前述分界面處透射的含有50%入射光能量的一束平行光，經(jīng)歷四分 之一波片（10)、第四特殊棱鏡(9)、第二特殊棱鏡(3)再次到達前述接合面處的光程，上述所 有在棱鏡中的光程要乘以棱鏡材料的折射率計入總光程中； 單縱模激光鑒頻時，首先向所述的激光鑒頻裝置發(fā)射一束已知頻率的參考單縱模激光 束，由四個單元探測器獲取四個光強對應的電壓值;然后向所述的激光鑒頻裝置發(fā)射一束 與參考光頻率相差不到一個激光鑒頻裝置自由光譜范圍FSRsys=^的被檢單縱模激光 束，其中c為真空中的光速，由四個單元探測器獲取四個光強對應的電壓值;在四個參考光 光強檢測過程中，掃描參考光頻率，這四個參考光光強電壓值會形成四條彼此相隔V2相位 的四條正弦曲線，根據(jù)四個探測器得到的參考光和被檢光對應的8個電壓值在四條正弦曲 線中的相對位置關(guān)系，可以推算出兩者間的光頻率差，進而獲得被檢光的頻率;多縱模激光 鑒頻時，當入射的參考激光和被檢激光是多縱模激光時，若此多縱模激光的自由光譜范圍 FSRlaser和本激光鑒頻裝置的FSRsys相同，則仍然可以用本裝置檢測多縱模激光的頻移，鑒頻 方法不變，若此多縱模激光的自由光譜范圍和本激光鑒頻裝置的FSR sys不同，則可以通過調(diào) 節(jié)壓電位移臺來改變激光鑒頻裝置的光程差L，從而使FSRsys變得與FSRi ase3r相同，這樣仍然 可以使用本激光鑒頻裝置鑒頻。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于馬赫曾德干涉儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述 的第一特殊棱鏡(2)是一個直五棱柱，其上下底面是一個五邊形，其中兩條有光透射或反射 的不相鄰的邊彼此平行，平行的邊中較短的一邊對應的五棱柱的側(cè)面鍍?nèi)瓷淠ぃ^長的 一邊中其與第一反射鏡（1)中心和四分之一波片（10)中心連線相交的位置對應的部分側(cè)面 鍍半透半反膜，此側(cè)面其余部分鍍增透膜，五棱柱的激光入射的側(cè)面鍍增透膜。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于馬赫曾德干涉儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述 的第二特殊棱鏡(3)是一個直六棱柱，其上下底面是一個六邊形，其中與第一特殊棱鏡(2) 緊挨的面對應的邊和此邊的對邊是平行關(guān)系，與第一特殊棱鏡(2)緊挨的面鍍增透膜，其對 邊對應的側(cè)面鍍?nèi)瓷淠?光入射和出射第二特殊棱鏡(3)的兩個側(cè)面鍍增透膜，且這兩個 側(cè)面也是平行關(guān)系，這兩個平行的面與入射或出射自身的光的方向垂直。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于馬赫曾德干涉儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述 的第三特殊棱鏡(8)是一個長方體，其與光軸相交的兩個側(cè)面鍍增透膜，當激光鑒頻裝置不 需要很大的光程差時，第三特殊棱鏡(8)可以被去除。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于馬赫曾德干涉儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述 的第四特殊棱鏡(9)是一個直五棱柱，此棱柱的上下底面的形狀與五角棱鏡和三角棱鏡拼 接的立體的上下底面形狀相同，在光入射和出射的側(cè)面鍍增透膜，其它側(cè)面鍍?nèi)瓷淠?或 者第四特殊棱鏡(9)是一個上下底面中兩直角邊對應側(cè)面鍍?nèi)瓷淠?、斜邊對應?cè)面鍍增 透膜的三角棱鏡。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于馬赫曾德干涉儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述 的第一沃拉斯頓偏振器(11)和第二沃拉斯頓偏振器(12)可用偏振分光元件替代。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于馬赫曾德干涉儀的激光鑒頻裝置，其特征在于:所述 的三角棱鏡(6)的兩直角邊對應的側(cè)面鍍?nèi)瓷淠?，斜邊對應的?cè)面鍍增透膜。8. -種基于權(quán)利要求1所述的一種基于馬赫曾德干涉儀的激光鑒頻裝置的激光頻率鑒 頻方法，其特征在于方法步驟如下:先入射一束參考激光光束到所述的激光鑒頻裝置，記錄 四個單元探測器上對應的電壓值"、〖^、"、〖^，然后停止入射參考激光光束并再入射一束 與參考光頻率相差不到一個激光鑒頻裝置自由光譜范圍FSR sys的被檢激光光束到所述的激 光鑒頻裝置，再次記錄四個單元探測器上對應的電壓值115'、1 16'、Ιπ'、118'，根據(jù)下面的余 切函數(shù)計算參考激光入射時的光程差L，其中c為在真空中的光速，υ為入射光頻率：(1) 求得L后再將L作為已知，將Il5'、Il6'、Il7'、Il8'代入上式中Il5、Il6、Il7、Il8相應位置，求 得被檢激光頻率υ，從而得到兩種激光的頻率差;上面公式（1)是在四分之一波片的快軸和 沃拉斯頓棱鏡光軸的方向平行時適用的求解激光頻率的公式，當四分之一波片的快軸和沃 拉斯頓棱鏡光軸的方向垂直時，使用下面的公式(2)計算激光頻率：⑵。
【文檔編號】G01S17/95GK106019259SQ201610538829
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】洪光烈, 周艷波, 舒嶸
【申請人】中國科學院上海技術(shù)物理研究所