相位调制型激光反馈光栅干涉仪及其测量方法技术

本发明专利技术涉及一种相位调制型激光反馈光栅干涉仪及其测量方法。其结构为：氦氖激光器发出的激光垂直入射至透射式衍射光栅，在入射光路两侧形成对称分布的各级次衍射光，衍射光栅的位移方向垂直于激光器的输出光路；电光调制器置于+1级次衍射光的光路上进行纯相位调制，调制后的衍射光垂直入射至平面反射镜并沿原光路返回，再次入射至衍射光栅发生二次衍射；二次+1级衍射光携带光栅位移信息沿激光器出射光的相反方向返回到激光器腔内与腔内光发生激光反馈干涉；光电探测器置于激光器后向输出光路上，光电探测器与运算放大器、数据采集卡和计算机依次连接，由计算机处理得到待测位移。本发明专利技术具有结构简单紧凑，测量范围大、对环境不敏感等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密位移测量
，具体地涉及一种相位调制型激光反馈光栅干 涉仪及其测量方法。
技术介绍
纳米测量是先进制造业发展的关键技术，也是整个纳米科技领域的先导和基础。 随着超精密加工和超微细加工技术的发展，行程达100毫米量级、运动分辨率达到纳米级 的超精密和超微细加工设备，对大量程、纳米级高分辨率的位移测量提出了迫切需求。 传统的干涉测试结构，如Agilent公司5529A双频干涉仪虽然可以达到较高的位 移测量精度，但普遍结构庞大，光路复杂，敏感于准直，而且价格昂贵。激光反馈干涉技术 是近年来兴起的一种具有很高应用价值的新型干涉计量技术，当激光器输出光被外界物体 反射或散射后，部分光将返回激光器谐振腔内与腔内光束相混合而引起激光器的输出光强 的变化，实现速度、位移、振动及距离等物理量的精密测量。由于系统固有的结构简单紧凑、 自准直、以及可以工作于粗糙散射表面显著优点，解决了传统干涉测量技术系统复杂、敏感 于准直等问题，在很多场合可以代替传统的激光干涉仪。和传统干涉仪一样，激光反馈干涉 仪对测量环境的要求非常苛刻，空气折射率波动，温度变化引起的元器件变形以及激光器 自身的不稳定等因素都会严重影响实际测量时系统的分辨率，不利于在工业现场中进行测 量。 光栅干涉仪具有测量范围大、测量分辨率高等特点。其测量原理是利用运动的光 栅产生两路衍射光束，衍射光由于多普勒效应的作用，会产生符号相反的频移，重新汇合产 生干涉，经过信号处理和计数细分，可实现位移测量。光栅干涉仪使用光栅的栅距作为位移 标准，而非激光波长，测量系统几乎不受空气压强、湿度等的影响，其因此对环境要求低。但 其光路结中含有多个波片、分光棱镜以及反射镜等辅助元件，结构较为复杂、体积庞大，工 作人员调试起来相对困难。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种相位调制型激光反馈光栅干涉仪，它是一种结构简单紧 凑，抗干扰能力强的大范围、高分辨率位移传感器。本专利技术的另外一个目的是提供一种利用 该相位调制型激光反馈光栅干涉仪进行位移测量的方法。 本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是： 相位调制型激光反馈光栅干涉仪，包括氦氖激光器、透射式衍射光栅、电光调制 器、电光调制器驱动器、平面反射镜、光电探测器、运算放大器、数据采集卡和计算机；所述 氦氖激光器发出的激光垂直入射至透射式衍射光栅，在入射光路两侧形成对称分布的各级 次衍射光，所述透射式衍射光栅的位移方向垂直于激光器的输出光路；所述电光调制器置 于+1级次衍射光的光路上，对+1级次衍射光进行纯相位调制，调制后的衍射光垂直入射至 所述平面反射镜并沿原光路返回，再次入射至所述透射式衍射光栅发生二次衍射；二次+1 级衍射光携带光栅位移信息沿激光器出射光的相反方向返回到激光器腔内与腔内光发生 激光反馈干涉；所述光电探测器置于所述氦氖激光器后向输出光路上，光电探测器输出接 所述运算放大器，运算放大器输出接所述数据采集卡，数据采集卡进行模数转换后输入计 算机，由计算机基于正交解调技术处理后，得到待测位移。所述氦氖激光器输出单纵模线偏振激光。进一步地，所述氦氖激光器输出激光的偏振方向和所述透射式衍射光栅的刻线方 向一致。 进一步地，所述电光调制器主轴方向和所述氦氖激光器输出激光偏振方向一致。 所述电光调制器对+1级次衍射光进行正弦相位调制，调制函数_为： 奶"=(π/2)-(2τ^η4其中fn为调制频率，t为时间。 所述电光调制器采用铌酸锂晶体。所述透射式衍射光栅前后方设置有挡板，以挡去不需要的级数的衍射光束。所述透射式衍射光栅采用低热膨胀系数的石英或零膨胀玻璃材料制作。所述运算放大器为低噪声运算放大器。利用上述干涉仪的测量方法，测量原理基于光栅衍射、光学多普勒效应和时域正 交解调原理，其中，电光调制器对+1级次衍射光进行纯相位调制，每个调制周期内，对干涉 信号进行采样间隔为η/6的12次采样，对采样结果进行线性组合计算，得到待测相位的正 弦分量和余弦分量，解调出待测相位，再依据待测相位和光栅位移之间的关系，实时测量光 栅位移。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1)本专利技术采用激光反馈光栅干涉原理，不需要传统激光干涉仪的分束器和参考镜 等辅助光学元件，也无需传统光栅干涉仪的偏振片、偏振分光棱镜、波片等辅助元件，其结 构简单紧凑、测量范围大、测量分辨率高、光路调节方便。2)相对于现有的激光反馈干涉技术，本专利技术以光栅的栅距而非波长作为测量基 准。测量精度不受空气成份、压强、湿度以及光源波动的影响，对环境不敏感，允许在环境温 度变化较大的情况下使用，适用于工业现场测量。3)本专利技术提出了采用电光调制器对衍射光进行纯相位调制，调制精度高，调制带 宽宽，相位解调由时域正交解调技术实现，解调方法算法简单，对采样误差不敏感，可以大 幅度提高位移测量装置的测量分辨率。 4)本专利技术形成了新的大量程、高分辨率、结构紧凑、适用于工业现场测量的微位移 测量装置，对进一步推动先进制造技术的发展具有重要的现实意义。【附图说明】 图1是本专利技术提供的相位调制型激光反馈光栅干涉仪示意图。图2是本专利技术的相位调制型激光反馈干涉仪正交解调原理图。图3是本专利技术的相位调制型激光反馈光栅干涉仪进行位移测量时的软件处理流 程图。 图例说明 1、氦氖激光器；2、透射式衍射光栅；3、电光调制器；4、电光调制器驱动器；5、平面 反射镜；6、光电探测器；7、运算放大器；8、数据采集卡；9、计算机。【具体实施方式】 结合图1说明本专利技术相位调制型激光反馈光栅干涉仪工作原理。如图1，氦氖激 光器1输出的线偏振光垂直入射至透射式衍射光栅2,各级次衍射光在入射光路两侧对称 分布。电光调制器3置于+1级衍射光的光路上，对+1级衍射光进行纯相位调制，调制函数 为"π/2)sin(2JIfj)，其中圪为调制频率。平面反射镜5置于+1级衍射光的光路上，置 于电光调制器3后方，使第+1级衍射光垂直入射至平面反射镜并沿原光路返回，再次入射 至透射式衍射光栅2发生二次衍射。二次+1级衍射光携带光栅位移信息沿激光器出射光 的相反方向返回到氦氖激光器1腔内与腔内光发生激光反馈干涉。当透射式光栅2沿图 中X方向运动AX时，由透射式衍射光栅2的位移导致的二次+1级衍射反馈光相位变化恢 为：办=4πΛχ·Λ/。由于+1级衍射光束在外腔中两次经过电光调制器，由电光调制器导致的二 次+1级衍射反馈光相位变化:2御^: 二次+1级衍射反馈光相位总变化量 为假设单纵模线偏振氦氖激光器输出光场E(t)为：E(t) =E〇exp (1) 式中，各变量的含义为：Ε。为光场的振幅，ω为激光角频率，φ。为出射光场的初始 相位。二次+1级衍射反馈光光场Edt)为 Ei(t) =KmE当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
相位调制型激光反馈光栅干涉仪，其特征在于，包括氦氖激光器、透射式衍射光栅、电光调制器、电光调制器驱动器、平面反射镜、光电探测器、运算放大器、数据采集卡和计算机；所述氦氖激光器发出的激光垂直入射至透射式衍射光栅，在入射光路两侧形成对称分布的各级次衍射光，所述透射式衍射光栅的位移方向垂直于激光器的输出光路；所述电光调制器置于+1级次衍射光的光路上，对+1级次衍射光进行纯相位调制，调制后的衍射光垂直入射至所述平面反射镜并沿原光路返回，再次入射至所述透射式衍射光栅发生二次衍射；二次+1级衍射光携带光栅位移信息沿激光器出射光的相反方向返回到激光器腔内与腔内光发生激光反馈干涉；所述光电探测器置于所述氦氖激光器后向输出光路上，光电探测器输出接所述运算放大器，运算放大器输出接所述数据采集卡，数据采集卡进行模数转换后输入计算机，由计算机基于正交解调技术处理后，得到待测位移。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭冬梅，王鸣，郝辉，夏巍，倪小琦，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32