一种双波长超外差干涉实时位移测量系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种双波长超外差干涉实时位移测量系统。系统由两个波长差为Δλ的激光器、三个偏振分光棱镜、四个分光棱镜、两个声光调制器、四个四分之一波片、五个平面反射镜、三个偏振片、一个超窄带滤波片、两个大带宽的跨阻抗光电探测器、两个低带宽的高灵敏度光电探测器、一个参考反射镜、一个被测反射镜组成。本实用新型专利技术利用双波长产生的合成波长干涉信号提升系统的测量量程，使得系统的测量量程远大于单波长干涉的量程，可以直接测量合成波长的相位，实现实时测量，同时利用超窄带滤波片采得单波长干涉信号，在扩大测量量程的同时保证单波长干涉测量的精度。

A dual wavelength ultra heterodyne interference real-time displacement measurement system

【技术实现步骤摘要】
一种双波长超外差干涉实时位移测量系统
本技术涉及一种位移测量系统，特别涉及了一种双波长超外差干涉实时位移测量系统。
技术介绍
常见的单波长激光干涉位移测量系统拥有纳米级的位移测量精度，但是由于激光单波长通常为1μm左右，因此其干涉信号的周期只有数百纳米，限制了其测量量程。位移测量系统需要增加周期计数才可以准确记录相位变化，一旦位移变化较为迅速或者遇到台阶等较大的绝对位移变化，就会出现相位模糊。为了解决单波长激光干涉的量程问题，Tilford等人最早提出了采用双波长构造一种合成波长来扩大测量系统量程的方法(C.R.Tilford,Appl.Opt.16,1857(1977).)。两束波长分别为λ1和λ2的激光可以合成波长为λ1λ2/(λ1-λ2)的干涉信号，当λ1和λ2比较接近时，合成波长远大于单波长，这样就可以大大扩展干涉位移测量系统的量程。但是随着测量量程的扩大，双波长干涉测量同样面临了两个新的问题：1.基于合成波长的干涉测量精度会下降，2.求合成波长相位时往往需要对单波长依次测量再求解，难以实现实时快速的测量。之后几十年双波长干涉位移测量取得了很大的发展，如专利号为02112079.X的专利“双波长纳米精度实时干涉测量仪”加入了双路正弦调制和信号处理器，保证了较高的测量精度，但是其通过温度调制激光波长等调制手段稳定性较差，很难达到理论精度；Dandliker等人提出的超外差干涉法通过(R.Dandliker,R.Thalmann,andD.Prongue,Opt.Lett.13,339(1988))对不同波长的两束激光加入不同的频移可以实现合成波长的实时测量，但是仍然没有解决合成波长测量精度下降的问题。现有技术无法很好地同时解决双波长干涉带来的两个问题，满足大量程高精度的实时干涉测量需求。
技术实现思路
本技术针对上述问题，提出了一种双波长超外差干涉实时位移测量系统，融合了合成波长干涉、单波长干涉、超外差干涉的优点，实现了大量程高精度的实时位移测量。本技术通过以下技术方案实现。主要由两个波长差为Δλ的激光器、三个偏振分光棱镜、四个分光棱镜、两个声光调制器、四个四分之一波片、五个平面反射镜、三个偏振片、一个超窄带滤波片、两个大带宽的跨阻抗光电探测器、两个低带宽的高灵敏度光电探测器、一个参考反射镜、一个被测反射镜、信号处理电路和上位机组成；两个激光器发出两束不同波长的激光，每束激光分别经过各自的四分之一波片后入射到偏振分光棱镜分为水平偏振和垂直偏振的两路：其中水平偏振的一路依次经过声光调制器和反射镜后反射，垂直偏振的一路经过反射镜后反射，两个反射镜各自的反射光入射到分光棱镜合束输出，合束光含有频率不同且偏振方向不同的两路输出光；两路输出光入射到第三分光棱镜合束并发生分束：分束后的一部分光经过第一偏振片到达第一光电探测器，作为双波长超外差干涉的参考信号；分束后的另一部分光入射到第三偏振分光棱镜发生反射和透射，分成垂直偏振和水平偏振的两路；经第三偏振分光棱镜反射出的一路垂直偏振的光经过第四四分之一波片被参考反射镜反射后再次经过第四四分之一波片变为水平偏振光并回到第三偏振分光棱镜；经第三偏振分光棱镜透射出的一路水平偏振的光经过第三四分之一波片被被测反射镜反射后再次经过第三四分之一波片变为垂直偏振光并回到第三偏振分光棱镜，被测反射镜固定在被测物表面；回到第三偏振分光棱镜的两路激光在第三偏振分光棱镜合束后入射到第四分光棱镜，发生反射和透射分束；透射的一部分经过第二偏振片被第二光电探测器接收作为双波长超外差干涉的测量信号；反射的一部分经过超窄带滤波片后再经第三偏振片被第三光电探测器接收，第四光电探测器置于第三光电探测器旁；第一、第二光电探测器和第三、第四光电探测器均经信号处理电路连接到上位机。本技术的第一光电探测器、第二光电探测器为两个大带宽的跨阻抗光电探测器，第三光电探测器、第四光电探测器为两个低带宽的高灵敏度光电探测器，灵敏度大于0.1V/nW。信号处理电路包括有自混频器、带通滤波器、相关测相器、跟随器和差分放大电路。所述的信号处理电路具体包括第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第一自混频器、第二自混频器、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一相关测相器、模数转换模块、差分放大器和第二相关测相器；第一光电探测器依次经第一低噪声放大器、第一自混频器和第一带通滤波器连接到第一相关测相器，第二光电探测器依次经第二低噪声放大器、第二自混频器、第二带通滤波器连接到第一相关测相器，第三光电探测器和第四光电探测器均依次经差分放大器连接到第二相关测相器，第一相关测相器和第二相关测相器均经模数转换模块连接到上位机。所述的两个激光器发出不同波长的激光，两束激光的波长差为Δλ。波长差为Δλ小于5nm，大于2nm。所述的两个激光器发出的光为不同波长的线偏振光，经过四分之一波片后变为两束圆偏振光，每束圆偏振光经过偏振分光棱镜后分别分束为两束偏振方向互相垂直的线偏振光。所述的两个声光调制器的调制频率不同。具体实施中，两个声光调制器调制频率f1和f2分别为100MHz和100.01MHz，两者差频为10kHz。所述的第一、第二光电探测器的带宽大于声光调制器的调制频率。所述的超窄带滤波片的中心波长与两个激光器发出的两束光中较小的波长相同。具体实施中，两个激光器发出的光为波长为632.8nm和635nm的线偏振光。超窄带滤波片的中心波长为632.8nm，半高全宽为1nm。所述的第三、第四光电探测器放置位置紧邻且朝向相同，以实现与环境光的差分。与现有技术相比，本技术的有益效果是：1、本技术利用合成波长扩大测量系统的量程，使测量系统的量程扩大为合成波长的二分之一，并且通过合理地选取双波长使得测量系统的量程保持在合理范围。2、本技术利用单波长干涉信号保证测量系统的测量精度，使得测量系统能够在扩大测量量程的同时保证纳米级的精度。附图说明图1是本技术的系统示意图；图中：激光器1、激光器2、第一四分之一波片3、第二四分之一波片4、第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6、第一声光调制器7、第二声光调制器8、第一反射镜9、第二反射镜10、第三反射镜11、第四反射镜12、第一分光棱镜13、第二分光棱镜14、第五反射镜15、第三分光棱镜16、第一偏振片17、第一光电探测器18、第三偏振分光棱镜19、第三四分之一波片20、被测反射镜21、被测物22、第四四分之一波片23、参考反射镜24、第二偏振片25、第四分光棱镜26、第二光电探测器27、超窄带滤波片28、第三偏振片29、第三光电探测器30、第四光电探测器31。具体实施方式以下结合具体实施例进行进一步的说明。本技术为实现大量程高精度的实时位移测量，提供了一种双波长超外差干涉测量系统，该系统包括波长为λ1＝632.8nm的激光器1、波长为λ2＝635nm的激光器2、第一四分之一波片3、第二四分之一波片4、第一偏振分光棱镜5、第二偏振分光棱镜6、第一声光调制器7、第二声光调制器8、第一反射镜9、第二反射镜10、第三反射镜11、第四反射镜12、第一分光棱镜13、第二分光棱镜14、第五反射镜15、第三分光棱镜16、第一偏振片17、第一光电探测器18、第三偏振分光棱镜19、第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双波长超外差干涉实时位移测量系统，其特征在于：两个激光器(1、2)发出两束不同波长的激光，每束激光分别经过各自的四分之一波片后入射到偏振分光棱镜分为水平偏振和垂直偏振的两路：其中水平偏振的一路依次经过声光调制器和反射镜后反射，垂直偏振的一路经过反射镜后反射，两个反射镜各自的反射光入射到分光棱镜合束输出，合束光含有频率不同且偏振方向不同的两路输出光；两路输出光入射到第三分光棱镜(16)合束并发生分束：分束后的一部分光经过第一偏振片(17)到达第一光电探测器(18)，分束后的另一部分光入射到第三偏振分光棱镜(19)发生反射和透射，分成垂直偏振和水平偏振的两路；经第三偏振分光棱镜(19)反射出的一路垂直偏振的光经过第四四分之一波片(23)被参考反射镜(24)反射后再次经过第四四分之一波片(23)变为水平偏振光并回到第三偏振分光棱镜(19)；经第三偏振分光棱镜(19)透射出的一路水平偏振的光经过第三四分之一波片(20)被被测反射镜(21)反射后再次经过第三四分之一波片(20)变为垂直偏振光并回到第三偏振分光棱镜(19)，被测反射镜(21)固定在被测物(22)表面；回到第三偏振分光棱镜(19)的两路激光在第三偏振分光棱镜(19)合束后入射到第四分光棱镜(26)，发生反射和透射分束；透射的一部分经过第二偏振片(25)被第二光电探测器(27)接收，反射的一部分经过超窄带滤波片(28)后再经第三偏振片(29)被第三光电探测器(30)接收，第四光电探测器(31)置于第三光电探测器(30)旁。...

【技术特征摘要】
1.一种双波长超外差干涉实时位移测量系统，其特征在于：两个激光器(1、2)发出两束不同波长的激光，每束激光分别经过各自的四分之一波片后入射到偏振分光棱镜分为水平偏振和垂直偏振的两路：其中水平偏振的一路依次经过声光调制器和反射镜后反射，垂直偏振的一路经过反射镜后反射，两个反射镜各自的反射光入射到分光棱镜合束输出，合束光含有频率不同且偏振方向不同的两路输出光；两路输出光入射到第三分光棱镜(16)合束并发生分束：分束后的一部分光经过第一偏振片(17)到达第一光电探测器(18)，分束后的另一部分光入射到第三偏振分光棱镜(19)发生反射和透射，分成垂直偏振和水平偏振的两路；经第三偏振分光棱镜(19)反射出的一路垂直偏振的光经过第四四分之一波片(23)被参考反射镜(24)反射后再次经过第四四分之一波片(23)变为水平偏振光并回到第三偏振分光棱镜(19)；经第三偏振分光棱镜(19)透射出的一路水平偏振的光经过第三四分之一波片(20)被被测反射镜(21)反射后再次经过第三四分之一波片(20)变为垂直偏振光并回到第三偏振分光棱镜(19)，被测反射镜(21)固定在被测物(22)表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘德馨，卢乾波，白剑，汪凯巍，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33