双光频梳测厚光路结构、系统、方法、装置及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双光频梳测厚光路结构、系统、方法、装置及存储介质。本发明专利技术通过利用信号光频梳作为测量臂光路的光源，并利用本振光频梳与两组测量光脉冲进行多外差干涉，通过测量干涉信号的相位时延，计算出待测物体厚度，克服了传统迈克尔逊干涉仪存在的无法对待测表面之间的绝对距离进行测量的技术问题，实现了一种有利于高精度、高实时性的光学表面距离测量双光频梳测厚光路结构、系统、方法、装置及存储介质。本发明专利技术可广泛应用于平行表面距离的测量。

【技术实现步骤摘要】
双光频梳测厚光路结构、系统、方法、装置及存储介质
本专利技术涉及利用光信号测量厚度或距离领域，尤其涉及一种利用光频梳测量厚度的双光频梳测厚光路结构、系统、方法、装置及存储介质。
技术介绍
光频梳：光学频率梳(OFC)，是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱。21世纪飞秒光频梳的专利技术使得激光测量技术出现了革命性的发展，在绝对距离测量、光谱分析、长距离时间传输等领域取得了巨大的技术突破，并迅速应用于精密测量行业的各个领域。光学元件(如光学镜片)及薄膜的测厚是光学测量领域的一种重要应用。现有技术中，基于传统迈克尔逊干涉仪的测量方式有其应用局限性，例如，当待测光学表面(如光学元件或薄膜表面)相互平行时，由于不能将不同表面反射回的光强和光程差建立联系，基于传统迈克尔逊干涉仪的测量方式无法对待测表面之间的绝对距离(即待测厚度)进行测量。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的第一个目的是提供一种有利于实现高精度、高实时性测量光学表面距离的光路结构。本专利技术的第二个目的是提供一种基于上述光路结构的双光频梳测厚系统。本专利技术的第三个目的是提供一种有利于实现高精度、高实时性的双光频梳测厚方法。本专利技术的第四个目的是提供一种对应于上述方法的双光频梳测厚装置。本专利技术的第五个目的是提供一种有利于实现高精度、高实时性的光学表面距离测量的存储介质。本专利技术所采用的技术方案是：第一方面，本专利技术提供了一种用于光学表面距离测量的光路结构，包括本振光光路结构、测量臂光路结构和合光光路结构；所述本振光光路结构用于接收本振光频梳，并将本振光频梳处理后输出到合光光路结构；所述测量臂光路结构用于接收信号光频梳，并将信号光频梳处理后分别经过待测物体的两个表面反射形成测量光，再将测量光输出到合光光路结构；所述合光光路结构用于分别接收所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号，并将所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的测量光叠加成干涉信号输出。优选的，所述本振光光路结构包括第一光纤准直器、第一半波片和第一偏振片，所述本振光频梳依次经过所述第一光纤准直器、第一半波片和第一偏振片后输出到合光光路；所述测量臂光路结构包括第二光纤准直器、第二半波片、第二偏振片、偏振分光棱镜、四分之一波片，所述信号光频梳依次经过所述第二光纤准直器、第二半波片、第二偏振片、偏振分光棱镜和四分之一波片后，再分别经过待测物体的两个表面反射，再依次经过所述四分之一波片、偏振分光棱镜后形成测量光输出到所述合光光路；所述合光光路结构包括非偏振分光棱镜和滤光片，所述非偏振分光棱镜用于分别接收所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号，并将所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号叠加成干涉信号，所述干涉信号经过滤光片后输出。第二方面，本专利技术提供了一种双光频梳测厚系统，包括用于产生本振光频梳的本振光源、用于产生信号光频梳的信号光源、光路结构和信号采集与数据处理模块：所述信号采集与数据处理模块包括用于采集所述干涉信号的光电探测器和数据处理模块，所述光电探测器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接。优选的，所述数据处理模块包括低通滤波器、高速数据采集模块、干涉信号截取模块、快速傅里叶变换运算模块、最小二乘法拟合模块和计算模块；所述低通滤波器用于将光电探测器输出的信号进行低通滤波后输出到所述高速数据采集模块；所述高速数据采集模块用于以本振光频梳的脉冲信号作为采样时钟信号，采集得到包括多个干涉周期的干涉信号输出到所述干涉信号截取模块；所述干涉信号截取模块用于截取一个干涉周期内幅值最大的两个时域区间输出到所述快速傅里叶变换运算模块；所述快速傅里叶变换运算模块用于对上述两个时域区间的干涉信号分别进行傅里叶变换，分别求出相位谱输出到所述最小二乘法拟合模块；所述最小二乘法拟合模块用于根据上述相位谱求出相位谱的斜率k输出到所述计算模块；所述计算模块用于根据下述公式求出待测物体的厚度D：其中，c为光速，ng为待测物体的折射率，Δfr为信号光频梳与本振光频梳之间的重复频率差，fs为信号光频梳的重复频率，t0为两个时域区间对应的时间差。第三方面，本专利技术提供了一种双光频梳测厚方法，包括步骤：获取干涉信号；所述干涉信号包括本振光频梳和经由待测物体的两个表面反射的两组测量光叠加形成的光信号；根据本振光频梳和测量光的重复频率以及两者之间的重复频率差计算出待测物体的厚度D。优选的，所述获取干涉信号步骤之前，还包括步骤：用一个和本振光频梳有固定重复频率差的信号光频梳经过待测物体的两个表面反射形成测量光；将测量光和本振光频梳叠加形成干涉信号。优选的，所述步骤获取干涉信号，具体为：以本振光频梳的脉冲信号作为采样时钟信号采集得到包括多个干涉周期的干涉信号；所述根据本振光频梳和测量光的重复频率以及两者之间的重复频率差计算出待测物体的厚度D，具体为：截取一个干涉周期内幅值最大的两个时域区间，记录两个时域区间对应的时间差t0；对上述两个时域区间的干涉信号分别进行傅里叶变换，分别求出相位谱之后进行相减，然后利用最小二乘法拟合求出相位谱的斜率k，代入下述公式求出待测物体的厚度D：其中，c为光速，ng为待测物体的折射率，Δfr为信号光频梳与本振光频梳之间的重复频率差，fs为信号光频梳的重复频率。优选的，所述一种双光频梳测厚方法还包括步骤：对不同干涉周期计算出的厚度D进行平均计算。第四方面，本专利技术提供了一种双光频梳测厚装置，包括：获取模块，用于获取干涉信号，所述干涉信号包括本振光频梳和经由待测物体的两个表面反射的两组测量光叠加形成的光信号；厚度计算模块，根据本振光频梳和测量光的重复频率以及两者之间的重复频率差计算出待测物体的厚度D。第五方面，本专利技术提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行一种双光频梳测厚方法。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过利用信号光频梳作为测量臂光路的光源，并利用本振光频梳与两组测量光脉冲进行多外差干涉，通过测量干涉信号的相位时延，计算出待测物体厚度，克服了传统迈克尔逊干涉仪存在的无法对待测表面之间的绝对距离进行测量的技术问题，实现了一种有利于高精度、高实时性的光学表面距离测量双光频梳测厚光路结构、系统、方法、装置及存储介质。此外，由于本专利技术光路结构无需参考臂，因此在光路结构中使用波片和偏振分光棱镜的组合，提高了系统的信噪比。信号采集与处理模块利用本振光频梳的重复频率作为采样时钟进行信号采集，使用快速傅里叶变换和最小二乘法拟合解算出厚度，进一步保障了精密、高速、实时的厚度测量。本专利技术可广泛应用于平行表面距离的测量。附图说明图1是本专利技术实施例一中，双光频梳测厚系统的结构示意图；图2是本专利技术实施例一中，信号采集与数据处理模块的内部结构框图；图3是本专利技术光学表面距离测量原理示意图；图4a是本专利技术实施例一中，干涉信号波形示意图；图4b是图4a中B区域的波形放大示意图；图4c是图4b中C区域的波形放大示意图；图4d是图4b中D区域的波形放大示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本专利技术的基本构思是：光频梳在时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双光频梳测厚光路结构，其特征在于，包括本振光光路结构、测量臂光路结构和合光光路结构；所述本振光光路结构用于接收本振光频梳，并将本振光频梳处理后输出到合光光路结构；所述测量臂光路结构用于接收信号光频梳，并将信号光频梳处理后分别经过待测物体的两个表面反射形成测量光，再将测量光输出到合光光路结构；所述合光光路结构用于分别接收所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号，并将所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的测量光叠加成干涉信号输出。

【技术特征摘要】
1.一种双光频梳测厚光路结构，其特征在于，包括本振光光路结构、测量臂光路结构和合光光路结构；所述本振光光路结构用于接收本振光频梳，并将本振光频梳处理后输出到合光光路结构；所述测量臂光路结构用于接收信号光频梳，并将信号光频梳处理后分别经过待测物体的两个表面反射形成测量光，再将测量光输出到合光光路结构；所述合光光路结构用于分别接收所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号，并将所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的测量光叠加成干涉信号输出。2.根据权利要求1所述的一种用于光学表面距离测量的光路结构，其特征在于，所述本振光光路结构包括第一光纤准直器、第一半波片和第一偏振片，所述本振光频梳依次经过所述第一光纤准直器、第一半波片和第一偏振片后输出到合光光路；所述测量臂光路结构包括第二光纤准直器、第二半波片、第二偏振片、偏振分光棱镜、四分之一波片，所述信号光频梳依次经过所述第二光纤准直器、第二半波片、第二偏振片、偏振分光棱镜和四分之一波片后，再分别经过待测物体的两个表面反射，再依次经过所述四分之一波片、偏振分光棱镜后形成测量光输出到所述合光光路；所述合光光路结构包括非偏振分光棱镜和滤光片，所述非偏振分光棱镜用于分别接收所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号，并将所述本振光光路结构和所述测量臂光路结构输出的光信号叠加成干涉信号，所述干涉信号经过滤光片后输出。3.一种双光频梳测厚系统，其特征在于，包括用于产生本振光频梳的本振光源、用于产生信号光频梳的信号光源、如权利要求1或2所述的光路结构和信号采集与数据处理模块：所述信号采集与数据处理模块包括用于采集所述干涉信号的光电探测器和数据处理模块，所述光电探测器的输出端与所述数据处理模块的输入端连接。4.根据权利要求3所述的一种双光频梳测厚系统，其特征在于，所述数据处理模块包括低通滤波器、高速数据采集模块、干涉信号截取模块、快速傅里叶变换运算模块、最小二乘法拟合模块和计算模块；所述低通滤波器用于将光电探测器输出的信号进行低通滤波后输出到所述高速数据采集模块；所述高速数据采集模块用于以本振光频梳的脉冲信号作为采样时钟信号，采集得到包括多个干涉周期的干涉信号输出到所述干涉信号截取模块；所述干涉信号截取模块用于截取一个干涉周期内幅值最大的两个时域区间输出到所述快速傅里叶变换运算模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：余浩洋，马茹玉，倪凯，吴冠豪，周倩，李星辉，王晓浩，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44