相位调制型正交偏振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用于二维测量的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪及其测量方法，测量原理基于光栅衍射、光学多普勒效应、Lamb半经典理论和时域正交解调原理。双折射双频氦氖激光器输出的正交偏振光垂直入射至偏振分光棱镜被分成两束不同偏振方向的线偏振光，这两束偏振光分别经过两个不同的电光调制器后分别被反射镜以±1级利特罗入射角入射到反射式衍射光栅上。衍射光分别沿各自的入射光返回激光腔内与腔内光发生自混合干涉。激光器后向输出光经偏振片后只保留单模光，并被光电探测器接受，光电探测器输出信号输出至数据处理模块进行数据处理，得到待测目标的二维位移。本发明专利技术具有结构简单，测量范围大、测量分辨率高等优点。

Phase modulated quadrature polarized laser feedback grating interferometer and its measurement method

The invention relates to a phase modulated orthogonal polarized laser feedback grating interferometer for two-dimensional measurement and a measuring method thereof. The measuring principle is based on grating diffraction, optical Doppler effect, Lamb semiclassical theory and time-domain orthogonal demodulation principle. The orthogonal polarized light of birefringent bi-frequency He-Ne laser is incident vertically to the polarization splitter prism and divided into two linearly polarized light beams with different polarization directions. The two polarized light beams are respectively incident on the reflective diffraction grating by the reflector at an incidence angle of (+) 1 level Littro after passing through two different electro-optic modulators. The diffracted light is returned to the laser cavity along the incident light and self mixing interference with the intracavity light. The laser output light only retains single mode light after passing through the polarizer, and is accepted by the photoelectric detector. The output signal of the photoelectric detector is output to the data processing module for data processing, and the two-dimensional displacement of the target to be measured is obtained. The invention has the advantages of simple structure, large measuring range and high resolution.

【技术实现步骤摘要】
相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪及其测量方法
本专利技术属于精密位移测量
，具体地涉及一种用于二维测量的相位调制型正交偏振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，对实时高精度二维定位系统的需求迅速增长。激光干涉仪和光栅干涉仪由于具有非接触，高分辨率和宽动态测量范围等优点而被广泛用于高精度位移测量。通常，激光干涉测量法用于测量面外位移，而光栅干涉测量则用于测量面内位移。目前能够实现二维测量的解决方案中主要是通过使用两组干涉仪、使用二维光栅和分光技术、或用反射光栅替换干涉仪的反射镜来实现。使用两组干涉仪是最直接的方法，但不能其同时性无法得到保证。基于二维衍射光栅的光栅干涉仪在同时高精度二维定位方面表现出良好的性能，但该系统是将光栅布置在反射面内，利用二维光栅实现面内的二维位移的测量，而二维光栅的制作成本十分昂贵。在一些特定应用场景中，例如基于探针的近场显微镜和光学成像，一种准共焦光路外差光栅干涉仪也可以实现高精度二维面内测量。近几年，用反射光栅替换反射镜的外差光栅的干涉仪得到了许多关注，它由一个参考光栅和一个测量光栅组成，可以同时测量面内和面外的位移。之后，很多基于这种方法的面内和面外位移测量系统被开发出来。但是，这类系统普遍面对两个问题：当目标在平面外方向上移动一段距离时，这些系统的光路也将改变，导致检测光与光电检测器之间出现偏差。因此，平面外位移的测量通常用于给面内位移测量起补偿作用；并且这些光路系统往往十分复杂，难于调整。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：为了使二维微位移测量装置具有大量程、高分辨率、且适用于工业现场测量，本专利技术提出一种相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪及其测量方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：提出一种相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，它包括：双折射双频氦氖激光器1、沃拉斯顿棱镜2、第一电光调制器3、第二电光调制器4、电光调制器驱动器5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、反射式衍射光栅8、偏振片9、光电探测器10和信号处理模块A。所述双折射双频氦氖激光器1发出正交偏振激光，经所述沃拉斯顿棱镜2被分成偏振方向不同的两束激光，其中的水平偏振光经所述第一电光调制器3，被所述第一反射镜6以+1级利特罗入射角入射到所述反射光栅上8，垂直偏振光经所述第二电光调制器4，被所述第二反射镜7以-1级利特罗入射角入射到所述反射光栅上8；电光调制器驱动器5输出两种不同频率的电压信号分别驱动两电光调制器3,4，并且将这两种电压信号对应的参考信号输出至信号处理模块A；激光入射到所述反射光栅8产生的衍射光沿入射路径返回所述激光器1，与腔内光发生激光反馈干涉；所述偏振片9置于所述氦氖激光器1后向输出光路上，所述光电探测器10置于偏振片9后方，光电探测器10输出至信号处理模块A；所述信号处理模块A包括：运算放大器11、第一带通滤波器12、第二带通滤波器13、第三带通滤波器14、第四带通滤波器15、数据采集卡16和计算机17；探测信号输入至所述运算放大器11，所述运算放大器11将放大信号输出至所述第一至第四带通滤波器12-15中，四个滤波信号同时输出至所述数据采集卡16，所述数据采集卡16进行模数转换后输入所述计算机17，由所述计算机17处理后，得到待测位移。如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述双折射双频氦氖激光器1输出双纵模正交偏振激光，两个模式间存在模式竞争。如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述沃拉斯顿棱镜2采用α-BBO、方解石或钒酸钇为基底，出射光束的分离角在17°～23°之间。如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述电光调制器3,4主轴方向和通过的激光偏振方向一致；所述电光调制器用于对通过的激光进行纯相位调制。如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述电光调制器3,4用于对通过的激光进行正弦相位调制，调制幅度为π/2，调制初始相位为0；所述第一电光调制器3与所述第二电光调制器4的调制频率之比为3:7。如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述电光调制器3,4采用波导形电光晶体。如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述反射式衍射光栅8为Borofloat玻璃制作的全息光栅。如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述偏振片9的偏振方向调整为仅允许双折射双频氦氖激光器的o光或e光通过。如前所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，进一步地，所述第一带通滤波器12的中心频率等于所述第一电光调制器的调制频率，所述第二带通滤波器13的中心频率等于所述第一电光调制器的调制频率的二倍，所述第三带通滤波器14的中心频率等于所述第二电光调制器的调制频率，所述第四带通滤波器15的中心频率等于所述第二电光调制器的调制频率的二倍；所述第一至第四带通滤波器12-15的带宽相同，且在通带不重叠的前提下达到最大。本专利技术还提出一种基于前述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪的测量方法，其中，相位解调采用时域正交解调技术，具体步骤包括：(1)用实时归一化算法处理所述第一至第四带通滤波器12-15输出的滤波信号；(2)对处理后的滤波信号分别除去各自的载波，得到两组待测相位的正弦分量和余弦分量；(3)解调出两组待测相位；(4)依据两组待测相位和所述反射光栅8二维位移之间的线性关系，实时测量目标位移。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1)本专利技术采用激光反馈光栅干涉原理，不需要传统光栅干涉仪的参考光栅等辅助元件，正交偏振的两束光同时反馈回激光器发生干涉，对信号检测只需要一个光电探测器即可实现，大大简化了光路系统的结构，光路调节方便。2)相对于现有的用于实现二维位移测量的光栅干涉技术，本专利技术利用利特罗结构的优势，在光栅发生面外位移时光路结构不会随之改变，实现了面外大量程位移的测量，减少了器件数量、降低系统复杂程度。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、适用于工业现场测量的二维微位移测量装置，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是本专利技术的结构示意图。图2是本专利技术的时域正交解调原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本
技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本专利技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，其特征在于，它包括：双折射双频氦氖激光器(1)、沃拉斯顿棱镜(2)、第一电光调制器(3)、第二电光调制器(4)、电光调制器驱动器(5)、第一平面反射镜(6)、第二平面反射镜(7)、反射式衍射光栅(8)、偏振片(9)、光电探测器(10)和信号处理模块(A)；所述双折射双频氦氖激光器(1)发出正交偏振激光，经所述沃拉斯顿棱镜(2)被分成偏振方向不同的两束激光，其中的水平偏振光经所述第一电光调制器(3)，被所述第一反射镜(6)以+1级利特罗入射角入射到所述反射光栅上(8)，垂直偏振光经所述第二电光调制器(4)，被所述第二反射镜(7)以‑1级利特罗入射角入射到所述反射光栅上(8)；电光调制器驱动器(5)输出两种不同频率的电压信号分别驱动两电光调制器(3,4)，并且将这两种电压信号对应的参考信号输出至信号处理模块(A)；激光入射到所述反射光栅(8)产生的衍射光沿入射路径返回所述激光器(1)，与腔内光发生激光反馈干涉；所述偏振片(9)置于所述氦氖激光器(1)后向输出光路上，所述光电探测器(10)置于偏振片(9)后方，光电探测器(10)输出至信号处理模块(A)；所述信号处理模块(A)包括：运算放大器(11)、第一带通滤波器(12)、第二带通滤波器(13)、第三带通滤波器(14)、第四带通滤波器(15)、数据采集卡(16)和计算机(17)；探测信号输入至所述运算放大器(11)，所述运算放大器(11)将放大信号输出至所述第一至第四带通滤波器(12‑15)中，四个滤波信号同时输出至所述数据采集卡(16)，所述数据采集卡(16)进行模数转换后输入所述计算机(17)，由所述计算机(17)处理后，得到待测位移。...

【技术特征摘要】
1.相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，其特征在于，它包括：双折射双频氦氖激光器(1)、沃拉斯顿棱镜(2)、第一电光调制器(3)、第二电光调制器(4)、电光调制器驱动器(5)、第一平面反射镜(6)、第二平面反射镜(7)、反射式衍射光栅(8)、偏振片(9)、光电探测器(10)和信号处理模块(A)；所述双折射双频氦氖激光器(1)发出正交偏振激光，经所述沃拉斯顿棱镜(2)被分成偏振方向不同的两束激光，其中的水平偏振光经所述第一电光调制器(3)，被所述第一反射镜(6)以+1级利特罗入射角入射到所述反射光栅上(8)，垂直偏振光经所述第二电光调制器(4)，被所述第二反射镜(7)以-1级利特罗入射角入射到所述反射光栅上(8)；电光调制器驱动器(5)输出两种不同频率的电压信号分别驱动两电光调制器(3,4)，并且将这两种电压信号对应的参考信号输出至信号处理模块(A)；激光入射到所述反射光栅(8)产生的衍射光沿入射路径返回所述激光器(1)，与腔内光发生激光反馈干涉；所述偏振片(9)置于所述氦氖激光器(1)后向输出光路上，所述光电探测器(10)置于偏振片(9)后方，光电探测器(10)输出至信号处理模块(A)；所述信号处理模块(A)包括：运算放大器(11)、第一带通滤波器(12)、第二带通滤波器(13)、第三带通滤波器(14)、第四带通滤波器(15)、数据采集卡(16)和计算机(17)；探测信号输入至所述运算放大器(11)，所述运算放大器(11)将放大信号输出至所述第一至第四带通滤波器(12-15)中，四个滤波信号同时输出至所述数据采集卡(16)，所述数据采集卡(16)进行模数转换后输入所述计算机(17)，由所述计算机(17)处理后，得到待测位移。2.如权利要求1所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，其特征在于：所述双折射双频氦氖激光器(1)输出双纵模正交偏振激光，两个模式间存在模式竞争。3.如权利要求1所述的相位调制型正交偏振激光反馈光栅干涉仪，其特征在于：所述沃拉斯顿棱镜(2)采用α-BBO、方解石或钒酸钇为...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭冬梅，施立恒，孔令雯，王鸣，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32