基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置及方法制造方法及图纸

一种基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置及方法，包括：依次设置的超快脉冲激光光源组件、干涉光路组件和信号接收与处理组件，其中：信号接收与处理组件与干涉光路组件相连以调整光路并采集干涉信号，当超快脉冲激光发生干涉时计算得到等效波长。本发明专利技术利用连续波激光具有频谱窄、能量集中、频率稳定的特性，对超快脉冲激光的等效波长进行校准，提高超快脉冲激光干涉仪的测量准确性。提高超快脉冲激光干涉仪的测量准确性。提高超快脉冲激光干涉仪的测量准确性。

【技术实现步骤摘要】
基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种激光测振和测距领域的技术，具体涉及一种利用具有稳定单一波长的连续波激光，对超快脉冲激光干涉测振系统的等效波长进行校准、测量的装置及方法。

技术介绍

[0002]激光干涉测振技术为高精度的非接触式测量技术，通常使用具有稳定单一波长的连续波单频激光作为测量工具，通过相位差的变化反映微幅振动，位移与相位差的关系满足测点位移d＝φ
·
λ/(4π)，其中：φ为相位差，λ为单色光波长。超快脉冲激光干涉为借助超快脉冲激光测量微机械振动的技术，相比于连续波激光，能有效减少电磁干扰和探测器噪声影响，具有高分辨率和测量超高频(高达约10GHz)振动的特性，远远超过连续波激光干涉测振约2.5GHz的测量频率范围。但是由于超快脉冲激光测量的光谱宽而复杂，而且该光谱还会受到发生干涉前光学元件和样品表面的影响，导致更加复杂的波长偏移现象，用于计算测量点位移的波长值难以确定。因此，在实际测振中，一般将脉冲激光光源理想化地视作单色光处理，对应的波长叫等效波长。
[0003]现有的超快脉冲干涉测振技术一般使用能量峰值波长作为等效波长，但该峰值波长无法反映宽频谱的作用，如此计算得到的振动位移误差可达到5000ppm，导致其测量精度远远低于单色的连续波激光干涉仪，因此需要对等效波长进行校准，以满足脉冲激光干涉仪在测振应用中的精度要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有超快脉冲激光干涉系统中，由于超快脉冲激光具有宽频谱特性导致的测量精度低的缺陷，提出一种基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置及方法，利用连续波激光具有频谱窄、能量集中、频率稳定的特性，对超快脉冲激光的等效波长进行校准，提高超快脉冲激光干涉仪的测量准确性。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术涉及一种基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置，包括：依次设置的超快脉冲激光光源组件、干涉光路组件和信号接收与处理组件，其中：信号接收与处理组件与干涉光路组件相连以调整光路并采集干涉信号，当超快脉冲激光发生干涉时计算得到等效波长。
[0007]所述的超快脉冲激光光源组件包括：连续激光光源、超快脉冲激光光源、第一反射镜、合束镜、第一半波片和第一偏振片。
[0008]所述的干涉光路组件包括：偏振分光镜以及设置于其输出面的三个分支，其中：第一分支包括依次设置的第一四分之一波片、第二反射镜，第二分支包括依次设置的第二四分之一波片、第三反射镜、纳米位移台、压电控制模块，第三分支进一步包括依次设置的分束镜、第五反射镜以及四个子分支，每个子分支各自生成干涉光信号并输出至信号接收与处理组件。
[0009]所述的信号接收与处理组件包括：与干涉光路组件的输出端分别连接的四个光电探测器、数据采集模块、压电控制模块和波长计算模块，其中：四路线偏振干涉光通过光电探测器采集光强信号并转换为电压信号，数据采集模块读取并将电压信号转换为数字干涉信号，压电控制模块与干涉光路组件的纳米位移台相连，输出驱动指令并采集运动距离信息，波长计算模块与压电控制模块、数据采集模块相连，并根据运动距离信息和数字干涉信号计算得到激光相位以及等效波长。
[0010]所述的光电探测器得到的四路线偏振干涉光，包括：脉冲激光干涉光光信号I1(τ)、经过相位延迟的脉冲激光干涉光光信号I2(τ)、连续波激光干涉光信号I3(τ)和经过相位延迟的连续波激光干涉光信号I4(τ)。
[0011]所述的脉冲激光干涉，其参考光和信号光具有可调的光程差2ΔL，两者的时间延迟为τ＝2ΔL/c，其中c为光速。对于具有高斯波形、线形啁啾的典型脉冲激光，其参考光电场表达式为：信号光电场表达式为：信号光电场表达式为：发生干涉后，光电探测器的信号强度可通过对响应的时间积分得到：忽略直流偏置信号和系数，则第一光电探测器的信号强度简化为：第二光电探测器的信号强度简化为：进而可以得到发生干涉后脉冲激光的相位
[0012]所述的连续波激光干涉，其参考光和信号光具有可调的光程差2ΔL，两者的时间延迟为τ＝2ΔL/c，其中c为光速。对于连续波激光，其参考光电场表达式为：E3(t)＝ε(t)
·
cos(ω0t+θ1)，信号光电场表达式为：E4(t)＝ε(t
‑
τ)
·
cos[ω0(t
‑
τ)+θ2]。发生干涉后，光电探测器的信号强度可通过对响应时间的积分得到：忽略直流偏置信号和系数，则第三光电探测器的信号强度简化为：I3(τ)＝∫ε(t)ε(t
‑
τ)cos[ω0τ+θ1‑
θ2]dt，第二光电探测器的信号强度简化为：I4(τ)＝∫ε(t)ε(t
‑
τ)sin[ω0τ+θ1‑
θ2]dt，进而可以得到发生干涉后连续波激光的相位若已知连续波激光中心波长λ
c
，联系发生干涉后脉冲激光的相位，可通过公式计算出纳米位移台位移距离最终在计算模块中可求得等效波长技术效果
[0013]本专利技术创造性地设置连续波激光光路，准确地反映出实际测量中超快脉冲激光的等效波长。利用连续激光具有单一稳定波长的特性，可以准确计算测量点位移值，再对脉冲激光等效波长进行校准，可以准确地获得等效波长。在此基础上，只需要将第二反射镜替换为待测谐振器件，然后调整纳米位移台上的第三反射镜调至光程差零点，使光路满足干涉
条件，此时关闭连续波激光器，就可以利用超快脉冲激光直接对超高频谐振器件振动进行测量，大幅提高超快脉冲激光干涉系统的测量准确性。
[0014]与传统方法使用能量峰值波长783.67nm作为等效波长，其误差约为5000ppm相比，本方法计算得到不确定性小于等于154ppm，可将振动位移测量的准确性提高30倍以上。
附图说明
[0015]图1为本专利技术中使用连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置的结构示意图与光路图；
[0016]图2为本专利技术中所使用超快脉冲激光光源的频谱图；
[0017]图3为本专利技术中使用连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准方法的流程图；
[0018]图4为本专利技术中实施例1中光电探测器电压信号随时间延迟变化图；
[0019]图5为本专利技术中实施例1中等效波长计算结果图；
[0020]图中：1连续激光光源、2超快脉冲激光光源、3第一反射镜、4合束镜、5第一半波片、6第一偏振片、7偏振分光镜、8第一四分之一波片、9第二反射镜、10第二四分之一波片、11第三反射镜、12纳米位移台、13分束镜、14第一非偏振分光镜、15第二偏振片、16第一光电探测器、17第四反射镜、18第三四分之一波片、19第三偏振片、20第二光电探测器、21第五反射镜、22第二非偏振分光镜、23第四偏振片、24第三光电探测器、25第六反射镜、26第四四分之一波片、27第五偏振片、28第四光电探测器、29数据采集模块、30波长计算模块、压电控制模块31本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置，其特征在于，包括：依次设置的超快脉冲激光光源组件、干涉光路组件和信号接收与处理组件，其中：信号接收与处理组件与干涉光路组件相连以调整光路并采集干涉信号，当超快脉冲激光发生干涉时计算得到等效波长；所述的干涉光路组件包括：偏振分光镜以及设置于其输出面的三个分支，其中：第一分支包括依次设置的第一四分之一波片、第二反射镜，第二分支包括依次设置的第二四分之一波片、第三反射镜、纳米位移台、压电控制模块，第三分支进一步包括依次设置的分束镜、第五反射镜以及四个子分支，每个子分支各自生成干涉光信号并输出至信号接收与处理组件。2.根据权利要求1所述的基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置，其特征是，所述的超快脉冲激光光源组件包括：连续激光光源、超快脉冲激光光源、第一反射镜、合束镜、第一半波片和第一偏振片。3.根据权利要求1所述的基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置，其特征是，所述的信号接收与处理组件包括：与干涉光路组件的输出端分别连接的四个光电探测器、数据采集模块、压电控制模块和波长计算模块，其中：四路线偏振干涉光通过光电探测器采集光强信号并转换为电压信号，数据采集模块读取并将电压信号转换为数字干涉信号，压电控制模块与干涉光路组件的纳米位移台相连，输出驱动指令并采集运动距离信息，波长计算模块与压电控制模块、数据采集模块相连，并根据运动距离信息和数字干涉信号计算得到激光相位以及等效波长。4.根据权利要求3所述的基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置，其特征是，所述的光电探测器得到的四路线偏振干涉光，包括：脉冲激光干涉光光信号I1(τ)、经过相位延迟的脉冲激光干涉光光信号I2(τ)、连续波激光干涉光信号I3(τ)和经过相位延迟的连续波激光干涉光信号I4(τ)。5.根据权利要求4所述的基于连续波激光的脉冲激光干涉等效波长校准装置，其特征是，所述的脉冲激光干涉，其参考光和信号光具有可调的光程差2ΔL，两者的时间延迟为τ＝2...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵磊，张文明，彭昭亮，宋鹏慧，程晶婕，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：