本发明专利技术公开了属于激光干涉精密计量领域的一种基于折叠式法布里-珀罗腔的绝对距离测量方法和装置。该方法为：将入射本征光分为正交的两束偏振光，两束偏振光各自经声光可变移频器分别进行上移频和下移频，形成具有频差的正交偏振光束，并入射到折叠式法布里-珀罗腔，使具有频差的正交偏振光束分别与折叠式法布里-珀罗腔的相邻谐振级次谐振，相邻谐振级次频差即为对应折叠式法布里-珀罗腔腔长的自由光谱范围，从而根据自由光谱范围获得法-珀腔长的绝对距离测量。用于实现上述方法的装置可实现纳米级测量精度及数十毫米量级测量范围，适用于数十毫米量程范围内纳米、亚纳米精度的非线性误差校准以及高精度大范围的纳米位移测量系统。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光干涉精密计量领域，涉及一种基于折叠式法布里-珀罗腔的绝对距离测量方法及装置。
技术介绍
随着科技的发展，对大量程、高精度的测量提出了越来越高的要求。双光束激光干涉测量广泛应用于工业测量和科学研究中，在双光束干涉测量中，干涉条纹的变化是位移变化的正弦函数，通过光学细分或电子细分实现的大范围纳米分辨率测量存在半波长内的周期性非线性误差，在计量学意义上不具有纳米级精度测量。法布里-珀罗干涉仪是一种基于多光束干涉的纳米位移测量装置，高精细度常数的多光束干涉条纹应用于增量式位移测量，大于半波长的位移测量转化为探测干涉条纹的整数级次变化，在半波长内的位移测量转化探测高精细干涉条纹的谐振频率变化，一方面提高了在大于半波长位移测量的光学分辨率，同时将在半波长内的位移测量转化为频率测量，使位移测量具有纳米级、甚至皮米级精度，且这种差拍式法布里-珀罗干涉仪尤其适用于激光外差干涉仪存在的半波长非线性误差校准测量，但其测量范围由于受激光光源调谐范围和探测器频率响应的限制，一直限制在几百微米量程内。因此，应用于增量式位移测量的法布里-珀罗干涉仪很难实现大范围纳米级的位移测量。
技术实现思路
为了突破法布里-珀罗干涉仪几百微米量程的测量范围限制，本专利技术的目的在于提供一种纳米级测量精度、数十毫米量级测量范围、基于由介质膜高反镜和角锥棱镜组成的折叠式法布里-珀罗腔的绝对距离激光干涉测量方法及装置，特别适用于数十毫米量程范围内纳米、亚纳米精度的非线性误差校准和长度计量系统。基于折叠式法布里-珀罗腔的绝对距离测量方法，该方法如下将入射本征光分为正交的两束偏振光，两束偏振光各自经可变声光移频器分别进行上移频和下移频，形成具有频差的正交偏振光束，并入射到折叠式法布里-珀罗腔，使具有频差的正交偏振光束分别与折叠式法布里-珀罗腔的相邻谐振级次谐振，相邻谐振级次的频差即为对应折叠式法布里-珀罗腔腔长的自由光谱范围，根据自由光谱范围计算出对应的折叠式法布里-珀罗腔腔长，从而实现折叠式法布里-珀罗腔腔长的绝对距离测量。本专利技术还提供了实现上述方法的装置基于折叠式法布里-珀罗腔的绝对距离测量装置，该装置包括偏频锁定激光控制装置、分束镜、可变声光上移频装置、可变声光下移频装置和折叠式法布里-珀罗干涉位移测量装置，其中，偏频锁定激光控制装置用于提供入射本征光，分束镜用于将入射本征光分成正交的两束偏振光，可变声光上移频装置和可变声光下移频装置用于对正交的两束偏振光分别进行上移频和下移频，形成具有频差的正交偏振光束，折叠式法布里-珀罗干涉位移测量装置用于探测具有频差的正交偏振光束与折叠式法布里-珀罗腔的谐振信号。所述偏频锁定激光控制装置包括偏频锁定激光头、碘饱和吸收稳频激光头、控制器、光束采样器、半透半反镜和探测器A，在偏频锁定激光头的输出方向上配置光束采样器， 在碘饱和吸收稳频激光头的输出方向配置半透半反镜，在光束采样器和半透半反镜的反射光束方向上配置探测器A，探测器A的输出信号经控制器，反馈到偏频锁定激光头。在光束采样器的透射光束方向上依次配置有法拉第光隔离器和扩束准直镜。所述分束镜由二分之一波片A和偏振分光棱镜A组成，二分之一波片A和偏振分光棱镜A依次配置在扩束准直镜的输出方向上。在偏振分光棱镜A的反射光束方向上依次配置有凸透镜A和平面镜A。所述可变声光上移频装置包括固定声光移频器、可调光阑A、二分之一波片B、凸透镜B、偏振分光棱镜B、凸透镜C、可调光阑B、可变声光移频器A、可调光阑C、凸透镜D、四分之一波片A和平面镜B，在平面镜A的输出光束方向上配置固定声光移频器，在固定声光移频器的负一级衍射光束方向上依次配置可调光阑A(其通光孔也位于负一级衍射光束方向上)、二分之一波片B、凸透镜B和偏振分光棱镜B，在偏振分光棱镜B的透射光束方向上依次配置凸透镜C、可调光阑B、可变声光移频器A、可调光阑C、凸透镜D、四分之一波片A和平面镜B，可调光阑B的通光孔在偏振分光棱镜B的透射光束方向上，可调光阑C的通光孔位于可变声光移频器A的正一级衍射光束方向上，凸透镜D的主光轴与可变声光移频器A 的零级非衍射光束方向重合，平面镜B垂直于凸透镜D的主光轴。偏振分光棱镜B偏振面的反射光束方向上依次配置有二分之一波片C、平面镜C。所述可变声光下移频装置包括偏振分光棱镜C、凸透镜E、可调光阑D、可变声光移频器B、可调光阑E、凸透镜F、四分之一波片B和平面镜D，其中，在偏振分光棱镜A的透射光束方向上配置偏振分光棱镜C，在偏振分光棱镜C的透射光束方向上依次配置凸透镜E、 可调光阑D、可变声光移频器B、可调光阑E、凸透镜F、四分之一波片B和平面镜D，可调光阑D的通光孔位于偏振分光棱镜C的透射光束方向上，可调光阑E的通光孔位于可变声光移频器B的负一级衍射光束方向上，凸透镜F的主光轴与可变声光移频器B的零级非衍射光束方向重合，平面镜D垂直于凸透镜F的主光轴。偏振分光棱镜C偏振面的反射光束方向配置有偏振分光棱镜D，平面镜C的出射光束方向和偏振分光棱镜D偏振面的反射光束方向相同。所述折叠式法布里-珀罗干涉位移测量装置包括介质膜高反镜、角锥棱镜、压电陶瓷调制器、平面镜E、偏振分光棱镜E、凸透镜G、探测器B、凸透镜H和探测器C，在平面镜 C的出射光束方向和偏振分光棱镜D偏振面的反射光束方向上依次配置介质膜高反镜和角锥棱镜，压电陶瓷调制器粘附在介质膜高反镜表面，在介质膜高反镜和角锥棱镜的出射光束方向配置平面镜E，在平面镜E的出射光束方向配置偏振分光棱镜E，在偏振分光棱镜E 的透射光束方向上依次配置凸透镜G和探测器B，在偏振分光棱镜E的反射光束方向上依次配置凸透镜H和探测器C。凸透镜A紧靠偏振分光棱镜A设置，固定声光移频器与凸透镜A的光程距离为凸透镜A焦距的六分之五(平面镜A将光路转折)，凸透镜B与固定声光移频器的距离为凸透镜B的焦距；可变声光移频器A放置在凸透镜C的后焦点前约六分之一焦距处，凸透镜D 与可变声光移频器A的距离为凸透镜D的焦距；可变声光移频器B放置在凸透镜E的后焦点前约六分之一焦距处，凸透镜F与可变声光移频器B的距离为透镜F的焦距。偏振分光棱镜A和凸透镜E之间的激光光束为平行光束，凸透镜B和凸透镜C之间的激光光束为平行光束。对于声光移频器的选择，一种优选的方案为固定声光移频器具有80MHz固定中心移频，可变声光移频器A和可变声光移频器B具有270MHz中心移频，带宽100MHz，驱动频率稳定度小于0. 5ppb，频率扫描精度优于1Hz。本专利技术的工作原理为偏频锁定激光头和碘饱和吸收稳频激光头各自输出的激光光束分别经光束采样器和半透半反镜反射，并入射到探测器A，光电转换后的拍频信号通过控制器反馈回偏频锁定激光头，从而使偏频锁定激光头稳定在碘饱和吸收稳频激光头的某一吸收波长上的一定偏置频率范围，同时具有和碘饱和吸收稳频激光头一样的频率稳定度。偏频锁定激光头输出的水平偏振光束通过光束采样器、法拉第光隔离器、扩束准直镜和二分之一波片A后入射到偏振分光棱镜A，经偏振分光棱镜A的透射光束和反射光束为正交偏振光束，且能量分束比可调。偏振分光棱镜A输出的垂直偏振反射光束和水平偏振透射光束分别入射到可变声光上移频装置和可变声光下移频装置，各自通过可变声光移频器A和可变声光移频器B 两次本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．基于折叠式法布里－珀罗腔的绝对距离测量方法，其特征在于：该方法如下：将入射本征光分为正交的两束偏振光，两束偏振光各自经可变声光移频器分别进行上移频和下移频，形成具有频差的正交偏振光束，并入射到折叠式法布里－珀罗腔，使具有频差的正交偏振光束分别与折叠式法布里－珀罗腔的相邻谐振级次谐振，相邻谐振级次的频差即为对应折叠式法布里－珀罗腔腔长的自由光谱范围，根据自由光谱范围计算出对应的折叠式法布里－珀罗腔腔长，从而实现折叠式法布里－珀罗腔腔长的绝对距离测量。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张丽琼，李岩，朱敏昊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。