專利名稱：物體振動(dòng)振幅的亞納米分辨率相位共軛干涉測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到物體振動(dòng)振幅的亞納米(10-10米至10-12米)分辨率相位共軛干涉測(cè)量裝置，特別是此裝置不僅適用于表面光滑的被測(cè)物體，而且適用于表面粗糙的被測(cè)物體。
在先技術(shù)中，作為一種有效的非接觸性精密測(cè)量裝置，激光干涉儀已得到了廣泛的應(yīng)用。使用傳統(tǒng)的零差或高精度的外差干涉測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為了得到高信噪比的干涉信號(hào)，被測(cè)物體的表面為接近鏡面的光滑面是必要的。然而多數(shù)被測(cè)物體的表面是粗糙的。從這樣的表面反射的光含大量斑紋噪音，這給高精度測(cè)量造成困難。比如日本新瀉(Niigata)大學(xué)的鈴木孝昌(Takamasa Suzuki)先生提出的用來測(cè)量振動(dòng)的干涉儀，(參見在先技術(shù)Takamasa Suzuki，Takao Okada，OsamiSasaki，and Takeo Maruyama，“Real-time vibration measurement using a feedback typeof laser diode interferometer with an optical fiber，”O(jiān)pt.Eng.，1997，36(9)，2496-2502.)如果其中的被測(cè)物體為粗糙表面的物體，則無法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)振幅的高質(zhì)量測(cè)量。另外，此干涉儀的振動(dòng)振幅測(cè)量精度最好的情況下也僅為40納米(4×10-8米)。
本發(fā)明的目的就是為了克服上述在先技術(shù)中的不足，提供一種測(cè)量物體振動(dòng)振幅的測(cè)量裝置，它將利用相位共軛光的相位補(bǔ)償特性，結(jié)合正弦相位調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)亞納米(10-10米至10-12米)精度地測(cè)量物體振動(dòng)振幅，而且被測(cè)物體的表面無論是光滑的或粗糙的均可測(cè)量。
本發(fā)明的物體振動(dòng)振幅的亞納米分辨率相位共軛干涉測(cè)量裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括光源1，沿著光源1發(fā)射的線偏振光束G0的前進(jìn)方向上與光源1同光軸O-O地依次置有第一透鏡2，第二透鏡3和分束器5。光束G0經(jīng)分束器5分成透射光束Gt1和反射光束Gf1，在透射光束Gt1前進(jìn)的光路上依次置有偏振分束器8，和偏振變換器11照射到被測(cè)物體12。在分束器5相對(duì)光源1的反射面上的反射光束Gf1的光路上置有參考衰減反射器4。沿分束器5相對(duì)被測(cè)物體12的反射面上的反射光束Gf2的光路上置有第三透鏡6和光電接收元件7。光電接收元件7輸出的電信號(hào)通過放大器13和數(shù)據(jù)采集卡14輸入計(jì)算機(jī)15。在偏振分束器8相對(duì)被測(cè)物體12反射面的反射方向與光源1光軸O-O垂直的方向上置有第四透鏡9。在第四透鏡9的焦點(diǎn)處置有光折變晶體10。也就是說由被測(cè)物體12反射后透過偏振變換器11的偏振光束Gp2的偏振方向與第一次透過偏振變換器11前的光束GP1的偏振方向垂直。偏振光束Gp2由偏振分束器8反射后經(jīng)第四透鏡9會(huì)聚至光折變晶體10上。由光折變晶體10產(chǎn)生的相位共軛光經(jīng)第四透鏡9準(zhǔn)直后被偏振分束器8反射，透過偏振變換器11后第二次照射到被測(cè)物體12上，由被測(cè)物體12反射回來的相位共軛光經(jīng)偏振變換器11后，偏振方向與第一次入射被測(cè)物體12前的光束GP1偏振方向相同。此光束透過偏振分束器8后返回至分束器5，再由分束器5反射經(jīng)第三透鏡6會(huì)聚至光電接收元件7上。
上面所說的光源1是指在本發(fā)明的測(cè)量裝置中可以使光折變晶體10產(chǎn)生相位共軛光的、具有某一特定波長(zhǎng)的激光光源，是氣體激光器，或者是半導(dǎo)體激光器，或者是固體激光器等。
所說的參考衰減反射器4是光束反射元件，其反射率滿足在測(cè)量時(shí)與分束器5配合后，光電接收元件7接收到的物體光和參考光的光強(qiáng)比接近于1∶1。所以參考衰減反射器是由兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板401與衰減片404構(gòu)成，如圖2所示?；蛘呤怯蓛擅娣謩e鍍析光膜和增透膜的平行平板401和兩個(gè)起偏器402、403構(gòu)成，如圖1所示。或者是僅由一塊兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板構(gòu)成。
所說的分束器5是指能夠?qū)⑷肷涔獍匆欢ǖ姆质确殖蓛墒獾脑?，是分光棱鏡，或者是兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板等。
所說的光電接收元件7是光電二極管，或者是光電池等光電轉(zhuǎn)換器件。
所說的偏振分束器8是能夠?qū)⑵穹较蛳嗷ゴ怪钡膬墒夥珠_，也就是說，在本發(fā)明中，如圖1所示，讓偏振方向?yàn)锳的光束透過，讓偏振方向與A垂直的另一束光被反射。是偏振分光棱鏡，或者是偏振平行平板等。
所說的光折變晶體10是指光源1發(fā)射的光束經(jīng)過上述各光學(xué)元件照射到該光折變晶體10上后，能夠產(chǎn)生自抽運(yùn)相位共軛光的光折變晶體，是鈦酸鋇(BaTiO3)晶體，或者是鉀鈉鈮酸鍶鋇(KNSBN)晶體，或者是鈮酸鍶鋇晶體等。
所說的偏振變換器11是指一束偏振光通過它，由被測(cè)物體12反射，返回再次通過它后偏振方向改變90度的光學(xué)元件，是法拉第旋轉(zhuǎn)器，或者是四分之一波片等。
如圖1所示的結(jié)構(gòu)，當(dāng)光源1發(fā)出的偏振方向?yàn)锳的線偏振光G0由第一透鏡2和第二透鏡3擴(kuò)束后，透過分束器5的光束Gt1，經(jīng)過偏振分束器8和偏振變換器11照射到被測(cè)物體12上。被測(cè)物體12反射的含有大量斑紋噪音的光束透過偏振變換器11后，其偏振方向變?yōu)锽的偏振光束Gp2的偏振方向與偏振方向A垂直。偏振光束Gp2經(jīng)偏振分束器8反射后，由第四透鏡9會(huì)聚至光折變晶體10。由光折變晶體10產(chǎn)生的相位共軛光經(jīng)第四透鏡9準(zhǔn)直，由偏振分束器8反射，再透過偏振變換器11后照射到被測(cè)物體12，由于相位共軛光具有相位補(bǔ)償特性，因此第二次由被測(cè)物體12反射的相位共軛光不再含有斑紋噪音。同時(shí)，此相位共軛光透過偏振變換器11后偏振方向重新變?yōu)锳，此光束透過偏振分束器8后由分束器5反射，然后由第三透鏡6會(huì)聚至光電接收元件7上，這束光稱為物體光。由光源1發(fā)出的線偏振光束G0經(jīng)分束器5反射后的反射光束Gf1照射到參考衰減反射器4上。參考衰減反射器4的反射光束再透過分束器5后，由第三透鏡6會(huì)聚至光電接收元件7，由參考衰減反射器4反射的光束稱為參考光。參考光和物體光相干涉。由光電接收元件7接收后輸出的電信號(hào)由放大器13放大后，數(shù)據(jù)采集卡14將放大器13輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)15中以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
光電接收元件7檢測(cè)到的干涉信號(hào)I(t)＝I0(t)+S0(t)cos[zcos(ωct+θ)+α0+α(t)]， (1)其中，I0(t)與S0(t)分別為干涉信號(hào)直流分量與交流分量的振幅，α0為被測(cè)物體12靜止時(shí)干涉信號(hào)的相位。α(t)為被測(cè)物體12振動(dòng)引入的相位變化。ωc為正弦相位調(diào)制的頻率，t為時(shí)間，θ為調(diào)制信號(hào)的初始相位。干涉信號(hào)相位調(diào)制的振幅z＝4πα/λ0，其中a為待測(cè)振動(dòng)振幅，λ0為光源1的中心波長(zhǎng)。對(duì)式(1)進(jìn)行傅立葉變換求得z值。被測(cè)物體12的振動(dòng)振幅a＝λ0z/4π。 (2)z的測(cè)量精度達(dá)到0.01rad是較容易實(shí)現(xiàn)的。若采用波長(zhǎng)為514nm的氬離子激光器，振幅的測(cè)量精度為0.4nm。若z的測(cè)量精度提高到0.001rad，則振幅的測(cè)量精度提高到0.04nm(4×10-11米)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.由于本發(fā)明的測(cè)量裝置中含有光折變晶體10，產(chǎn)生具有相位補(bǔ)償特性的相位共軛光，能夠消除被測(cè)物體12帶來的斑紋噪音。因此本發(fā)明的測(cè)量裝置對(duì)無論是表面光滑的或粗糙的被測(cè)物體12均適用，大大擴(kuò)大了測(cè)量對(duì)象的范圍。使被測(cè)物體12的表面由接近鏡面的光滑面擴(kuò)大到不銹鋼、鋁板等一般的比較粗糙的表面。
2.由于本發(fā)明的測(cè)量裝置中含有光折變晶體10，產(chǎn)生具有相位補(bǔ)償特性的相位共軛光，能夠消除被測(cè)物體12帶來的斑紋噪音。即使被測(cè)表面是粗糙表面，其測(cè)量的分辨率仍可達(dá)到亞納米。因此，測(cè)量精度高。即使被測(cè)表面是粗糙表面，測(cè)量精度仍可達(dá)到亞納米量級(jí)。
3.本發(fā)明的測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、合理。


圖1為本發(fā)明的物體振動(dòng)振幅的亞納米分辨率相位共軛干涉測(cè)量裝置的示意圖。
圖2為本發(fā)明的測(cè)量裝置中參考衰減反射器4的結(jié)構(gòu)是由兩面分別鍍有析光膜和增透膜的平行平板401與衰減片404構(gòu)成的測(cè)量裝置示意圖。
實(shí)施例如圖2所示的結(jié)構(gòu)。其中光源1為波長(zhǎng)514nm的氬離子氣體激光器，分束器5是一面鍍析光膜、另一面鍍?cè)鐾改さ钠叫衅桨?。光電接受元?為光電二極管。偏振分束器8是偏振分光棱鏡。參考衰減反射器4由兩面分別鍍有析光膜和增透膜的平行平板401與衰減片404構(gòu)成。偏振變換器11是法拉第旋轉(zhuǎn)器。光折變晶體10是鈦酸鋇(BaTiO3)晶體。被測(cè)物體12為具有粗糙表面的鋁板。測(cè)得該鋁板的振動(dòng)振幅為130nm，測(cè)量精度為0.5nm，分辨率小于5×10-10米。
權(quán)利要求
1.一種物體振動(dòng)振幅的亞納米分辨率相位共軛干涉測(cè)量裝置，包括光源(1)，沿光源(1)發(fā)射的線偏振光束(G0)前進(jìn)方向上，與光源(1)同光軸(O-O)地依次置有第一透鏡(2)、第二透鏡(3)和分束器(5)；分束器(5)透射光束(Gt1)的光路上置有偏振變換器(11)和被測(cè)物體(12)；在分束器(5)相對(duì)光源(1)的反射面上的反射光束(Gf1)的光路上置有參考衰減反射器(4)；分束器(5)相對(duì)被測(cè)物體(12)的反射面上的反射光束(Gf2)的光路上置有第三透鏡(6)和光電接收元件(7)；光電接收元件(7)輸出的電信號(hào)通過放大器(13)和數(shù)據(jù)采集卡(14)輸入計(jì)算機(jī)(15)；其特征在于分束器(5)和偏振變換器(11)之間，與分束器(5)和偏振變換器(11)同光軸(O-O)地置有偏振分束器(8)；偏振分束器(8)相對(duì)被測(cè)物體(12)反射面的反射方向與光源(1)光軸(O-O)垂直的方向上置有第四透鏡(9)；第四透鏡(9)的焦點(diǎn)處置有光折變晶體(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體振動(dòng)振幅的亞納米分辨率相位共軛干涉測(cè)量裝置，其特征在于所說的光源(1)是氣體激光器，或者是半導(dǎo)體激光器，或者是固體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體振動(dòng)振幅的亞納米分辨率相位共軛干涉測(cè)量裝置，其特征在于所說的光折變晶體(10)是鈦酸鋇晶體，或者是鉀鈉鈮酸鍶鋇晶體，或者是鈮酸鍶鋇晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體振動(dòng)振幅的亞納米分辨率相位共軛干涉測(cè)量裝置，其特征在于所說的參考衰減反射器(4)是由兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板(401)與衰減片(404)構(gòu)成、或者是由兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板(401)和兩個(gè)起偏器(402，403)構(gòu)成，或者是由一塊兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體振動(dòng)振幅的亞納米分辨率相位共軛干涉測(cè)量裝置，其特征在于所說的偏振分束器8是偏振分光棱鏡，或者是偏振平行平板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體振動(dòng)振幅的亞納米分辨率相位共軛干涉測(cè)量裝置，其特征在于所說的偏振變換器11是法拉第旋轉(zhuǎn)器，或者是四分之一波片。
全文摘要
一種物體振動(dòng)振幅的亞納米分辨率相位共軛干涉測(cè)量裝置,包括沿光源發(fā)射光束的前進(jìn)方向上,依次置有第一透鏡、第二透鏡、分束器、偏振分束器、偏振變換器至被測(cè)物體。由被測(cè)物體第一次反射的帶有斑紋噪音的光束經(jīng)偏振分束器反射后,由第四透鏡會(huì)聚至光折變晶體。光折變晶體產(chǎn)生的相位共軛光由偏振分束器反射到被測(cè)物體,被測(cè)物體反射的相位共軛光不再帶有斑紋噪音。因此,無論是表面光滑或粗糙的被測(cè)物體,其振動(dòng)振幅均可以亞納米分辨率地檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/21GK1264830SQ0011530
公開日2000年8月30日 申請(qǐng)日期2000年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月30日
發(fā)明者王向朝, 王學(xué)鋒, 錢鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所