專利名稱：利用光纖光柵及波分復(fù)用技術(shù)的臺階高度在線測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用光纖光柵及波分復(fù)用技術(shù)的臺階高度在線測量系統(tǒng)， 特別是涉及一種適用于在線測量的臺階高度測量系統(tǒng)，屬于光學測量技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
[1] D. P. Hand, T. A. Carokn, J. S. Barton, and J. D. C. Jones,光學'決t艮 (Optics Letters) , 1993年，第18巻，第16期，1361-1363頁。現(xiàn)有技術(shù)文獻 [l]的工作原理如圖1所示，半導體激光器發(fā)出的光經(jīng)過^ 拉第隔離器和光纖 50:50耦合器后，到達測量頭，測量頭是一個菲索干涉儀， 一部分光被光纖端 面反射作為參考光，另一部分光經(jīng)過自聚焦透鏡聚焦后，投射到被測表面上， 由被測表面反射重新回到系統(tǒng)中并與參考光發(fā)生干涉，干涉信號由探測器Dl 探測，干涉信號的相位決定于被測表面被測點的縱向高度；改變該激光器的驅(qū) 動電流以改變激光器的發(fā)光頻率，用四種不同頻率的光對同一點進行測量，得 到四個干涉信號，由于入射光波頻率不同，四個干涉信號的相位就不同，調(diào)節(jié) 驅(qū)動電流，使相鄰兩個干涉信號的相位差7t/2，通過以下式子，即可解調(diào)出該 點的光程差D，即完成單點的測量/ (" = 1,2,3,4)是第11次干涉信號的強度，c是光速，v是入射光頻率。 步進電機再帶動測量頭橫向掃描被測表面，即完成對被測表面的測量。[2] Dejiao Lin, Xiangqian Jiang, Fang Xie, Wei Zhang, Lin Zhang and Ian Bennion,光學特快(Optics Express) , 2004年，第12巻，第23期，5729-5734頁?，F(xiàn)有技術(shù)文獻[2]的工作原理如圖2所示，由半導體激光器發(fā)出波長為^) 的光經(jīng)過兩個3dB-耦合器后被分為兩路， 一路被光纖光柵反射，另一路被參 考反射鏡反射。兩路反射光經(jīng)過3dB-耦合器后再次相遇并且發(fā)生干涉，干涉 信號經(jīng)過回旋器后，被另一個光纖光柵反射，再次經(jīng)過回旋器，然后被PIN 探測器探測，此探測器探測到的信號經(jīng)過伺服電路處理后驅(qū)動壓電陶瓷管調(diào)節(jié) 光纖干涉儀的參考臂的長度，使穩(wěn)定干涉儀的兩個干涉臂始終處于正交狀態(tài) (相位差為Tl/2)，從而實現(xiàn)穩(wěn)定該干涉儀的目的?？烧{(diào)諧激光器發(fā)出的波長^可變的光經(jīng)過兩個光纖3dB-耦合器后被分為 兩路， 一路經(jīng)過光纖自準直透鏡后再由測量鏡反射再次回到干涉儀中，另一路 經(jīng)過光纖自準直透鏡后再由參考鏡反射再次回到干涉儀中，兩路光經(jīng)過3dB-耦合器后相遇，形成干涉信號，此干涉信號經(jīng)過回旋器及光纖光柵后，被PIN 探測器探測，再經(jīng)過相位分析即測量出測量鏡的位移。上述兩個現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足是1、 測量系統(tǒng)對環(huán)境振動和溫度漂移等干擾敏感，不適用于在線測量。2、 測量的臺階高度受入射光波波長X的限制，可測量的臺階高度小于A72, 僅為幾百納米，無法對幾十至幾百微米的臺階高度進行測量。本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足而提出一種利用光纖 光柵及波分復(fù)用技術(shù)的臺階高度在線測量系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的。一種利用光纖光柵及波分復(fù)用技術(shù)的臺階高度在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由超輻射發(fā)光二管SLD、光纖光柵FBG、回旋器、3dB-耦合器、光纖自準直透 鏡GRIN、壓電陶瓷PZT、測量反射鏡、參考反射鏡、探測器PD、信號電路 處理、相位測量、反饋控制電路、A/D轉(zhuǎn)換卡、信號發(fā)生器、計算機、輸出結(jié) 果組成。中心波長為1550nm譜寬40nm的超輻射發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)布拉 格波長不同的三個光纖光柵反射波長為、、、和^的光進入測量系統(tǒng)。利用 光纖光柵反射布拉格波長的特性，在用于測量的光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干 涉臂的末端分別寫入一個參數(shù)相同的光纖光柵，以這兩個光纖光柵為反射鏡又 構(gòu)成另一個用于穩(wěn)定的光纖邁克爾遜干涉儀;測量邁克爾遜干涉儀和穩(wěn)定邁克 爾遜干涉儀有各自獨立的反射鏡，兩個干涉儀的測量臂和參考臂的光路幾乎重 合，將作為參考臂的光纖纏繞在壓電陶瓷管PZT1上，反饋控制電路驅(qū)動壓電 陶瓷PZT1，調(diào)節(jié)參考臂的長度，補償由于溫度漂移和環(huán)境振動對穩(wěn)定光纖邁 克爾遜干涉儀的影響，使穩(wěn)定光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干涉臂始終處于正交 狀態(tài)(兩個干涉臂的相位差兀/2)，這樣穩(wěn)定光纖邁克爾遜干涉儀就穩(wěn)定了， 由于測量光纖邁克爾遜干涉儀的光路與穩(wěn)定光纖邁克爾遜干涉儀的光路幾乎 重合，測量光纖邁克爾遜干涉儀也穩(wěn)定了。反饋控制電路的頻率響應(yīng)范圍為 0 5kHz,也就是說反饋控制電路可以修正補償頻率為0~5kHz的干擾信號對測 量系統(tǒng)的影響，使得測量系統(tǒng)適用于在線測量。由于光纖光柵反射布拉格波長 的特性和啁啾光纖光柵反射特定光譜的特性，使波長為、的光作用于穩(wěn)定光 纖邁克爾遜干涉儀中，完成穩(wěn)定工作，另外二個波長人2、 X3的光作用于測量 光纖邁克爾遜干涉儀中，形成合成波干涉，完成測量工作。合成波長為<formula>formula see original document page 7</formula>遠遠大于入2、 X3，使本系統(tǒng)可以對臺階高度進行測量。調(diào)節(jié)參考反射鏡的初始位置，使測量光纖邁克爾遜干涉儀的兩個臂的初始相位差為零， 當測量臂的光程由于臺階高度的變化而引起Ad變化時，兩個臂的初始相位差將變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 7</formula>。所以初始相位差的變化量與臺階高度的變化量成正比，通過測量初始相位差的變化量實現(xiàn)對臺階高度的測量。 本發(fā)明的有益效果主要有兩個1、 本測量系統(tǒng)適用于在線測量。系統(tǒng)利用光纖光柵反射布拉格波長的特 性構(gòu)成復(fù)合在一起的穩(wěn)定光纖邁克爾遜干涉儀和測量光纖邁克爾遜干涉儀，通 過反饋控制電路使穩(wěn)定光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干涉臂始終處于正交狀態(tài)， 使穩(wěn)定光纖邁克爾遜干涉儀穩(wěn)定，從而使測量光纖邁克爾遜干涉儀也穩(wěn)定，使 測量系統(tǒng)適用于在線測量。2、 本測量系統(tǒng)能夠?qū)ε_階高度進行測量。用合成波干涉的方法擴大干涉測量量程，合成波長;i^^^，遠遠大于光波波長;^和A3，可以測量的臺階的最大高度為& / 2 ，可通過調(diào)節(jié)光波波長^和&的大小得到不同大小的合成波長，實現(xiàn)對不同高度的臺階測量。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)文獻[l]的工作原理圖； 圖2是現(xiàn)有技術(shù)文獻[2]的工作原理圖； 圖3是本發(fā)明的工作原理圖。圖中標注SLD—超輻射發(fā)光二極管，F(xiàn)BG^光纖光柵，CFBG7—啁啾光 纖光柵，PZT1—壓電陶瓷管，PZT2—疊片式壓電陶瓷，GRIN—光纖準直透鏡，
PD—探測器。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖3和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步描述。如圖3所示，光纖光柵FBG1、 FBG2和FBG3反射的布拉格波長分別為 、、X2、 X3， FBG4、 FBG5和FBG6反射的布拉格波長均為、，啁啾光纖光 柵CFBG7的反射譜包含人2、、，但不包含？n。光纖光柵FBG4和FBG5分別 寫在測量光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干涉臂的末端，這樣，以光纖光柵FBG4 和FBG5為反射鏡又構(gòu)成穩(wěn)定光纖邁克爾遜干涉儀，而且穩(wěn)定光纖邁克爾遜干 涉儀和測量光纖邁克爾遜干涉儀的光路幾乎重合。中心波長為1550nm譜寬 40nm的超輻射發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過回旋器1后到達光纖光柵FBG1、 FBG2禾卩FBG3，被光纖光柵FBG1、 FBG2和FBG3反射回、、人2、 ^三個波 長的光，此光經(jīng)過回旋器l、回旋器2、以及3dB-耦合器后分為兩路，當兩路 光到達光纖光柵FBG4和FBG5時，波長為、的光被反射，波長為、、X3的 光透射；被反射的兩路波長、的光再次經(jīng)過3dB-耦合器，在3dB-耦合器處相 遇并發(fā)生干涉， 一路干涉信號經(jīng)過回旋器2、回旋器3、以及啁啾光纖光柵 CFBG4，由探測器PD1探測，另一路干涉信號經(jīng)過回旋器4后被光纖光柵FBG6 反射，再次經(jīng)過回旋器4，由探測器PD2探測。探測器PD1和PD2探測到的 信號經(jīng)過反饋控制電路處理，作為反饋信號作用在壓電陶瓷管PZT1上，光纖 干涉儀的參考臂纏繞在PZT1上，反饋信號驅(qū)動PZT1調(diào)節(jié)光纖的長度，以此調(diào)節(jié)參考臂的光程，使得穩(wěn)定光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干涉臂始終處于正交 狀態(tài)(兩個干涉臂的相位差始終為^r/2)，這就補償和修正了溫度漂移和環(huán)境振動等干擾對穩(wěn)定光纖邁克爾遜干涉儀的影響，實現(xiàn)了對穩(wěn)定光纖邁克爾遜干
涉儀的穩(wěn)定。由于測量光纖邁克爾遜干涉儀的光路與穩(wěn)定光纖邁克爾遜干涉儀 的光路幾乎重合，所以測量光纖邁克爾遜干涉儀也穩(wěn)定了。該反饋控制電路的工作頻率范圍為0 5kHz，也就是說該反饋控制電路可以對0 5kHz的干擾信號 進行修正和補償，使測量光纖邁克爾遜干涉儀能精確地進行測量工作，使測量 系統(tǒng)適用于在線測量。透過光纖光柵FBG4和FBG5波長為、和、的兩路光分 別經(jīng)過兩個光纖準直透鏡GRIN，被準直成平行光束，分別被參考反射鏡和測 量反射鏡反射回系統(tǒng)，再次經(jīng)過光纖光柵FBG4和FBG5，并在3dB-耦合器處相遇發(fā)生合成波干涉，合成波長為^=^^， 一路合成波干涉信號經(jīng)過回旋器2和3，由啁啾光纖光柵CFBG7反射，再次經(jīng)過回旋器3后被導出系統(tǒng)， 另一路干涉信號經(jīng)過回旋器4和光纖光柵FBG6后，由探測器PD3探測。當 臺階高度變化時，合成波干涉信號的相位將變化。當臺階高度變化Ad時，合 成波干涉信號的相位變化量為式中人為合成波長。由方程(1)可知只要解調(diào)出干涉信號的相位變化量 A^，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，即可測出臺階高度的變化Ad。為此，系統(tǒng)對參考光路中 的壓電陶瓷PZT2加周期性的鋸齒波電壓，周期性地線性調(diào)節(jié)參考光路的光 程。調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的幅值及參考光路光程，使得初始的周期性的鋸齒波電壓 與干涉信號同周期同相位。當臺階高度變化Ad時，鋸齒波電壓的相位和干涉 信號的相位就不同，測出二者之間的相位差，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，即得到被測位 移變化量Ad值。為了舉例說明本發(fā)明的實現(xiàn)，描述了上述的具體實例。但本發(fā)明的其他變 化和修改，對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，在本發(fā)明所公開內(nèi)容的實質(zhì)和基 本原則范圍內(nèi)的任何修改/變化或仿效變換都屬于本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種利用光纖光柵及波分復(fù)用技術(shù)的臺階高度在線測量系統(tǒng)，其特征在于它包含復(fù)合在一起而且光路幾乎重合的二個光纖邁克爾遜干涉儀，分別對應(yīng)于測量回路和反饋控制回路；它是由超輻射發(fā)光二極管(SLD)、光纖回旋器、光纖光柵(FBG)、3dB-耦合器、探測器(PD)、光纖自準直透鏡(GRIN)、測量反射鏡和參考反射鏡、壓電陶瓷(PZT)、反饋控制電路、信號電路處理、相位測量、A/D轉(zhuǎn)換卡、信號發(fā)生器、計算機、輸出結(jié)果組成；兩個參數(shù)相同的光纖光柵分別位于一個用于測量的光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干涉臂的末端，以這兩個光纖光柵為反射鏡又構(gòu)成了另一個用于穩(wěn)定的光纖邁克爾遜干涉儀，這兩個干涉儀有各自獨立的反射鏡且光路幾乎重合；通過反饋控制電路驅(qū)動壓電陶瓷調(diào)節(jié)干涉儀的參考臂的長度，使以光纖光柵為反射鏡的光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干涉臂處于正交狀態(tài)(兩個干涉臂的相位差為π/2)，這樣，就補償了環(huán)境振動和溫度漂移給以光纖光柵為反射鏡的邁克爾遜干涉儀帶來的影響，達到了穩(wěn)定該干涉儀的目的；因為兩個干涉儀的光路幾乎重合，所以另一個用于測量的光纖邁克爾遜干涉儀也穩(wěn)定了，從而使該系統(tǒng)適用于在線測量；超輻射發(fā)光二極管發(fā)出的光被三個布拉格波長不同的光纖光柵反射包含三個波長的光進入測量系統(tǒng)，利用光纖光柵反射布拉格波長和啁啾光纖光柵反射特定光譜的特性，使其中一個波長的光作用于穩(wěn)定光纖邁克爾遜干涉儀中，用于穩(wěn)定測量系統(tǒng)，另外二個波長的光作用于測量光纖邁克爾遜干涉儀中，形成合成波干涉，實現(xiàn)測量；調(diào)解參考反射鏡的位置使測量光纖邁克爾遜干涉儀的兩個臂的初始相位差為零，通過壓電陶瓷對其參考臂的光程進行調(diào)制，使測量干涉儀的兩個臂的相位差由零線性的增加到2π；當測量臂的光程由于臺階高度的變化引起Δd的變化時，兩個臂的初始相位差變化為(λs為合成波長)，初始相位差的變化量與臺階高度的變化量成正比，通過測量初始相位差的變化量實現(xiàn)對臺階高度的測量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種利用光纖光柵及波分復(fù)用技術(shù)的臺階高度在線 測量系統(tǒng)，其特征在于在一個光纖邁克爾遜干涉儀的兩個干涉臂的末端分別 寫入一個參數(shù)相同的光纖光柵，利用光纖光柵反射布拉格波長的特性構(gòu)成復(fù)合 在一起而且光路幾乎重合的二個光纖邁克爾遜干涉儀，一個干涉儀完成穩(wěn)定工 作，另一個干涉儀完成測量工作，從而使測量系統(tǒng)適用于在線測量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種利用光纖光柵及波分復(fù)用技術(shù)的臺階高度在線 測量系統(tǒng)，其特征在于利用三個布拉格波長不同的光纖光柵將超輻射發(fā)光二 極管發(fā)出的光反射包含三個波長的光進入測量系統(tǒng)，三個波長分別為4、義2和 A3 ，再利用光纖光柵反射布拉格波長的特性以及啁啾光纖光柵只反射特定譜的特性，使波長A作用于穩(wěn)定光纖邁克爾遜干涉儀中，完成穩(wěn)定工作，使測量系 統(tǒng)適用于在線測量；波長^和七作用于測量光纖邁克爾遜干涉儀中，形成合成波干涉，實現(xiàn)對臺階高度的測量；合成波長&=^^，可測量的臺階高度的義2 —義3最大值為對^^;通過調(diào)節(jié)光纖光柵的參數(shù)，可調(diào)解義2和義3的大小，得到不同 大小的合成波長，實現(xiàn)對不同高度臺階的測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用光纖光柵及波分復(fù)用技術(shù)的臺階高度在線測量系統(tǒng)。利用光纖光柵反射布拉格波長特性和波分復(fù)用技術(shù)構(gòu)成光纖復(fù)合干涉儀，該干涉儀含二個反射鏡獨立光路幾乎重合的光纖邁克爾遜干涉儀。一個干涉儀用于測量；另一個干涉儀用于穩(wěn)定，經(jīng)反饋控制電路補償環(huán)境干擾對測量系統(tǒng)的影響，從而使系統(tǒng)適用于在線測量。譜寬40nm的超輻射發(fā)光二極管發(fā)出的光被三個布拉格波長不同的光纖光柵反射包含三個波長的光進入系統(tǒng)，一個波長作用于穩(wěn)定干涉儀中，穩(wěn)定系統(tǒng)；另二個波長作用于測量干涉儀中，產(chǎn)生合成波干涉，實現(xiàn)測量。調(diào)節(jié)作用于測量干涉儀的二個波長的大小，可得不同大小的合成波長，實現(xiàn)對不同高度臺階測量。
文檔編號G01D5/26GK101126630SQ20071012240
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日
發(fā)明者琳 張, 芳 謝 申請人:北京交通大學