專利名稱：光學(xué)干涉測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及利用光學(xué)干涉原理實(shí)現(xiàn)的精密測量領(lǐng)域，尤其涉及一種光 學(xué)干涉測量裝置。
技術(shù)背景精密測量是一項(xiàng)在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中具有極其重要意義的技術(shù)，其中 基于光學(xué)干涉原理實(shí)現(xiàn)的精密測量尤其得到廣泛應(yīng)用。這種干涉測量的基本原 理非常簡單，利用分束器將一束相干光分為兩束，其中一束作為參考光，另一 束經(jīng)過相位調(diào)制器產(chǎn)生一個(gè)相位差，這個(gè)相位調(diào)制器與待測的物理量有關(guān)，然 后兩束光重新匯聚，由于相位差的產(chǎn)生，匯聚到一起的兩束光發(fā)生干涉，輸出 的光強(qiáng)隨著相位差變換而變化，這樣通過光強(qiáng)的測量就能夠獲得相位差的值， 進(jìn)而獲得待測物理量的值。由于光波的相位非常敏感，因此這樣測得的物理量 可以實(shí)現(xiàn)非常高的精度。因此，目前許多的精密測量是利用光學(xué)干涉方法來實(shí) 現(xiàn)的，例如引力波探測、微納米位移測量、光纖陀螺和光纖聲納探測等。雖然 不同的測量系統(tǒng)采用不同的干涉儀，如馬赫一增德爾干涉儀、邁克爾遜干涉儀、Sagnac干涉儀等，但這些干涉儀的基本原理都是基本相同的。由于受到量子力學(xué)測不準(zhǔn)原理的限制，這種基于光學(xué)干涉的測量都存著一個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)的量子力學(xué)測量精度極限，也就是相位測量的誤差必定大于等于AT1/2， 其中W為光場的平均光子數(shù)。這主要是由于測量采用的激光光源屬于相干態(tài)， 對相干態(tài)光強(qiáng)測量的起伏等于其平均光強(qiáng)的1/2次方，即AT1/2，而根據(jù)測不準(zhǔn)原 理，相位和光強(qiáng)(與光子數(shù)有關(guān))是測量精度上相互制約的物理量，因此相位 測量精度受制于光強(qiáng)的大小。由于受到測量精度的限制，要提高相位測量的靈 敏度只能提高測量的光功率。由于激光器的功率有限并且在一些特殊應(yīng)用中光 功率受到限制，因此有必要提出一種新的提高干涉測量相位靈敏度的新方法。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種光學(xué)干涉測量裝置。光學(xué)干涉測量裝置它包括激光器、第一反射鏡、第一半透半反分束器、第 二反射鏡、相位調(diào)制組件、第一探測器、第一差分器、相關(guān)器，激光器產(chǎn)生的 相干光束經(jīng)過第一半透半反分束器分成兩個(gè)相干光束，其中一個(gè)相干光束經(jīng)過 第一反射鏡的移動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)相位變化，另一個(gè)相干光束經(jīng)過第二反射鏡進(jìn)入相 位調(diào)制組件，然后兩個(gè)相干光束經(jīng)過的半透半反分束器輸出兩個(gè)干涉光束，兩　個(gè)干涉光束經(jīng)過探測器的探測變成電信號，電信號經(jīng)過第一差分器和相關(guān)器實(shí) 現(xiàn)對相位變化的測量。所述的相位調(diào)制組件是一個(gè)帶有光鎖相環(huán)控制單元的相位調(diào)制機(jī)構(gòu)，它包 括分束器、第二半透半反分束器、第二探測器、第二差分器、放大器、環(huán)路濾 波器、控制信號發(fā)生器、贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器、相位調(diào)制器，相干光束經(jīng)過相位調(diào) 制器前后的兩個(gè)分束器的作用，產(chǎn)生的兩個(gè)相干光束經(jīng)過第二半透半反分束器 輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過第二探測器的探測變成電信號，電信號 經(jīng)差分器，放大器、環(huán)路濾波器產(chǎn)生一個(gè)控制信號，控制信號和贗隨機(jī)碼產(chǎn)生 器產(chǎn)生的贗隨機(jī)碼序列經(jīng)過控制信號發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號對相位調(diào)制器進(jìn) 行驅(qū)動(dòng)。本實(shí)用新型利用特殊設(shè)計(jì)的贗隨機(jī)相位序列實(shí)現(xiàn)干涉測量中相位靈敏度的 提高。本實(shí)用新型只需要一般的相干光源(如激光)以及線性光學(xué)元件，因此 在實(shí)現(xiàn)上比其他方案要容易得到多，在引力波探測、微納米位移測量、光纖陀 螺和光纖聲納探測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

圖1是光學(xué)干涉測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是測量時(shí)序、相位序列以及光強(qiáng)序列之間的關(guān)系圖；圖3是帶有光鎖相環(huán)控制單元的相位調(diào)制組件的一種實(shí)施例示意圖；圖中激光器l、第一反射鏡2、第一半透半反分束器3、第二反射鏡4、相位調(diào)制組件5、第一探測器6、第一差分器7、相關(guān)器8、分束器9、第二半透半反分束器IO、第二探測器ll、第二差分器12、放大器13、環(huán)路濾波器14、控制信號發(fā)生器15、贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器16、相位調(diào)制器17。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
。一般的Michelson干涉儀工作原理如下由激光器1產(chǎn)生的相干光源通過一 個(gè)分束器形成兩個(gè)干涉臂，其中一個(gè)臂上安裝相位傳感單元，相位傳感單元可 以是移動(dòng)的反射鏡2，也可以通過其他方法來實(shí)現(xiàn)。而另外一個(gè)作為參考臂。當(dāng) 兩個(gè)臂的相干光再次干涉時(shí)，兩臂的相位差會導(dǎo)致輸出光強(qiáng)的變化，通過探測 器6測得的光強(qiáng)，最后利用光強(qiáng)與相位之間的關(guān)系得到相位的變化。如圖1所示，光學(xué)干涉測量裝置包括激光器l、第一反射鏡2、第一半透半 反分束器3、第二反射鏡4、相位調(diào)制組件5、第一探測器6、第一差分器7、相 關(guān)器8，激光器1產(chǎn)生的相干光束經(jīng)過第一半透半反分束器3分成兩個(gè)相干光束， 其中一個(gè)相干光束經(jīng)過第一反射鏡2的移動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)相位變化，另一個(gè)相干光
束經(jīng)過第二反射鏡4進(jìn)入相位調(diào)制組件5,然后兩個(gè)相干光束經(jīng)過的半透半反分 束器3輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過探測器6的探測變成電信號，電 信號經(jīng)過第一差分器7和相關(guān)器8實(shí)現(xiàn)對相位變化的測量。本實(shí)用新型在結(jié)構(gòu) 上與一般的Michdson干涉儀不同是在干涉儀的參考臂上設(shè)置了一個(gè)相位調(diào)制 器組件5。如圖3所示，相位調(diào)制組件5是一個(gè)帶有光鎖相環(huán)控制單元的相位調(diào)制機(jī) 構(gòu)，它包括分束器9、第二半透半反分束器10、第二探測器11、第二差分器12、 放大器13、環(huán)路濾波器14、控制信號發(fā)生器15、贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器16、相位調(diào) 制器17，相干光束經(jīng)過相位調(diào)制器17前后的兩個(gè)分束器9的作用，產(chǎn)生的兩個(gè) 相干光束經(jīng)過第二半透半反分束器IO輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過第 二探測器11的探測變成電信號，電信號經(jīng)差分器12，放大器13、環(huán)路濾波器 14產(chǎn)生一個(gè)控制信號，控制信號和贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器16產(chǎn)生的贗隨機(jī)碼序列經(jīng)過 控制信號發(fā)生器15產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號對相位調(diào)制器17進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為了減小相位調(diào)制引起的誤差，本實(shí)用新型采用一個(gè)包含光鎖相環(huán)控制單 元的相位調(diào)制組件來產(chǎn)生相位序列。在相位調(diào)制器17前后分別用分束器9將部 分光分出，然后經(jīng)過第二半透半反分束器10的干涉輸出兩路光信號，這兩路信 號的光強(qiáng)與相位調(diào)制器產(chǎn)生的相位誤差有關(guān)，經(jīng)過第二探測器11接收得到電信 號，信號經(jīng)過差分器12和放大器13輸入到環(huán)路濾波器14中，經(jīng)過環(huán)路濾波之 后，將得到一個(gè)與相位誤差有關(guān)的環(huán)路反饋信號。為了抑制相位誤差，將環(huán)路 反饋信號送入控制信號產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)與相位誤差變化相反的控制信號。這一 控制信號和贗隨機(jī)信號產(chǎn)生器16產(chǎn)生的贗隨機(jī)信號序列一起輸入到控制信號產(chǎn) 生器中，最后控制信號產(chǎn)生器產(chǎn)生的相位調(diào)制器所需要的驅(qū)動(dòng)信號，而這一驅(qū) 動(dòng)信號使得相位調(diào)制器產(chǎn)生的相位變化正是我們所需要的贗隨機(jī)相位序列，而 且誤差被控制到最小。這樣，相位誤差的大小光鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬決定，根據(jù) 目前的技術(shù)水平可以減小30dB甚至更多。因此這種方法非常有利于提高相位測 量的靈敏度和精確度。光學(xué)干涉測量方法包括如下步驟-1) 將一個(gè)取樣周期劃分為N個(gè)時(shí)隙；2) 將每個(gè)時(shí)隙劃分為M個(gè)相位單元，這些相位單元中的相位均勻分布在3) N個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)變化的相位形成N個(gè)長度為M的贗隨機(jī)序列4) 第N個(gè)時(shí)隙的相位隨機(jī)序列滿足mod2;r所述的贗隨機(jī)碼序列是一種最大長度線性反饋移位序列，即M-序列。 下面我們詳細(xì)介紹這種光學(xué)干涉測量方法如何提高M(jìn)ichelson干涉儀的相 位測量靈敏度。對于一個(gè)信號，我們選取其中的一個(gè)取樣周期7;進(jìn)行研究。首先， 我們將這一個(gè)取樣周期劃分為W個(gè)時(shí)隙，然后將每個(gè)時(shí)隙劃分為M個(gè)相位單元， 這些相位單元中的相位均勻分布在[o，^]范圍內(nèi)隨機(jī)變化。這樣，7V個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)變化的相位形成iV個(gè)長度為M的隨機(jī)序列W,(/ = i』，y = i.j^ ，這種時(shí)隙與相 位單元的關(guān)系如圖2所示。為了使得這些隨機(jī)相位變化產(chǎn)生的干擾消失，我們 將第W個(gè)時(shí)隙的相位隨機(jī)序列設(shè)定為,W-1 、mod2;r(i)由于這些隨機(jī)相位的作用，我們通過光探測器在每一個(gè)相位單元內(nèi)得到的輸出 光強(qiáng)差為-j層、 (2)其中"i..jv，y"...M。為了得到相位差e的信息，我們對這7V個(gè)光強(qiáng)差序列"j進(jìn) 行相關(guān)分析，得到相關(guān)函數(shù)為-1Af 「 Wrv)丄,丄17、w、層乂 2層(3)<formula>formula see original document page 6</formula>由方程(l)得到|>) = 2"，這樣我們得到<formula>formula see original document page 6</formula>(4)其中1:...共有2"-'-1項(xiàng)，而且每一項(xiàng)中都包含有隨機(jī)相位《，這些項(xiàng)求和結(jié)果的乂='上限為2^'。進(jìn)一步，利用最大長度線性反饋移位序列(M—序列)方法生成JV個(gè)贗隨機(jī)相位序列可以完全消除這些求和項(xiàng)，產(chǎn)生的方法如下先給出一個(gè)》 階的生成多項(xiàng)式，利用循環(huán)移位的方法可以產(chǎn)生2"-l個(gè)不同的長度為2"-l的贗隨
機(jī)序列(序列每個(gè)單元的取值分別為0或者1)，然后從這些序列中選出AM個(gè) 長度為^/ = 2 的序列(在序列的最后增加一個(gè)O或者1使得序列中的0和1的個(gè) 數(shù)完全相等)。然后將這些序列中的0分別交替地映射為0和;r，而將1分別交 替地映射為兀/2和3;r/2。最后利用方程(1)產(chǎn)生出第W個(gè)序列。這樣得到的N 個(gè)長度為M的贗隨機(jī)相位序列可以完全消除方程(4)中的求和項(xiàng)。最后，我們 得到相關(guān)函數(shù)為<formula>formula see original document page 7</formula>由相關(guān)函數(shù)和相位差e之間的關(guān)系可以看出，干涉儀的相位探測靈敏度提高為原 來的W倍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會清楚，可以對本實(shí)用新型的基于多模波導(dǎo)中光場橫 向模式的干涉測量儀進(jìn)行各種改變和改進(jìn)，而不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍。 因此，本實(shí)用新型旨在包括不超出權(quán)力說明書范圍的各種改變和改進(jìn)以及它們 的等同物。
權(quán)利要求1.一種光學(xué)干涉測量裝置，其特征在于它包括激光器(1)、第一反射鏡(2)、第一半透半反分束器(3)、第二反射鏡(4)、相位調(diào)制組件(5)、第一探測器(6)、第一差分器(7)、相關(guān)器(8)，激光器(1)產(chǎn)生的相干光束經(jīng)過第一半透半反分束器(3)分成兩個(gè)相干光束，其中一個(gè)相干光束經(jīng)過第一反射鏡(2)的移動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)相位變化，另一個(gè)相干光束經(jīng)過第二反射鏡(4)進(jìn)入相位調(diào)制組件(5)，然后兩個(gè)相干光束經(jīng)過的半透半反分束器(3)輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過探測器(6)的探測變成電信號，電信號經(jīng)過第一差分器(7)和相關(guān)器(8)實(shí)現(xiàn)對相位變化的測量。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)干涉測量裝置，其特征在于所述的相位調(diào) 制組件(5)是一個(gè)帶有光鎖相環(huán)控制單元的相位調(diào)制機(jī)構(gòu)，它包括分束器(9)、 第二半透半反分束器(IO)、第二探測器(ll)、第二差分器(12)、放大器(13)、環(huán)路 濾波器(14)、控制信號發(fā)生器(15)、贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器(16)、相位調(diào)制器(17),相干 光束經(jīng)過相位調(diào)制器(17)前后的兩個(gè)分束器(9)的作用，產(chǎn)生的兩個(gè)相干光 束經(jīng)過第二半透半反分束器(10)輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過第二探測 器(11)的探測變成電信號，電信號經(jīng)差分器(12)，放大器(13)、環(huán)路濾波 器(14)產(chǎn)生一個(gè)控制信號，控制信號和贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器(16)產(chǎn)生的贗隨機(jī)碼序 列經(jīng)過控制信號發(fā)生器(15)產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號對相位調(diào)制器(17)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種光學(xué)干涉測量裝置及其方法。激光器產(chǎn)生的相干光束經(jīng)過第一半透半反分束器分成兩個(gè)相干光束，其中一個(gè)相干光束經(jīng)過第一反射鏡的移動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)相位變化，另一個(gè)相干光束經(jīng)過第二反射鏡進(jìn)入相位調(diào)制組件，然后兩個(gè)相干光束經(jīng)過的半透半反分束器輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過探測器的探測變成電信號，電信號經(jīng)過第一差分器和相關(guān)器實(shí)現(xiàn)對相位變化的測量。本實(shí)用新型利用特殊設(shè)計(jì)的贗隨機(jī)相位序列實(shí)現(xiàn)干涉測量中相位靈敏度的提高。只需要一般的相干光源以及線性光學(xué)元件，在引力波探測、微納米位移測量、光纖陀螺和光纖聲納探測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
文檔編號G01D5/26GK201050989SQ20072011068
公開日2008年4月23日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者建 符 申請人:浙江大學(xué)