基于單聲光調(diào)制和偏振分光的邁克爾遜外差激光測振儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光干涉測量領(lǐng)域，主要涉及一種基于單聲光調(diào)制和偏振分光的邁克 爾遜外差激光測振儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光測振儀作為能夠?qū)⒄駝恿恐邓菰吹郊す獠ㄩL的超精密測量儀器，被廣泛應(yīng)用 于位移動態(tài)測量、振動測量與監(jiān)測、超精密裝備與系統(tǒng)集成、科學(xué)研宄與實驗等領(lǐng)域?；?激光干涉法的激光測振儀按照原理可分為零差和外差兩大類，二者在工作原理、光路結(jié)構(gòu) 和技術(shù)特點上具有顯著區(qū)別。零差測量法采用單頻激光作為光源，基于經(jīng)典或改進的邁克 爾遜激光干涉原理，通過測量干涉條紋的相位變化直接測位移；而外差測量法一般是采用 雙頻激光作為光源，基于多普勒效應(yīng)，通過測量多普勒頻差測量被測件的運動速度而間接 測位移。零差激光測振儀其信號處理本質(zhì)上是進行光強測量，系統(tǒng)本身是直流系統(tǒng)，具有結(jié) 構(gòu)簡單、測量精度高、動態(tài)范圍寬，非線性易于補償?shù)葍?yōu)點，缺點是抗干擾能力差、測量結(jié)果 受光強變化影響大。外差激光測振儀（常稱多普勒激光測振儀）其信號處理本質(zhì)上是進行 頻率測量，系統(tǒng)本身是動態(tài)交流系統(tǒng)，具有抗干擾能力強、測量精度高、測量結(jié)果受光強變 化影響小等特點，因此外差測量法一直受到研宄人員的關(guān)注而成為本領(lǐng)域的研宄熱點。
[0003] 外差干涉測量要求在測振儀兩個干涉臂間形成一定的頻差。產(chǎn)生頻差的方法主要 是利用塞曼效應(yīng)和聲光調(diào)制。塞曼效應(yīng)受頻差閉鎖現(xiàn)象影響，產(chǎn)生的雙頻頻差一般較小，通 常最大頻差不超過4MHz。聲光調(diào)制方法得到的頻差通常較大，頻差達到20MHz以上，而且頻 率穩(wěn)定性非常好，可以滿足高速、高精度測量的需求。
[0004] 現(xiàn)有基于聲光調(diào)制產(chǎn)生頻差的外差激光測振儀（1.MartinB， et.al. "High-precisionlaservibrometersbasedondigitalDoppler-signal processing"，ProceedingsofSPIE，Vol.4827 :50_61，2002 ;2.StefanFranz, et.al."Heterodyneinterferometerhavinganopticalmodulator" ?USPatent： US7688451B2 ;)是以馬赫曾德干涉儀為基礎(chǔ)，采用穩(wěn)頻激光器作為光源，通過偏振分光鏡 PBS分光形成兩個干涉臂，作為測量臂和參考臂，在至少一個干涉臂上采用聲光調(diào)制器實現(xiàn) 頻移，從而使兩個干涉臂間形成頻差；再采用平面反射鏡、偏振分光鏡PBS以及消偏振分光 鏡NBS對光束進行合光。單聲光頻移技術(shù)方案產(chǎn)生的雙頻激光的頻差大，對系統(tǒng)硬件速度 要求高，為解決這一問題，可采用雙聲光調(diào)制技術(shù)方案產(chǎn)生兩路頻差相對小的光束，分別作 為參考光和測量光，雙聲光調(diào)制方案雖然可減小頻差，但增加了光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜程度。綜上， 現(xiàn)有技術(shù)方案存在的缺點為：1)現(xiàn)有技術(shù)方案均是以馬赫曾德干涉儀為基礎(chǔ)，干涉臂和測 量臂整體呈矩形，通過偏振分光鏡在矩形的一頂點處分光，再通過額外的偏振分光鏡PBS、 消偏振分光鏡NBS以及反射鏡在分光點的對角處合光，該技術(shù)方案存在多個偏振分光鏡 PBS，存在偏振泄漏現(xiàn)象，導(dǎo)致光路非線性誤差顯著；2)根據(jù)聲光調(diào)制器的工作原理，只有 一級衍射光會發(fā)生頻移，但與入射光束存在一定的夾角，從而使光路合光困難，參考光和測 量光難以干涉。
[0005] 由于聲光調(diào)制器一級衍射光與入射光不平行、以及光學(xué)元件不理想等因素，尤其 是偏振分光鏡PBS的偏振泄漏，導(dǎo)致現(xiàn)有外差激光測振儀技術(shù)方案調(diào)整困難，而且受光路 結(jié)構(gòu)、原理及光學(xué)器件本身特性不理想的限制，存在難以克服的非線性誤差，難以滿足亞納 米甚至皮米級精度振動測量需求。因此，如何通過光路結(jié)構(gòu)與原理上的創(chuàng)新，提供一種光路 調(diào)整簡單或非線性誤差較小的外差激光測振技術(shù)方案，意義十分重大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有馬赫曾德外差激光測振技術(shù)方案在光路結(jié)構(gòu)和原理上 存在的光路調(diào)整困難、非線性誤差等問題，提供一種基于單聲光調(diào)制和偏振分光的邁克爾 遜外差激光測振儀，通過光路結(jié)構(gòu)與原理的創(chuàng)新，以邁克爾遜干涉儀為基礎(chǔ)，采用較少的光 學(xué)元件實現(xiàn)外差激光干涉測量，調(diào)整簡單方便，可有效解決現(xiàn)有技術(shù)方案中光路存在偏振 泄露與偏振混疊顯著、光路調(diào)整困難的問題。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0008] -種基于單聲光調(diào)制和偏振分光的邁克爾遜外差激光測振儀，由激光器、二分之 一波片、偏振分光鏡、四分之一波片、測量角錐棱鏡、聲光調(diào)制器、光束折轉(zhuǎn)元件、參考角錐 棱鏡、檢偏器、高速光電探測器組成，所述激光器發(fā)出線偏振光，經(jīng)二分之一波片調(diào)整偏振 方向，然后經(jīng)偏振分光鏡進行分光，反射光形成第一光束作為測量光，透射光形成第二光束 作為參考光；第一光束經(jīng)過四分之一波片后變成圓偏振光，經(jīng)測量鏡反射后再次經(jīng)過四分 之一波片變成線偏振光，然后經(jīng)偏振分光鏡透射形成第三光束；第二光束經(jīng)過聲光調(diào)制器 產(chǎn)生衍射光束，衍射光束經(jīng)光束折轉(zhuǎn)元件調(diào)整后，光束傳播方向平行于第二光束，經(jīng)參考角 錐棱鏡反射后，再經(jīng)偏振分光鏡反射形成第四光束；第三光束、第四光束光路重合、且偏振 方向正交；第三光束、第四光束經(jīng)過檢偏器后發(fā)生干涉，被高速光電探測器接收。
[0009] 所述光束折轉(zhuǎn)元件為平面反射鏡或楔形塊。
[0010] 所述聲光調(diào)制器的一級衍射光與入射光偏振正交。
[0011] 所述激光器為穩(wěn)頻激光器。
[0012] 本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新性及產(chǎn)生的良好效果在于：
[0013] (1)本發(fā)明提出了一種基于聲光調(diào)制的邁克爾遜外差激光測振技術(shù)方案。該技術(shù) 方案以邁克爾遜干涉儀為基礎(chǔ)，光路簡單，元器件較少，減少了非線性誤差產(chǎn)生的環(huán)節(jié)；利 用聲光調(diào)制器一級衍射光發(fā)生頻移的特性，使兩個干涉臂之間形成頻差；采用角錐棱鏡作 為測量鏡和參考鏡，使干涉臂的返回光位于聲光調(diào)制器上方，只經(jīng)過一次聲光調(diào)制器，從而 實現(xiàn)了外差激光干涉測量。通過上述技術(shù)創(chuàng)新，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)方案光路光學(xué)元件較 多，非線性誤差來源較多的問題。
[0014] (2)本發(fā)明只需調(diào)整干涉臂上的光束折轉(zhuǎn)元件，使一級衍射光束的傳播方向與入 射光束或零級光束平行，即可通過調(diào)整測量角錐棱鏡和參考角錐棱鏡的位置使參考光和測 量光發(fā)生干涉，光路調(diào)整十分方便。解決了現(xiàn)有技術(shù)方案光路調(diào)整不便的問題。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明基于單聲光調(diào)制和偏振分光的邁克爾遜外差激光測振儀的一個實 施例的三維示圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明基于單聲光調(diào)制和偏振分光的邁克爾遜外差激光測振儀的一個實 施例的光路原理示圖；
[0017] 圖3為本發(fā)明基于單聲光調(diào)制和偏振分光的邁克爾遜外差激光測振儀另一個實 施例的三維示圖；
[0018] 圖4為本發(fā)明基于單聲光調(diào)制和偏振分光的邁克爾遜外差激光測振儀另一個實 施例的光路原理示圖；
[0019] 圖5為本發(fā)明的聲光調(diào)制器工作原理；
[0020] 圖6為本發(fā)明的信號處理原理圖；