[發(fā)明專利]一種新型高精度雙頻同時(shí)測(cè)量激光外差干涉相位測(cè)振光路

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310452081.4
• 申請(qǐng)日: 2013-09-25
• 公開（公告）號(hào): CN103499385A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳強(qiáng)華;劉景海;何永熹;羅會(huì)甫;蔣弘;吳健;王鋒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01H9/00
• 分類號(hào): G01H9/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光干涉測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及利用多普勒原理來(lái)測(cè)量目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息的外差激光測(cè)振光路。具體涉及一種新型高精度雙頻同時(shí)測(cè)量激光外差干涉相位測(cè)振光路。

背景技術(shù)

振動(dòng)測(cè)量因其能反映物體尤其是高速運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)態(tài)特性，在工程領(lǐng)域中十分重要。自1960年以來(lái)，激光多普勒技術(shù)由于在測(cè)量中具有高空間和時(shí)間分辨率，不接觸、擾動(dòng)被測(cè)物體等優(yōu)點(diǎn)而備受矚目。自從1964年發(fā)表了第1篇關(guān)于激光多普勒測(cè)速的論文后，該技術(shù)立即受到各方重視并進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，取得了顯著成果，如今，激光多普勒測(cè)速技術(shù)以及由其發(fā)展而來(lái)的測(cè)振技術(shù)已成為科學(xué)技術(shù)及許多行業(yè)中不可缺少的檢測(cè)方法。

目前，激光多普勒測(cè)速多采用外差激光干涉光路，用分光鏡將激光源發(fā)出的頻率為f的光束分為參考光和測(cè)量光兩部分，測(cè)量光入射到被測(cè)的振動(dòng)物體表面，其反射光產(chǎn)生多普勒頻移Δf。為了確定被測(cè)物體的振動(dòng)方向，在參考光路中使用聲光調(diào)制器來(lái)對(duì)參考光進(jìn)行移頻，產(chǎn)生fd的頻率偏移量。采用光學(xué)元件將參考光與測(cè)量光合并從而產(chǎn)生干涉，干涉光由光電探測(cè)器進(jìn)行接收并向信號(hào)處理器輸出包含頻率分量（fd+Δf）的調(diào)制信號(hào)，然后將其進(jìn)行混頻、濾波處理后送入計(jì)算單元解調(diào)出Δf。

上述方法中對(duì)參考光進(jìn)行移頻時(shí)由于采用的是聲光調(diào)制器，因此頻移量fd一般比較大，通常大于數(shù)十MHz量級(jí)。因此當(dāng)由于速度較低而導(dǎo)致Δf較小時(shí)，現(xiàn)有的外差激光測(cè)振儀會(huì)存在測(cè)量精度不高的問(wèn)題。此外，由于聲光調(diào)制器中對(duì)參考光進(jìn)行移頻以及在信號(hào)處理過(guò)程中對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行混頻時(shí)都要用到晶振信號(hào)，而晶振會(huì)受到溫度、磁場(chǎng)等環(huán)境因素影響，其相應(yīng)的振蕩頻率會(huì)產(chǎn)生誤差f’和f’’，從而給測(cè)量結(jié)果Δf帶來(lái)誤差，當(dāng)Δf與（f’-f’’）接近時(shí)，這種影響因素變大，從而使測(cè)量結(jié)果誤差增大。

因此，希望提供一種可進(jìn)一步提高外差激光測(cè)振儀的精度，并使其在低頻振動(dòng)對(duì)象測(cè)量領(lǐng)域也能具有很高測(cè)量精度的新型激光外差干涉測(cè)振儀。為此，本發(fā)明提出了一種新型高精度雙頻同時(shí)測(cè)量激光外差干涉相位測(cè)振光路，并采用相位測(cè)量方法解調(diào)Δf信號(hào)，可以解決上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種新型高精度雙頻同時(shí)測(cè)量激光外差干涉相位測(cè)振光路，采用外差干涉光路，穩(wěn)定性好，且兩個(gè)頻率分量都參與了測(cè)量，頻差變化了2△f，相當(dāng)于測(cè)量精度提高了1倍，并采用相位測(cè)量方法解調(diào)頻差變化信號(hào)，解決了目前常用的外差激光測(cè)振儀在低頻振動(dòng)對(duì)象測(cè)量時(shí)精度不高的問(wèn)題，且相位測(cè)量可以進(jìn)一步提高激光測(cè)振精度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種新型高精度雙頻同時(shí)測(cè)量激光外差干涉相位測(cè)振光路，包括：雙頻激光源（101）、第一半透半反鏡（102）、第二半透半反鏡（103）、待測(cè)樣品（104）、半波片（105）、全反射鏡（106）、第三半透半反鏡（107）、偏振分光鏡（108）、第一探測(cè)器（109）、第二探測(cè)器（110）、相位測(cè)量?jī)x（111）；

其特征在于：雙頻激光源（101）發(fā)出的光具有一對(duì)相互正交的線偏振態(tài)，兩個(gè)線偏振態(tài)f1和f2的頻率差值在100kHz-100MHz之間。第一半透半反鏡（102）將雙頻激光源（101）發(fā)出的光分為均含有f1和f2頻率分量的兩束光，其中反射光入射至第三半透半反鏡（107），透射光進(jìn)入后續(xù)測(cè)量光路。第二半透半反鏡（103）的部分透射來(lái)自第一半透半反鏡（102）含有f1和f2頻率分量的光束，并部分反射從待測(cè)樣品（104）表面反射回的光束。由于多普勒效應(yīng)，從待測(cè)樣品（104）表面反射回的光束其頻率分量變?yōu)椋╢1+△f）和（f2+△f）。半波片（105）位于第二半透半反鏡（103）和全反射鏡（106）之間，其快軸位置與垂直方向呈45°，因此從第二半透半反鏡（103）反射的光束經(jīng)過(guò)半波片（105）后，原偏振分量均發(fā)生90°旋轉(zhuǎn)，偏振狀態(tài)變?yōu)槠叫蟹至繛椋╢2+△f）而垂直分量為（f1+△f）。第三半透半反鏡（107）將從全反射鏡（106）反射并透射通過(guò)它的光束與從第一半透半反鏡（102）及它反射的光束合并形成一束光。此時(shí)光束的平行偏振態(tài)含有f1和（f2+△f）兩個(gè)頻率分量而垂直偏振態(tài)含有（f1+△f）和f2兩個(gè)頻率分量。偏振分光鏡（108）將該光束分為兩部分，水平偏振態(tài)的兩個(gè)頻率分量透射后被第一探測(cè)器（109）接收形成頻率為（f1-f2-△f）的第一測(cè)量信號(hào)，垂直偏振態(tài)的兩個(gè)頻率分量反射后被第二探測(cè)器（110）接收形成頻率為（f1-f2+△f）的第二測(cè)量信號(hào)。相位測(cè)量?jī)x（111）接收第一和第二測(cè)量信號(hào)，測(cè)量二者由于頻差變化2△f引起的的相位差變化