[實用新型]一種雙波長超外差干涉實時位移測量系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201720602510.5
• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN207019624U
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 潘德馨;盧乾波;白劍;汪凱巍
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司33200
• 代理人: 林超

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種位移測量系統(tǒng)，特別涉及了一種雙波長超外差干涉實時位移測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

常見的單波長激光干涉位移測量系統(tǒng)擁有納米級的位移測量精度，但是由于激光單波長通常為1μm左右，因此其干涉信號的周期只有數(shù)百納米，限制了其測量量程。位移測量系統(tǒng)需要增加周期計數(shù)才可以準確記錄相位變化，一旦位移變化較為迅速或者遇到臺階等較大的絕對位移變化，就會出現(xiàn)相位模糊。

為了解決單波長激光干涉的量程問題，Tilford等人最早提出了采用雙波長構(gòu)造一種合成波長來擴大測量系統(tǒng)量程的方法(C.R.Tilford,Appl.Opt.16,1857(1977).)。兩束波長分別為λ₁和λ₂的激光可以合成波長為λ₁λ₂/(λ₁-λ₂)的干涉信號，當λ₁和λ₂比較接近時，合成波長遠大于單波長，這樣就可以大大擴展干涉位移測量系統(tǒng)的量程。但是隨著測量量程的擴大，雙波長干涉測量同樣面臨了兩個新的問題：1.基于合成波長的干涉測量精度會下降，2.求合成波長相位時往往需要對單波長依次測量再求解，難以實現(xiàn)實時快速的測量。之后幾十年雙波長干涉位移測量取得了很大的發(fā)展，如專利號為02112079.X的專利“雙波長納米精度實時干涉測量儀”加入了雙路正弦調(diào)制和信號處理器，保證了較高的測量精度，但是其通過溫度調(diào)制激光波長等調(diào)制手段穩(wěn)定性較差，很難達到理論精度；Dandliker等人提出的超外差干涉法通過(R.Dandliker,R.Thalmann,and D.Prongue,Opt.Lett.13,339(1988))對不同波長的兩束激光加入不同的頻移可以實現(xiàn)合成波長的實時測量，但是仍然沒有解決合成波長測量精度下降的問題。

現(xiàn)有技術(shù)無法很好地同時解決雙波長干涉帶來的兩個問題，滿足大量程高精度的實時干涉測量需求。

實用新型內(nèi)容

本實用新型針對上述問題，提出了一種雙波長超外差干涉實時位移測量系統(tǒng)，融合了合成波長干涉、單波長干涉、超外差干涉的優(yōu)點，實現(xiàn)了大量程高精度的實時位移測量。

本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。

主要由兩個波長差為Δλ的激光器、三個偏振分光棱鏡、四個分光棱鏡、兩個聲光調(diào)制器、四個四分之一波片、五個平面反射鏡、三個偏振片、一個超窄帶濾波片、兩個大帶寬的跨阻抗光電探測器、兩個低帶寬的高靈敏度光電探測器、一個參考反射鏡、一個被測反射鏡、信號處理電路和上位機組成；

兩個激光器發(fā)出兩束不同波長的激光，每束激光分別經(jīng)過各自的四分之一波片后入射到偏振分光棱鏡分為水平偏振和垂直偏振的兩路：其中水平偏振的一路依次經(jīng)過聲光調(diào)制器和反射鏡后反射，垂直偏振的一路經(jīng)過反射鏡后反射，兩個反射鏡各自的反射光入射到分光棱鏡合束輸出，合束光含有頻率不同且偏振方向不同的兩路輸出光；

兩路輸出光入射到第三分光棱鏡合束并發(fā)生分束：分束后的一部分光經(jīng)過第一偏振片到達第一光電探測器，作為雙波長超外差干涉的參考信號；分束后的另一部分光入射到第三偏振分光棱鏡發(fā)生反射和透射，分成垂直偏振和水平偏振的兩路；

經(jīng)第三偏振分光棱鏡反射出的一路垂直偏振的光經(jīng)過第四四分之一波片被參考反射鏡反射后再次經(jīng)過第四四分之一波片變?yōu)樗狡窆獠⒒氐降谌穹止饫忡R；經(jīng)第三偏振分光棱鏡透射出的一路水平偏振的光經(jīng)過第三四分之一波片被被測反射鏡反射后再次經(jīng)過第三四分之一波片變?yōu)榇怪逼窆獠⒒氐降谌穹止饫忡R，被測反射鏡固定在被測物表面；

回到第三偏振分光棱鏡的兩路激光在第三偏振分光棱鏡合束后入射到第四分光棱鏡，發(fā)生反射和透射分束；透射的一部分經(jīng)過第二偏振片被第二光電探測器接收作為雙波長超外差干涉的測量信號；反射的一部分經(jīng)過超窄帶濾波片后再經(jīng)第三偏振片被第三光電探測器接收，第四光電探測器置于第三光電探測器旁；第一、第二光電探測器和第三、第四光電探測器均經(jīng)信號處理電路連接到上位機。

本實用新型的第一光電探測器、第二光電探測器為兩個大帶寬的跨阻抗光電探測器，第三光電探測器、第四光電探測器為兩個低帶寬的高靈敏度光電探測器，靈敏度大于0.1V/nW。