[其他]一種微小光程差測量系統

無效

• 申請號: 85102287
• 申請日: 1985-04-01
• 公開（公告）號: CN85102287B
• 公開（公告）日: 1987-05-20
• 發明（設計）人: 徐炳德
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械研究所
• 主分類號: G01J9/04
• 分類號: G01J9/04
• 代理公司: 中國科學院長春專利事務所
• 代理人: 劉樹清

屬于物理學領域中一種光學計量測試裝置〔G01J9/00〕。它是一種通過測量雙穩頻雙頻激光的光拍相位變化來測量1～一個光波長范圍內微小光程差的光電系統。

本發明前，已有一種利用光頻和差頻均有一定穩定度的雙頻激光測量光滑表面粗糙度的裝置〔Appl.Opt.，1981，20，No4（Feb），610〕。其概要如圖1所示。激光器〔1〕輸出的二差頻光經分束器〔2〕分為一參考光路〔Ⅰ〕和一測量光路〔Ⅱ〕。參考光路中二差頻光共程，經光混頻器〔4〕得參考差頻信號，其相位可由參考光路中由波片組成的光學移相器〔3〕來調節。測量光路中，通過渥拉斯頓棱鏡〔5〕將二差頻光分開一小角度，經顯微物鏡〔6〕將二差頻光分別聚焦到其焦面上的可旋轉被測表面〔7〕的兩點上，其中一點與被測表面的旋轉中心相重合。利用焦面上對稱反射，二差頻光返經顯微物鏡〔6〕和渥拉斯頓棱鏡〔5〕重新會合，再經反射鏡〔8〕投向光混頻器〔9〕，得到測量差頻信號。以上二差頻信號通過鑒相器〔10〕，得二信號的相位差。當被測表面旋轉時，即可測出表面的相對高度差一一可得其表面粗糙度。該裝置采用縱向塞曼效應穩頻的雙頻激光，其光頻穩定度為2×10〈`;-8;`〉，差頻穩定度為5×10〈`;-7;`〉，差頻值為2MHz，其測量高度差靈敏度約為1。

上述裝置作為測量表面粗糙度的裝置是可取的，但其采用的激光光頻穩定度較低，測量光路中二差頻光分離后的程差允許值較小（約0.1mm），只能采用近共程的光路結構，并因此大大限制了這種方法的應用范圍。此外，該裝置還存在所用的雙頻激光頻差較大，因而對差頻穩定度和電子學系統的頻響要求較高等問題。

本發明的目的是突破已有裝置在方案和用途上的局限性，并克服其在技術上的某些缺欠，構成一種能測量1～一個光波長范圍內微小光程差的、具有多種新用途功能的、技術上要求相對較低又使用方便的高精度測量系統。

本發明的構成，如圖2所示。整個測量系統由雙頻激光源，共程光路，非共程光路，光混頻器和信號處理系統組成。

雙頻激光源〔1〕選用雙穩頻雙頻激光器，由它發出的二不同頻率光是共線傳播的，但具有不同的偏振狀態。其光頻穩定度可在1×10〈`;-8;`〉～5×10〈`;-11;`〉之間。頻差值可在30KHz～150KHz之間，差頻穩定度可在1×10〈`;-4;`〉～1×10〈`;-6;`〉之間。共程光路由分束器〔5〕到光混頻器〔10〕組成，在光混頻器〔10〕的前面放置一適當焦距的會聚透鏡〔8〕，而光混頻器〔10〕的光敏面與會聚透鏡〔8〕的后焦面重合。非共程光路由偏振分束器〔11〕，二平面反射鏡組〔13〕、〔14〕和〔17〕、〔18〕以及合束器〔15〕組成一一構成一雙臂可調程平行光路。具有一定頻差和不同偏振態的二不同頻率光經偏振分束器〔11〕分離為成90°角的兩個支臂光路：每一支臂光路中的平面反射鏡組〔13〕、〔14〕或〔17〕、〔18〕的二反射面互相垂直，且對二不同頻率光均為45°入射，合束器〔15〕位于二差頻光重新會合處，且其分光面對二不同頻率光也都呈45°入射。這樣，二不同頻率光分別經過二支臂光路在合束器〔15〕上重新會合后，將沿反射鏡〔14〕反射光的方向再次共線傳播。反射鏡組〔13〕、〔14〕可以一起沿反射鏡〔14〕的反射光方向前后平移;反射鏡組〔18〕和合束器〔15〕也可以沿上述方向一起平移。此外，在二支臂光路中，又分別放置一電光移相器〔16〕和一光程補償器〔12〕，此二者的光程值是相等的。

由雙頻激光源〔1〕發出的具有上述性能的雙頻激光，經分束器〔5〕分成具有適當強度比的兩束光。由分束器〔5〕反射的一路，經上述共程光路，由光混頻器〔10〕輸出頻率為雙頻激光頻差值的共程拍頻信號，經分束器〔5〕透過的一路，經上述非共程光路，在合束器〔15〕重新會合后，經過有適當焦距的會聚透鏡〔21〕，會聚于光敏面與透鏡〔21〕后焦面重合的光混頻器〔23〕上，得到非共程拍頻信號。非共程拍頻信號與共程拍頻信號具有相同的頻率，而其初相位差可由電光移相器〔16〕調節。如果在非共程光路中任一支臂光路內引入被測的微小光程差，則此光程差引起的光相位變化將原本地轉變為非共程拍頻信號的相位變化。此二拍頻信號分別經過放大濾波器〔24〕、〔25〕進行放大、濾波、整形，并送入相位計〔26〕比較其相位，即可測出欲測的微小光程差。根據實際需要，相位計〔26〕的輸出信號即可以通過模-數轉換器〔27〕，由數字顯示器〔28〕給出數字結果;也可以由記錄儀〔30〕直接記錄;或者接入微型計算機〔29〕進行處理。以上從〔24〕到〔30〕均屬信號處理系統。