一種新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路的製作方法

2023-10-04 11:25:29 1

一種新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路的製作方法
【專利摘要】本發明涉及雷射幹涉測量領域，具體涉及一種新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，包括：雙頻雷射源、第一、二、三半透半反鏡、樣品、半波片、全反射鏡、偏振分光鏡、第一、二探測器、相位測量儀。雷射源發出相互正交的頻率分量為f1和f2的線偏振光，光束經第一半透半反鏡後被分為兩束，透射光先後經第二半透半反鏡、樣品、快軸角度為45°的半波片、全反射鏡，與反射光在第三半透半反鏡處合光併入射至偏振分光鏡後被分為各含平行和垂直分量的兩束光，含水平分量光透射後被第一探測器接收形成第一測量信號，含垂直分量光反射後被第二探測器接收形成第二測量信號，樣品振動導致二者頻差為2△f，並被相位測量儀測得相應的相位差。
【專利說明】一種新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路
【技術領域】
[0001]本發明涉及雷射幹涉測量領域，尤其涉及利用都卜勒原理來測量目標運動信息的外差雷射測振光路。具體涉及一種新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路。
【背景技術】
[0002]振動測量因其能反映物體尤其是高速運動物體的動態特性，在工程領域中十分重要。自1960年以來，雷射都卜勒技術由於在測量中具有高空間和時間解析度，不接觸、擾動被測物體等優點而備受矚目。自從1964年發表了第I篇關於雷射都卜勒測速的論文後，該技術立即受到各方重視並進行了大量的理論和實驗研究，取得了顯著成果，如今，雷射都卜勒測速技術以及由其發展而來的測振技術已成為科學技術及許多行業中不可缺少的檢測方法。
[0003]目前，雷射都卜勒測速多採用外差雷射幹涉光路，用分光鏡將雷射源發出的頻率為f的光束分為參考光和測量光兩部分，測量光入射到被測的振動物體表面，其反射光產生都卜勒頻移△ f。為了確定被測物體的振動方向，在參考光路中使用聲光調製器來對參考光進行移頻，產生fd的頻率偏移量。採用光學元件將參考光與測量光合併從而產生幹涉，幹涉光由光電探測器進行接收並向信號處理器輸出包含頻率分量(fd+Af)的調製信號，然後將其進行混頻、濾波處理後送入計算單元解調出Af。
[0004]上述方法中對參考光進行移頻時由於採用的是聲光調製器，因此頻移量fd —般比較大，通常大於數十MHz量級。因此當由於速度較低而導致Af較小時，現有的外差雷射測振儀會存在測量精度不高的問題。此外，由於聲光調製器中對參考光進行移頻以及在信號處理過程中對調製信號進行混頻時都要用到晶振信號，而晶振會受到溫度、磁場等環境因素影響，其相應的振蕩頻率會產生誤差f』和f』』，從而給測量結果Af?帶來誤差，當Af與(f』 _f』』)接近時，這種影響`因素變大，從而使測量結果誤差增大。
[0005]因此，希望提供一種可進一步提高外差雷射測振儀的精度，並使其在低頻振動對象測量領域也能具有很高測量精度的新型雷射外差幹涉測振儀。為此，本發明提出了一種新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，並採用相位測量方法解調△ f信號，可以解決上述問題。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是克服現有技術的不足，提供了一種新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，採用外差幹涉光路，穩定性好，且兩個頻率分量都參與了測量，頻差變化了 2 A f,相當於測量精度提高了 I倍，並採用相位測量方法解調頻差變化信號，解決了目前常用的外差雷射測振儀在低頻振動對象測量時精度不高的問題，且相位測量可以進一步提聞雷射測振精度。
[0007]本發明的技術解決方案是:
[0008]一種新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，包括:雙頻雷射源(101)、第一半透半反鏡(102)、第二半透半反鏡(103)、待測樣品(104)、半波片(105)、全反射鏡(106)、第三半透半反鏡(107)、偏振分光鏡(108)、第一探測器(109)、第二探測器(110)、相位測量儀(111)；
[0009]其特徵在於:雙頻雷射源(101)發出的光具有一對相互正交的線偏振態，兩個線偏振態fl和f2的頻率差值在IOOkHz-1OOMHz之間。第一半透半反鏡(102)將雙頻雷射源
(101)發出的光分為均含有fl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)，透射光進入後續測量光路。第二半透半反鏡(103)的部分透射來自第一半透半反鏡(102)含有fl和f2頻率分量的光束，並部分反射從待測樣品(104)表面反射回的光束。由於都卜勒效應，從待測樣品(104)表面反射回的光束其頻率分量變為(fl+ A f )和(f2+A f)。半波片(105)位於第二半透半反鏡(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)反射的光束經過半波片(105)後，原偏振分量均發生90°旋轉，偏振狀態變為平行分量為(f2+Af)而垂直分量為(fl+AfX第三半透半反鏡(107)將從全反射鏡(106)反射並透射通過它的光束與從第一半透半反鏡(102)及它反射的光束合併形成一束光。此時光束的平行偏振態含有fl和(f2+ A f)兩個頻率分量而垂直偏振態含有(fl+ A f)和f2兩個頻率分量。偏振分光鏡(108)將該光束分為兩部分，水平偏振態的兩個頻率分量透射後被第一探測器(109)接收形成頻率為(fl-f2- A f)的第一測量信號，垂直偏振態的兩個頻率分量反射後被第二探測器(110)接收形成頻率為(fl-f2+Af)的第二測量信號。相位測量儀(111)接收第一和第二測量信號，測量二者由於頻差變化2 A f引起的的相位差變化
[0010]本發明的工作原理是:
[0011]請參閱附圖，雙頻雷射源(101)發出一對偏振相互正交的線偏振光，其平行和垂直紙面的頻率分量分別為fl和f2，光束經第一半透半反鏡(102)後被分為兩部分，兩部分光均含有fl和f2頻率分量，其中反射光入射至第三半透半反鏡(107)，透射光通過第二半透半反鏡(103)後入射至振動的待`測樣品(104)表面，由於都卜勒效應，從待測樣品(104)表面反射回的光束其頻率分量變為分別變為(fl+ A f)和(f2+ A f)，其被第二半透半反鏡(103)反射後通過一個半波片(105)，半波片(105)的快軸位置設置為與垂直方向呈45°，因此光束經過半波片(105)後，原偏振分量均發生90°旋轉，偏振狀態變為平行分量為(f2+ A f)而垂直分量為(fl+ A f)，光束繼續入射到全反射鏡(106)，被其反射並透射通過第三半透半反鏡(107)，與被第三半透半反鏡(107)反射的來自第一半透半反鏡(102)含有fl、f2頻率分量的光束合併形成一束光，此時平行偏振態含有H和(f2+ A f)兩個頻率分量而垂直偏振態含有(fl+ A f)和f2兩個頻率分量，該光束入射至偏振分光鏡(108)後被分為兩部分，水平偏振態的兩個頻率分量透射後被第一探測器(109)接收形成頻率為(fl-f2-Af)的第一測量信號，垂直偏振態的兩個頻率分量反射後被第二探測器(110)接收形成頻率為(fl-f2+ A f)的第二測量信號，兩路測量信號送入相位測量儀(111)得到二者由於頻差變化2 Af?引起的相位差變化A Cj5，從而測得待測樣品(104)的振動速度、頻率等參數。
[0012]本發明與以前技術相比的優勢在於，採用雙頻雷射器直接輸出兩個具有一定頻差的分量，避免了採用聲光調製器來獲得參考信號的頻移量，與聲光調製器產生的頻移量較大相比，本發明的頻差值可以較小，因此對低頻振動對象的測量也能具有很高精度。而且光路中兩個頻率分量都參與了測量，頻差變化了 2 A f，相當於測量精度提高了 I倍。採用的相位測量避免了以前技術採用的混頻、濾波手段，信號處理過程更簡單，而且相位測量精度更高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]附圖為本發明一種新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路的原理圖。
【具體實施方式】
[0014]請參閱附圖，雙頻雷射源(101)採用頻差為3MHz的橫向塞曼雙頻雷射器，發出一對偏振相互正交的波長為633nm的線偏振光,其平行和垂直紙面的頻率分量分別為fl和f2，頻差為5MHz。第一半透半反鏡(102)為鍍有半透膜的k9光學玻璃，光束經(102)後被分為兩部分，兩部分光均含有fl和f2頻率分量。其中反射光入射至第三半透半反鏡(107)，(107)為與(102)相同的產品，透射光通過第二半透半反鏡(103)後入射至振動的待測樣品(104)表面，(103)也為與(102)相同的產品，(104)採用由壓電陶瓷驅動的薄鋼片，振動頻率設置為500KHz。由於都卜勒效應，從(104)表面反射回的光束其頻率分量變為分別變為(fl+0.5MHz)和(f2+0.5MHz)，其被(103)反射後通過一個高精度商用半波片(105)，( 105)的快軸位置設置為與垂直方向呈45°，因此光束經過半波片(105)後，原偏振分量均發生90°旋轉，偏振狀態變為平行分量為(f2+0.5MHz)而垂直分量為(fl+0.5MHz)。光束繼續入射到商用高反射鏡(106)，被其反射並透射通過(107)，與被(107)反射的來自第(102)含有
H、f2頻率分量的光束合併形成一束光，此時平行偏振態含有H和(f2+0.5MHz)兩個頻率分量而垂直偏振態含有(fl+0.5MHz)和f2兩個頻率分量。偏振分光鏡(108)採用ZF玻璃並鍍有偏振分光介質膜，該光束入射至(108)後被分為兩部分，水平偏振態的兩個頻率分量透射後被第一探測器(109)接收形成頻率為(3-0.5MHz)的第一測量信號，垂直偏振態的兩個頻率分量反射後被第二探測器(110)接收形成頻率為(3+0.5MHz )的第二測量信號，(109)和(110)均為通用的商用光電探測器。兩路測量信號送入一個解析度為0.01度的相位測量儀(111)，(111)測得由於頻差變化IMHz引起的的相位差變化A小，從而測得(104)的振動頻率參數。
【權利要求】
1.一種新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，包括:雙頻雷射源(101)、第一半透半反鏡(102)、第二半透半反鏡(103)、待測樣品(104)、半波片(105)、全反射鏡(106)、第三半透半反鏡(107)、偏振分光鏡(108)、第一探測器(109)、第二探測器(110)、相位測量儀(111);其特徵在於: 雙頻雷射源(101)發出一對偏振相互正交的線偏振光,其平行和垂直紙面的頻率分量分別為n和f2，光束經第一半透半反鏡(102)後被分為兩部分，兩部分光均含有n和f2頻率分量，其中反射光入射至第三半透半反鏡(107)，透射光通過第二半透半反鏡(103)後入射至振動的待測樣品(104)表面；由於都卜勒效應，從待測樣品(104)表面反射回的光束其頻率分量變為分別變為(fl+ A f)和(f2+ A f),反射光被第二半透半反鏡(103)反射後通過一個半波片(105)，半波片(105)的快軸位置設置為與垂直方向呈45°，因此光束經過半波片(105)後，原偏振分量均發生90°旋轉，偏振狀態變為平行分量為(f2+ A f)而垂直分量為(fl+ A f);光束繼續入射到全反射鏡(106)，被其反射並透射通過第三半透半反鏡(107)，與被第三半透半反鏡(107)反射的來自第一半透半反鏡(102)含有H、f2頻率分量的光束合併形成一束光，此時平行偏振態含有fl和(f2+ A f)兩個頻率分量而垂直偏振態含有(fI+A f)和f2兩個頻率分量；該光束入射至偏振分光鏡(108)後被分為兩部分，水平偏振態的兩個頻率分量透射後被第一探測器(109)接收形成頻率為(fl-f2-Af)的第一測量信號，垂直偏振態的兩個頻率分量反射後被第二探測器(110)接收形成頻率為(fl-f2+Af)的第二測量信號，兩路測量信號送入相位測量儀(111)得到二者由於頻差變化2 Af?引起的相位差變化A Cj5，從而測得待測樣品(104)的振動速度、頻率等參數。
2.如權利要求1所述的新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，其特徵在於:所述雙頻雷射源(101)發出的光具有一對相互正交的線偏振態，兩個線偏振態n和f2的頻率差值在IOOkHz-1OOMHz之間。
3.如權利要求1所述的新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，其特徵在於:所述第一半透半反鏡(102)將雙頻雷射源(101)發出的光分為均含有n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)，透射光進入後續測量光路。
4.如權利要求1所述的新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，其特徵在於:所述第二半透半反鏡(103)的作用是部分透射來自第一半透半反鏡(102)含有n和f2頻率分量的光束，以及部分反射從待測樣品(104)表面反射回的含有(fl+ A f)和(f2+A f)頻率分量的光束。
5.如權利要求1所述的新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，其特徵在於:從所述待測振動樣品(104)表面反射回的光束其頻率分量由於都卜勒效應變為(fl+ A f)和(f2+ A f)0
6.如權利要求1所述的新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，其特徵在於:所述半波片(105)位於第二半透半反鏡(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)反射的光束經過半波片(105)後，原偏振分量均發生90°旋轉,偏振狀態變為平行分量為(f2+ A f)而垂直分量為(fl+ A f)。
7.如權利要求1所述的新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，其特徵在於:所述第三半透半反鏡(107)將從全反射鏡(106)反射並透射通過它的含平行分量為(€2+厶0、垂直分量為(0+厶0的光束與從第一半透半反鏡(102)及它反射的含平行分量為H、垂直分量為f2的光束合併形成一束光。
8.如權利要求1所述的新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，其特徵在於:所述偏振分光鏡(108 )將來自於第三半透半反鏡(107 )的光束分為兩部分，水平偏振態的兩個頻率分量透射後被第一探測器(109)接收形成頻率為(fl-f2-Af)的第一測量信號，垂直偏振態的兩個頻率分量反射後被第二探測器(110)接收形成頻率為(fl_f2+ A f)的第二測量信號。
9.如權利要求1所述的新型高精度雙頻同時測量雷射外差幹涉相位測振光路，其特徵在於:所述相位測量儀(111)接收第一和第二測量信號，測量二者由於頻差變化2 A f?引起的的相位差變化
【文檔編號】G01H9/00GK103499385SQ201310452081
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月25日 優先權日:2013年9月25日
【發明者】陳強華, 劉景海, 何永熹, 羅會甫, 蔣弘, 吳健, 王 鋒 申請人:北京理工大學