一種微小光程差測量系統的製作方法

2023-08-07 19:53:11

專利名稱:一種微小光程差測量系統的製作方法
屬於物理學領域中一種光學計量測試裝置〔GO1J9/00〕。它是一種通過測量雙穩頻雙頻雷射的光拍相位變化來測量1
～一個光波長範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雷射測量光滑表面粗糙度的裝置〔App1.Opt.，1981，20，No4(Feh)，610〕。其概要如圖1所示。雷射器〔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，通過渥拉斯頓稜鏡〔5〕將二差頻光分開一小角度，經顯微鏡〔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〕和渥拉斯頓稜鏡〔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鑑相器〔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-可得其表面粗糙度。該裝置採用縱向塞曼效應穩頻的雙頻雷射，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，但其採用的雷射光頻穩定度較低，測量光路中二差頻光分離後的程差允許值較小(約0.1mm)，加上光路布置狹限，故其用途十分局限。此外，該裝置還存在所用的雙頻雷射頻差較大，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，並克服其在技術上的某些缺欠，構成一種能測量1
～一個光波長範圍內微小光程差的、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雷射源，共程光路，非共程光路，光混頻器和信號處理系統組成。
雙頻雷射源〔1〕選用雙穩頻雙頻雷射器，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〕的後焦面重合。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-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〕位於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〕上重新會合後，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〕的反射光方向前後平移;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。
由雙頻雷射源〔1〕發出的具有上述性能的雙頻雷射，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〕輸出頻率為雙頻雷射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〕重新會合後，經過有適當焦距的會聚透鏡〔21〕，會聚於光敏面與透鏡〔21〕後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，並送入相位計〔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。
上述系統正常工作的主要條件是非共程光路中二支臂光路的光程差應與所選用的雷射光頻穩定度相適應;測量時的環境條件須適當穩定。
本發明的效果如下1、由於選用了較高光頻穩定度的雙頻雷射，因而增大了非共程光路中二支臂光路的程差允許值。在保證系統具有1
程差靈敏度的前提下，對應1×10-8～5×10-11之間的光頻穩定度，二支臂光路的程差允許值為0.4～80mm之間。這樣，一方面降低了光學系統設計、加工要求，使光學系統的裝調容易;同時，也允許在二支臂光路調到大體等程的情況下，在任一支臂光路中直接插入光程值為上述允許值以內的被測件。
2、由於選用了較小的雙頻雷射的頻差值，因而降低了穩定度的要求;也降低了處理拍頻信號有關電子線路的頻響要求;又放寬了共程光路程長與非共程光路平均程長之差的允許變化值，對應30KHZ～150KHZ之間的差頻值，此程長差的允許變化值為30mm～6mm之間。
3、由於非共程光路採用雙臂可調程平行光路結構，一是擴大了系統的用途(詳見後)，二是當光路中插入透明被測件時，可以通過沿平面反射鏡〔14〕的反射光方向同步移動反射鏡〔18〕和合束器〔15〕，來調整二支臂光路的光程差，使其小於由實際採用的雷射光頻穩定度所決定的允許值，以保證系統正常工作和給定的精度。而且，這種調程方法可以保證合束後光束傳播方向不變，同時由於二支臂光程一增一減，因而調程效果顯著，機械行程小。
4、由於在非共程光路的一個支臂中置入電光移相器，因此，在每次測量前，可用給它施加一定電壓來檢驗光路調程是否合乎要求以及系統工作是否正常;也可根據需要，用它來方便而精確地調節二拍頻信號的初相位差。即光電移相器可作為系統工作的校驗器，也可作為初相位差的調節器。此外，把二光混頻器光敏面置於會聚透鏡的焦面，是為減小高斯光束混頻特有的附加相位的影響。
上述測量系統可具有1
的程差測量靈敏度，可測量1
～一個光波長範圍內多種情況下的微小光程差。
本發明的最佳實例，如圖2所示。
雙頻雷射源〔1〕可選用利用橫向塞曼效應穩頻的He-Ne雙頻雷射器，它由穩頻器〔2〕實現雙穩頻的要求，該雷射器輸出的π、σ光為共線傳播的二正交線偏振光，波長為6328
。其光頻穩定度可為1×10-10，頻差值可取在60KHZ左右，差頻穩定度可取1×10-5。雷射束經擴束鏡〔3〕，小孔光闌〔4〕後，由分束器〔5〕分成一定強度比的兩路光。由分束器〔5〕反射的一路，經過可變衰減片〔6〕與45°放置的偏振片〔7〕，由聚焦透鏡〔8〕將光束會聚到其前面置有小孔光闌〔9〕的光混頻器〔10〕上，以上為共程光路。由分束器〔5〕透射的一路，經前面敘述過的非共程光路，重新會合後，也經過一可變衰減片〔19〕，45°放置的偏振片〔20〕，由會聚透鏡〔21〕投到其前面置有小孔光闌〔22〕的光混頻器〔23〕上，由光混頻器〔10〕和〔23〕輸出的二拍頻信號進入前面敘述過的信號處理系統，過程不再重述。
光學系統中，二可變衰減片〔6〕和〔19〕可用可變中性濾光片;二光混頻器〔10〕、〔23〕可用低噪聲光電倍增管;偏振分束器〔11〕可用一底面鍍偏振分光膜的稜鏡對;合束器〔15〕可用一底面鍍半透析光膜的稜鏡對;電光移相器〔16〕可用LiNbO3X軸加電場的橫向結構。在機械結構上，平面反射鏡組〔13〕、〔14〕固聯;反射鏡〔18〕和合束器〔15〕固聯，並均可沿反射鏡〔14〕的反射光方向一起平移。移動時，應有小的摩擦力，而且應有鎖緊機構可使其與底座固死。為保證系統有1
的程差測量靈敏度，信號處理系統中的相位計應有0.05°的鑑相精度;輸入相位計的二拍頻信號的諧波成分與噪聲之和對基波成分的比應小於0.08%，滿足這兩項要求的電子學裝置可以自制也可以市購。
環境條件的不穩定性將影響系統的穩定性，因此，環境條件需嚴格穩定，包括恆溫、恆溫、減震，氣閉等，具體達到的穩定程度隨測量對象不同而異，但均可由監測本系統的靜態輸出的穩定性決定之，如採用計算機快速取樣，可大大減小環境不穩定性的影響。
本發明是一種具有多種用途功能的測量1
～一個光波長範圍內微小光程差的測量系統。如果把一產生微小位移的機構(如壓電陶瓷，壓電晶體，磁致伸縮體，或微小變形體等)直接與非共程光路中的反射鏡組〔13〕、〔14〕固聯;或者把一微小角度變化量轉化成為微小位移量後再與此反射鏡組固聯，並推動其沿反射鏡〔14〕的反射光方向平移，則可測量在1
～一個光波長範圍的微小位移;或相對應的微小角度量，並可記錄其變化過程。如果在非共程光路的任一支臂光路中插入一透明體，則可測出該透明體由於各種物理效應所引起的微小折射率變化或微小變形產生的1
～一個波長範圍內微小光程變化。如果沿垂直光行方向平移該透明體，則可以1
的程差靈敏度測出其在移動方向上的光程差分布。
本發明的用途最佳實施例，如圖2所示。
1、壓電陶瓷位移-電壓曲線的測量將壓電陶瓷〔31〕的一端與反射鏡組〔13〕、〔14〕固聯，另一端與基座固死。把壓電陶瓷上施加的電壓分接到X-Y記錄儀〔30〕的X軸，相位計〔26〕的輸出接X-Y記錄儀的Y軸，則當連續改變壓電陶瓷上所加電壓時，X-Y記錄儀可以1
的位移靈敏度畫出其位移一電壓響應曲線;並可求其機電轉換係數。
2、電光移相器程差一電壓曲線的測量將電光移相器〔16〕和光程補償器〔12〕分別放入二不同支臂光路中，調整二支臂光路的程差使其小於所用雷射光頻穩定度所決定的程差允許值。調整電光移相器的感應軸與所在光路中光場的振動方向一致。將電光移相器上施加的電壓分接到X-Y記錄儀〔30〕的X軸，將相位計〔26〕的輸出接X-Y記錄儀的Y軸，則當連續改變加到電光移相器上的電壓時，記錄儀可以1
的程差靈敏度畫出電光移相器的程差一電壓曲線;並可精確求出其半波電壓。
3、光學材料光學均勻性的高精度檢測將欲測光學材料製成光學平行平板，經幹涉儀檢查，在欲測面積內光程不均勻性在一個光波長以內，然後將平行平板〔32〕置於一支臂光路內，調整二支臂光路的光程差，使其小於所用雷射光頻穩定度所決定的程差允許值。沿垂直光路方向直線移動平行平板，則可測出沿光移動路經上的光程不均勻性。如在垂直於上述移動方向上平移平行平板後，再沿上述移動方向移動平行平板，並如此多次移動測量，則可得到靈敏度為1
的光學不均勻性分布圖。
權利要求
1.一種微小光程差測量系統，是由雙頻雷射源，共程光路、非共程光路、光混頻器和信號處理系統組成。其特徵在於非共程光路採用雙臂可調程平行光路結構；並在此光路中置入電光移相器和光程補償器。
2.按權利要求
1所述的測量系統，其特徵在於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。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，而且對二不同頻率光均為45°入射，合束器〔15〕位於二不同頻率光重新會合處，而且其分光面對二不同頻率光也均呈45°入射。反射鏡組〔13〕、〔14〕可以一起沿反射鏡〔14〕反射光方向前後平移;反射鏡〔18〕和合束器〔15〕也可以沿上述方向一起平移。
3.按權利要求
1所述的測量系統，其特徵在於所選用的雙頻雷射源發出的雙頻雷射具有如下性能參數其光頻穩定度可在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。
4.按權利要求
1所述的測量系統，其特徵在於，在非共程光路的任一支臂光路中插入電光移相器〔16〕，而在另一支臂光路中插入與電光移相器等光程的光程補償器〔12〕。
5.按權利要求
1所述的測量系統，其特徵在於，共程光路中和非共程光路後的兩個光混頻器〔10〕、〔23〕前面分別加入一適當焦距的會聚透鏡〔8〕和〔12〕並使光混頻器的光敏面與會聚透鏡的後焦面重合。
6.一種微小光程差測量系統的用途，其特徵在於如果把一產生微小位移機構(如壓電陶瓷、壓電晶體、磁致伸縮體或微小變形體等)直接與非共程光路中的反射鏡組〔13〕、〔14〕固聯;或者把一微小角度變化量轉化成為微小位移量後再與此反射鏡組固聯，並推動其沿反射鏡〔14〕的反射光方向平移，則可測量其在1
～一個光波長範圍的微小位移;或相對應的微小角度量，並可記錄其變化過程。如果在非共程光路中的任一支臂光路中插入透明體，則可測出該透明體由於各種物理效應所引起的微小折射率變化或微小變形產生的1
～一個光波長範圍內微小光程變化。如果沿垂直光行方向平移透明體，則可以1
的程差靈敏度測出其在移動方向上的光程差分布。
專利摘要
一種微小光程差測量系統。
文檔編號G01J9/04GK85102287SQ85102287
公開日1986年8月6日 申請日期1985年4月1日
發明者徐炳德 申請人:中國科學院長春光學精密機械研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan