用半導體雷射器的微小位移幹涉測量儀的製作方法

2023-05-07 14:11:51 2

專利名稱：用半導體雷射器的微小位移幹涉測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及到微小位移幹涉測量儀，特別是涉及到使用正弦相位調製的半導體雷射器的微小位移幹涉測量儀。
由於半導體雷射器(以下簡稱為LD)波長的溫度穩定性得到較好的解決，半導體雷射幹涉儀正在被廣泛地研究開發。LD除體積小、用電省、價格低外，一個突出的優點是波長調製簡便。這使得能提高測量精度的光外差技術在半導體雷射幹涉儀中可以簡單地通過直接調製LD的注入電流來實現。日本新瀉(Niigata)大學的佐佐木修己(Osami Sasaki)先生等提出了一種用於測量微小位移的正弦相位調製半導體雷射幹涉儀，(參見已有技術[1]Osami Sasaki，Kazuhide Takahashi，andTakamasa Suzuki，「Sinusoidal phase modulating laser diode interferometer with afeedback control system to eliminate external disturbance，」Opt．Eng．，1990，29(12)，1511-1515．)此幹涉儀如

圖1所示。以半導體雷射器作為原光源1發出的光束由第一透鏡2準直為平行光束，由分束器3反射的反射光束f照射到參考鏡4上，透過分束器3的透射光束t照射到被測物體5上，參考鏡4、被測物體5的反射光束產生的幹涉信號由接收元件6轉換為電信號，經模數轉換器7轉換為數位訊號後送入計算機8進行數據處理。與原光源1連接的驅動器9分別與第一直流電源10和正弦信號發生器11連接。向原光源1注入一個正弦電流信號使得原光源1波長正弦變化，從而得到正弦相位調製的幹涉信號。從幹涉信號傅立葉變換後得到的頻率成分可納米精度測出被測物體5的微小位移。
向作為原光源1的半導體雷射器注入電流後，其強度和波長分別為g(t)=β1[i0+Δi(t)]，(1)λ(t)=λ0+β2Δi(t)，(2)i0與Δi(t)分別為驅動電流的直流和交流分量，β1、β2為比例常數，λ0為對應於直流分量i0的中心波長。交流分量Δi(t)=αcos(ωct+θ)。 (3)接收元件6檢測到的幹涉信號為I(t)=I0(t)+S0(t)cos[zcos(ωct+θ)+α0+α(t)]，(4)其中I0(t)與S0(t)為由於原光源1的輸出光強被調製所產生的隨時間變化的函數，z為幹涉信號相位調製的振幅，α0=2πr0／λ0，α(t)=4πr(t) /λ0，r0為被測物體5靜止時的光程差，r(t)為待測的微小位移。對式(4)進行傅立葉變換(參見已有技術[2]Osami Sasaki and Hirokazu Okazaki，「Sinusoidal phase modulating interferometerusing optical fibers for displacement measurement，」Appl．Opt．1988，27(19)，4139-4142．)求得α(t)，進而求得微小位移r(t)。
由於原光源1的光強g(t)被調製，使得I0(t)和S0(t)隨時間變化，這將影響式(4)傅立葉變換後的頻譜成分，造成測量誤差。為消除該誤差，佐佐木修己先生採用軟體的方法來補償原光源1輸出光強的變化，這種補償是在得到幹涉信號後，數據處理時實現的，僅為粗略補償，而且需根據外界條件的變化隨時對軟體進行修正。如果此幹涉儀儀器化的話，用戶根據外界條件的變化隨時修正軟體，這給正確測量造成困難。
本發明的目的為從根本上解決直接調製光源波長引起的光強度變化的補償問題，為使操作方便，測量精度高，提供一種用半導體雷射器的微小位移幹涉測量儀。
本發明的用半導體雷射器的微小位移幹涉測量儀，如圖2所示。它包括置於機殼19內的帶有第一直流電源10的原光源1的發射光束前進方向上同光軸地依次置有第一透鏡2，偏振分束器17，分束器3，參考平板18與被測物體5。在分束器3的反射光束f2上置有輸出與連接到機殼19外的計算機8上的模數轉換器7連接的接收元件6。在偏振分束器17的反射光束f1的前進方向上，依次置有第二透鏡16和調製光源15。調製光源15帶有驅動器9，驅動器9連接有第二直流電源14和移相器13。移相器13經過正弦信號發生器11與控制器12相連，控制器12連接到置於機殼19外的模數轉換器7上。
上面所說的原光源1和調製光源15均是半導體雷射器(也稱雷射二極體，簡稱為LD)。
所說的接收元件6是光電二極體，或是光電池等光電轉換器件。
所說的偏振分束器17是由能夠將偏振方向相互垂直的兩束光分開的分光元件構成的。也就是說，讓一束光透過，讓偏振方向與其垂直的另一束光被反射的分光元件構成的。如是偏振分光稜鏡，或是鍍有膜層的平行平板等。
所說的分束器3是指能夠將入射光按接近於1∶1的光強比分成兩束光的分光元件。如分光稜鏡、或一面鍍有析光膜的平行平板等所說的參考平板18是一對著分束器3一側的表面上鍍有增透膜，而另一對著被測物體5一側的表面上鍍有增反膜的平行平板。其反射率R滿足0．08＜R＜0．73，相應地透射率T滿足0．27＜T＜0．92。
如圖2所示，作為原光源1的LD由第一直流電源10驅動，使得原光源1的光強不隨時間變化，原光源1的波長由調製光源15正弦光熱效應調製。原光源1發出的光由第一透鏡2準直，透過偏振分束器17和分束器3的透射光束t1照射到參考平板18上，透過參考平板18的透射光束t2照射到被測物體5上，參考平板18和被測物體5兩者反射的光束產生的幹涉信號由接收元件6轉換為電信號，經模數轉換器7送入計算機8處理。正弦信號發生器11的信號經移相器13後進入調製原光源15的驅動器9，控制器12產生採樣觸發脈衝與採樣信號送入模數轉換器7。調製光源15發出的光由第二透鏡16準直，經偏振分束器17反射後，由第一透鏡2聚焦於原光源1上。原光源1與調製光源15發出的光的偏振方向相互垂直，偏振分束器17使原光源1的光透過而不反射到調製光源15上，同時使調製光源15的光入射到原光源1上，其中被原光源1反射的部分光束不會再通過偏振分束器17。正弦信號發生器11通過移相器13向驅動器9加入正弦信號使調製光源15的輸出光強正弦變化，此光強照射到原光源1上後，由於光熱效應，原光源1的結溫相應地正弦變化，使得原光源1的波長按正弦變化。接收元件6接收到的幹涉信號的相位被正弦調製。由於原光源1的注入電流為直流，原光源1的輸出光強不隨時間變化，因此接收元件6接收到的幹涉信號為I(t)=I0+S0cos[zcos(ωct+θ)+α0+α(t)]，(5)其中，I0與S0分別為幹涉信號直流分量與交流分量的振幅，z為幹涉信號相位調製的振幅，α0=2πr0／λ0，α(t)=4πr(t)λ0，r0為被測物體5靜止時的光程差。r(t)為待測的微小位移。對式(5)進行傅立葉變換(參見對比文獻[2]Osami Sasaki andHirokazu Okazaki，「Sinusoidal phase modulating interferometer using optical fibersfor displacement measurement，」Appl．Opt．1988，27(19)，4139-4142．)求得α(t)，r(t)=λ0α(t)／4π。(6)α(t)的測量精度達到0．01rad是較容易實現的。若採用常用的波長λ0為785nm的LD，位移的解析度為0．62nm。若α的測量精度提高到0．001rad，則解析度提高到0．062nm。
因原光源1的輸出光強度不隨時間變化，式(5)中的I0、S0為常數，從而從根本上解決了調製波長時光強變化對測量的影響。
本發明的優點有
1．提高了測量精度。已有技術中，直接調製原光源1的波長時，原光源1的輸出光強隨時間變化，影響了對幹涉信號進行傅立葉變換後得到的頻譜分布。由於位移是根據該頻譜的頻率成分求出的，因此輸出光強的變化引入了測量誤差。本發明含有調製光源15，利用光熱效應調製原光源1的波長，原光源1的輸出光強不隨時間變化，避免了該測量誤差，提高了測量精度。
2．已有技術的輸出光強變化是採用軟體方法補償的。該補償是在得到幹涉信號後，數據處理時實現的，僅為粗略補償，存在殘留誤差，而且需根據外界條件的變化隨時對軟體進行修正。本發明避免了這一補償問題。
3．就已有技術直接調製原光源1波長的幹涉測量儀來說，儀器化後，用戶必須根據外界條件的變化隨時修正軟體以補償光強變化，這給用戶正確使用該儀器帶來困難。本發明的幹涉測量儀儀器化後，不需要用戶補償，使用操作簡便。
圖1為已有技術直接調製原光源1波長的幹涉測量儀示意圖；圖2為本發明的含有調製光源15的利用光熱效應調製原光源1波長的幹涉測量儀示意圖。
實施例如圖2所示的結構。其中原光源1和調製光源15均採用波長λ0為785nm的LD。接收元件6為光電二極體。分束器3是一面鍍有析光膜的平行平板。偏振分束器17是偏振分光稜鏡。參考平板18是透射率T=0．62，反射率R=0．38。開始測量時，通過正弦信號發生器11與驅動器9來控制調製光源15的輸出光強正弦變化的幅度，使得上述式(5)中的z值約為2．34。通過調節移相器13使得上述式(5)中的θ值為0或π。z=2．34與θ=0或π時，求得的位移r(t)的精度最高。r(t)=62．47α(t)nm，當α(t)=1．0，r(t)=62．47nm。
用本發明的幹涉測量儀可以測量幅度不超過半個光源波長的位移，這個位移可以是靜止的位移或隨時間隨機變化的位移。
權利要求
1．一種用半導體雷射器的微小位移幹涉測量儀，包括#601#62帶第一直流電源(10)的原光源(1)發射光束前進的方向上同光軸地依次置有第一透鏡(2)、分束器(3)、參考平板(18)和被測物體(5)，上述各部件除被測物體(5)外均置於機殼(19)內；#602#62在分束器(3)的反射光束(f2)上置有輸出與連接到機殼(19)外的計算機(8)上的模數轉換器(7)連接的接收元件(6)；其特徵在於#603#62在第一透鏡(2)與分束器(3)之間同光軸地置有偏振分束器(17)；#604#62在偏振分束器(17)反射光束(f1)的方向上，依次置有第二透鏡(16)和調製光源(15)；#605#62調製光源(15)帶有連接有第二直流電源(14)和移相器(13)的驅動器(9)，其中移相器(13)經過正弦信號發生器(11)與連接到機殼(19)外的模數轉換器(7)的控制器(12)相連。
2．根據權利要求1所述的用半導體雷射器的微小位移幹涉測量儀，其特徵在於所說的原光源(1)和調製光源(15)均是半導體雷射器。
3．根據權利要求1所述的用半導體雷射器的微小位移幹涉測量儀，其特徵在於所說的偏振分束器(17)是由能夠將偏振方向相互垂直的兩束光分開的分光元件構成的，如是偏振分光稜鏡，或是鍍有膜層的平行平板。
4．根據權利要求1所述的用半導體雷射器的微小位移幹涉測量儀，其特徵在於所說的參考平板(18)是對著分束器(3)一側的表面上鍍有增透膜，而另一對著被測物體(5)一側的表面上鍍有增反膜的平行平板，其反射率R滿足0．08＜R＜0．73，相應地透射率T滿足0．27＜T＜0．92。
全文摘要
一種用半導體雷射器的微小位移幹涉測量儀,包括同光軸地依次置有原光源、第一透鏡、偏振分束器、分束器、參考平板和被測物體;偏振分束器反射光束的方向上置有第二透鏡和調製光源。調製光源和原光源均為半導體雷射器。原光源的波長是通過正弦信號發生器與驅動器來控制調製光源的光強正弦變化,調製光源的輸出光強加於原光源上,利用光熱效應來調製的。而原光源輸出光強不隨時間變化,避免了已有技術中的補償問題,提高了測量精度,使用操作簡便。
文檔編號G01B9/02GK1281970SQ99113908
公開日2001年1月31日 申請日期1999年7月23日 優先權日1999年7月23日
發明者王向朝, 王學鋒, 錢鋒 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所