專利名稱:一種微小光程差測量系統(tǒng)的制作方法
屬于物理學(xué)領(lǐng)域中一種光學(xué)計(jì)量測試裝置〔GO1J9/00〕。它是一種通過測量雙穩(wěn)頻雙頻激光的光拍相位變化來測量1
～一個(gè)光波長范圍內(nèi)微小光程差的光電系統(tǒng)。
本發(fā)明前，已有一種利用光頻和差頻均有一定穩(wěn)定度的雙頻激光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。激光器〔1〕輸出的二差頻光經(jīng)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(jīng)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(xué)移相器〔3〕來調(diào)節(jié)。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(jīng)顯微鏡〔6〕將二差頻光分別聚焦到其焦面上的可旋轉(zhuǎn)被測表面〔7〕的兩點(diǎn)上，其中一點(diǎn)與被測表面的旋轉(zhuǎn)中心相重合。利用焦面上對稱反射，二差頻光返經(jīng)顯微物鏡〔6〕和渥拉斯頓稜鏡〔5〕重新會(huì)合，再經(jīng)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(dāng)被測表面旋轉(zhuǎn)時(shí)，即可測出表面的相對高度差-可得其表面粗糙度。該裝置采用縱向塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻的雙頻激光，其光頻穩(wěn)定度為2×10-8，差頻穩(wěn)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(wěn)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)，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激光頻差較大，因而對差頻穩(wěn)定度和電子學(xué)系統(tǒng)的頻響要求較高等問題。
本發(fā)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(shù)上的某些缺欠，構(gòu)成一種能測量1
～一個(gè)光波長范圍內(nèi)微小光程差的、具有多種新用途功能的、技術(shù)上要求相對較低又使用方便的高精度測量系統(tǒng)。
本發(fā)明的構(gòu)成，如圖2所示。整個(gè)測量系統(tǒng)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(tǒng)組成。
雙頻激光源〔1〕選用雙穩(wěn)頻雙頻激光器，由它發(fā)出的二不同頻率光是共線傳播的，但具有不同的偏振狀態(tài)。其光頻穩(wěn)定度可在1×10-8～5×10-11之間。頻差值可在30KHZ～150KHZ之間，差頻穩(wěn)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(dāng)焦距的會(huì)聚透鏡〔8〕，而光混頻器〔10〕的光敏面與會(huì)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-構(gòu)成一雙臂可調(diào)程平行光路。具有一定頻差和不同偏振態(tài)的二不同頻率光經(jīng)偏振分束器〔11〕分離為成90°角的兩個(gè)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(huì)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(jīng)過二支臂光路在合束器〔15〕上重新會(huì)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(bǔ)償器〔12〕，此二者的光程值是相等的。
由雙頻激光源〔1〕發(fā)出的具有上述性能的雙頻激光，經(jīng)分束器〔5〕分成具有適當(dāng)強(qiáng)度比的兩束光。由分束器〔5〕反射的一路，經(jīng)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(jīng)分束器〔5〕透過的一路，經(jīng)上述非共程光路，在合束器〔15〕重新會(huì)合后，經(jīng)過有適當(dāng)焦距的會(huì)聚透鏡〔21〕，會(huì)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(diào)節(jié)。如果在非共程光路中任一支臂光路內(nèi)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(zhuǎn)變?yōu)榉枪渤膛念l信號的相位變化。此二拍頻信號分別經(jīng)過放大濾波器〔24〕、〔25〕進(jìn)行放大、濾波、整形，并送入相位計(jì)〔26〕比較其相位，即可測出欲測的微小光程差。根據(jù)實(shí)際需要，相位計(jì)〔26〕的輸出信號即可以通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換器〔27〕，由數(shù)字顯示器〔28〕給出數(shù)字結(jié)果;也可以由記錄儀〔30〕直接記錄;或者接入微型計(jì)算機(jī)〔29〕進(jìn)行處理。以上從〔24〕到〔30〕均屬信號處理系統(tǒng)。
上述系統(tǒng)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(yīng)與所選用的激光光頻穩(wěn)定度相適應(yīng);測量時(shí)的環(huán)境條件須適當(dāng)穩(wěn)定。
本發(fā)明的效果如下1、由于選用了較高光頻穩(wěn)定度的雙頻激光，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(tǒng)具有1
程差靈敏度的前提下，對應(yīng)1×10-8～5×10-11之間的光頻穩(wěn)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加工要求，使光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)容易;同時(shí)，也允許在二支臂光路調(diào)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(nèi)的被測件。
2、由于選用了較小的雙頻激光的頻差值，因而降低了穩(wěn)定度的要求;也降低了處理拍頻信號有關(guān)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(yīng)30KHZ～150KHZ之間的差頻值，此程長差的允許變化值為30mm～6mm之間。
3、由于非共程光路采用雙臂可調(diào)程平行光路結(jié)構(gòu)，一是擴(kuò)大了系統(tǒng)的用途(詳見后)，二是當(dāng)光路中插入透明被測件時(shí)，可以通過沿平面反射鏡〔14〕的反射光方向同步移動(dòng)反射鏡〔18〕和合束器〔15〕，來調(diào)整二支臂光路的光程差，使其小于由實(shí)際采用的激光光頻穩(wěn)定度所決定的允許值，以保證系統(tǒng)正常工作和給定的精度。而且，這種調(diào)程方法可以保證合束后光束傳播方向不變，同時(shí)由于二支臂光程一增一減，因而調(diào)程效果顯著，機(jī)械行程小。
4、由于在非共程光路的一個(gè)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(yàn)光路調(diào)程是否合乎要求以及系統(tǒng)工作是否正常;也可根據(jù)需要，用它來方便而精確地調(diào)節(jié)二拍頻信號的初相位差。即光電移相器可作為系統(tǒng)工作的校驗(yàn)器，也可作為初相位差的調(diào)節(jié)器。此外，把二光混頻器光敏面置于會(huì)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(tǒng)可具有1
的程差測量靈敏度，可測量1
～一個(gè)光波長范圍內(nèi)多種情況下的微小光程差。
本發(fā)明的最佳實(shí)例，如圖2所示。
雙頻激光源〔1〕可選用利用橫向塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻的He-Ne雙頻激光器，它由穩(wěn)頻器〔2〕實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)頻的要求，該激光器輸出的π、σ光為共線傳播的二正交線偏振光，波長為6328
。其光頻穩(wěn)定度可為1×10-10，頻差值可取在60KHZ左右，差頻穩(wěn)定度可取1×10-5。激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡〔3〕，小孔光闌〔4〕后，由分束器〔5〕分成一定強(qiáng)度比的兩路光。由分束器〔5〕反射的一路，經(jīng)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(huì)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(jīng)前面敘述過的非共程光路，重新會(huì)合后，也經(jīng)過一可變衰減片〔19〕，45°放置的偏振片〔20〕，由會(huì)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(jìn)入前面敘述過的信號處理系統(tǒng)，過程不再重述。
光學(xué)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，平面反射鏡組〔13〕、〔14〕固聯(lián);反射鏡〔18〕和合束器〔15〕固聯(lián)，并均可沿反射鏡〔14〕的反射光方向一起平移。移動(dòng)時(shí)，應(yīng)有小的摩擦力，而且應(yīng)有鎖緊機(jī)構(gòu)可使其與底座固死。為保證系統(tǒng)有1
的程差測量靈敏度，信號處理系統(tǒng)中的相位計(jì)應(yīng)有0.05°的鑒相精度;輸入相位計(jì)的二拍頻信號的諧波成分與噪聲之和對基波成分的比應(yīng)小于0.08%，滿足這兩項(xiàng)要求的電子學(xué)裝置可以自制也可以市購。
環(huán)境條件的不穩(wěn)定性將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，環(huán)境條件需嚴(yán)格穩(wěn)定，包括恒溫、恒溫、減震，氣閉等，具體達(dá)到的穩(wěn)定程度隨測量對象不同而異，但均可由監(jiān)測本系統(tǒng)的靜態(tài)輸出的穩(wěn)定性決定之，如采用計(jì)算機(jī)快速取樣，可大大減小環(huán)境不穩(wěn)定性的影響。
本發(fā)明是一種具有多種用途功能的測量1
～一個(gè)光波長范圍內(nèi)微小光程差的測量系統(tǒng)。如果把一產(chǎn)生微小位移的機(jī)構(gòu)(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(lián);或者把一微小角度變化量轉(zhuǎn)化成為微小位移量后再與此反射鏡組固聯(lián)，并推動(dòng)其沿反射鏡〔14〕的反射光方向平移，則可測量在1
～一個(gè)光波長范圍的微小位移;或相對應(yīng)的微小角度量，并可記錄其變化過程。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于各種物理效應(yīng)所引起的微小折射率變化或微小變形產(chǎn)生的1
～一個(gè)波長范圍內(nèi)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(dòng)方向上的光程差分布。
本發(fā)明的用途最佳實(shí)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(lián)，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(jì)〔26〕的輸出接X-Y記錄儀的Y軸，則當(dāng)連續(xù)改變壓電陶瓷上所加電壓時(shí)，X-Y記錄儀可以1
的位移靈敏度畫出其位移一電壓響應(yīng)曲線;并可求其機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)。
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(bǔ)償器〔12〕分別放入二不同支臂光路中，調(diào)整二支臂光路的程差使其小于所用激光光頻穩(wěn)定度所決定的程差允許值。調(diào)整電光移相器的感應(yīng)軸與所在光路中光場的振動(dòng)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(jì)〔26〕的輸出接X-Y記錄儀的Y軸，則當(dāng)連續(xù)改變加到電光移相器上的電壓時(shí)，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;并可精確求出其半波電壓。
3、光學(xué)材料光學(xué)均勻性的高精度檢測將欲測光學(xué)材料制成光學(xué)平行平板，經(jīng)干涉儀檢查，在欲測面積內(nèi)光程不均勻性在一個(gè)光波長以內(nèi)，然后將平行平板〔32〕置于一支臂光路內(nèi)，調(diào)整二支臂光路的光程差，使其小于所用激光光頻穩(wěn)定度所決定的程差允許值。沿垂直光路方向直線移動(dòng)平行平板，則可測出沿光移動(dòng)路經(jīng)上的光程不均勻性。如在垂直于上述移動(dòng)方向上平移平行平板后，再沿上述移動(dòng)方向移動(dòng)平行平板，并如此多次移動(dòng)測量，則可得到靈敏度為1
的光學(xué)不均勻性分布圖。
權(quán)利要求
1.一種微小光程差測量系統(tǒng)，是由雙頻激光源，共程光路、非共程光路、光混頻器和信號處理系統(tǒng)組成。其特征在于非共程光路采用雙臂可調(diào)程平行光路結(jié)構(gòu)；并在此光路中置入電光移相器和光程補(bǔ)償器。
2.按權(quán)利要求
1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于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(jīng)偏振分束器〔11〕分離為成90°角的兩個(gè)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〕位于二不同頻率光重新會(huì)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〕反射光方向前后平移;反射鏡〔18〕和合束器〔15〕也可以沿上述方向一起平移。
3.按權(quán)利要求
1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于所選用的雙頻激光源發(fā)出的雙頻激光具有如下性能參數(shù)其光頻穩(wěn)定度可在1×10-8～5×10-11之間，頻差值可在30KHZ～150KHZ之間，差頻穩(wěn)定度可在1×10-4～1×10-6之間。
4.按權(quán)利要求
1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，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(bǔ)償器〔12〕。
5.按權(quán)利要求
1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，共程光路中和非共程光路后的兩個(gè)光混頻器〔10〕、〔23〕前面分別加入一適當(dāng)焦距的會(huì)聚透鏡〔8〕和〔12〕并使光混頻器的光敏面與會(huì)聚透鏡的后焦面重合。
6.一種微小光程差測量系統(tǒng)的用途，其特征在于如果把一產(chǎn)生微小位移機(jī)構(gòu)(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(lián);或者把一微小角度變化量轉(zhuǎn)化成為微小位移量后再與此反射鏡組固聯(lián)，并推動(dòng)其沿反射鏡〔14〕的反射光方向平移，則可測量其在1
～一個(gè)光波長范圍的微小位移;或相對應(yīng)的微小角度量，并可記錄其變化過程。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于各種物理效應(yīng)所引起的微小折射率變化或微小變形產(chǎn)生的1
～一個(gè)光波長范圍內(nèi)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(dòng)方向上的光程差分布。
專利摘要
一種微小光程差測量系統(tǒng)。
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(fā)明者徐炳德 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan