專利名稱：激光干涉測(cè)長(zhǎng)法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種激光干涉測(cè)長(zhǎng)法，涉及一種利用半導(dǎo)體激光的調(diào)制技術(shù)，在被測(cè)長(zhǎng)度的兩個(gè)端點(diǎn)干涉測(cè)量長(zhǎng)度的方法。
在長(zhǎng)度的精密干涉測(cè)量方法中，經(jīng)典方法有邁克爾遜干涉儀，現(xiàn)代方法有雙頻激光干涉儀等。它們的相同點(diǎn)是，在測(cè)量中都要求測(cè)量元件從長(zhǎng)度的起始點(diǎn)沿直線連續(xù)移動(dòng)到終止點(diǎn)，并對(duì)移動(dòng)過(guò)程中干涉條紋的變化量進(jìn)行計(jì)數(shù)，再?gòu)母缮鏃l紋的變化量計(jì)算出長(zhǎng)度值。哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社1988年出版的《計(jì)量光學(xué)》第16章第2節(jié)340頁(yè)分析的激光干涉儀，采用的測(cè)量方法是讓激光束通過(guò)分光鏡分成兩束后，分別進(jìn)入固定的反射鏡和移動(dòng)的反射鏡，檢測(cè)移動(dòng)反射鏡從長(zhǎng)度的起始點(diǎn)沿直線連續(xù)移動(dòng)到長(zhǎng)度的終止點(diǎn)的過(guò)程中，兩個(gè)反射鏡形成的干涉條紋的變化數(shù)目，計(jì)算得到被測(cè)長(zhǎng)度值。這種測(cè)量方法要求測(cè)量元件從長(zhǎng)度的起始點(diǎn)沿直線連續(xù)移動(dòng)到終止點(diǎn)，并在移動(dòng)過(guò)程中對(duì)干涉條紋的變化數(shù)目連續(xù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，才能得到長(zhǎng)度值。其缺點(diǎn)是如果在測(cè)量元件移動(dòng)過(guò)程中，發(fā)生異物遮擋測(cè)量光線等干擾，則測(cè)量結(jié)果無(wú)效。
本發(fā)明的目的是提供一種只需要在被測(cè)長(zhǎng)度的兩個(gè)端點(diǎn)位置分別進(jìn)行干涉測(cè)量，就可得到這兩個(gè)端點(diǎn)間長(zhǎng)度值的半導(dǎo)體激光端點(diǎn)干涉測(cè)長(zhǎng)法。這種方法的測(cè)量結(jié)果只與長(zhǎng)度的兩個(gè)端點(diǎn)位置有關(guān)，而不涉及長(zhǎng)度的中間過(guò)程。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)，其步驟如下利用基準(zhǔn)電源給半導(dǎo)體激光器提供基準(zhǔn)電流，使其以基準(zhǔn)頻率和波長(zhǎng)工作。
通過(guò)比較器得到激光器的預(yù)置工作溫度和實(shí)測(cè)工作溫度之間的誤差值，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路使半導(dǎo)體致冷器件調(diào)節(jié)激光器的工作溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的自動(dòng)恒溫控制，避免測(cè)量過(guò)程中溫度變化對(duì)激光頻率和波長(zhǎng)產(chǎn)生影響。
利用鋸齒波調(diào)制電源在半導(dǎo)體激光器的基準(zhǔn)電流上迭加鋸齒波調(diào)制電流，使激光頻率ν或波長(zhǎng)λ在基準(zhǔn)值附近小范圍線性變化Δν或Δλ。
讓被調(diào)制的激光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡成為平行光束，進(jìn)入兩臂不等長(zhǎng)的干涉儀光路中，經(jīng)分光棱鏡分成兩束后，分別由干涉儀光路中短臂上位置固定的反射角錐棱鏡和干涉儀光路中長(zhǎng)臂上的反射角錐棱鏡反射后，在光電探測(cè)器相干涉形成拍頻信號(hào)。
用計(jì)數(shù)器對(duì)拍頻信號(hào)在調(diào)制期間的變化數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)。在干涉儀光路中長(zhǎng)臂上的反射角錐棱鏡分別位于被測(cè)長(zhǎng)度的兩個(gè)端點(diǎn)位置a和b處時(shí)，進(jìn)行相同頻率或波長(zhǎng)調(diào)制量的干涉測(cè)量，分別得到拍頻信號(hào)變化數(shù)目Na和Nb。
將計(jì)數(shù)器得到的拍頻信號(hào)變化數(shù)目Na和Nb送入計(jì)算機(jī)，利用下式計(jì)算出兩個(gè)端點(diǎn)a和b之間的長(zhǎng)度值SS＝k·(Nb-Na)式中的系數(shù)k為k=c2nΔν=λ22nΔλ]]>其中，c光速；n空氣折射率；Δν激光頻率的調(diào)制變化量，可采用高精度頻率測(cè)量?jī)x器測(cè)出；λ和Δλ激光基準(zhǔn)波長(zhǎng)和波長(zhǎng)的調(diào)制變化量，可用高精度波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x器測(cè)出。
本發(fā)明提出的半導(dǎo)體激光端點(diǎn)干涉測(cè)長(zhǎng)法區(qū)別于現(xiàn)有干涉測(cè)長(zhǎng)方法的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是只需要在被測(cè)長(zhǎng)度的兩個(gè)端點(diǎn)位置分別進(jìn)行干涉測(cè)量，就可以得到這兩個(gè)端點(diǎn)之間的長(zhǎng)度值，測(cè)量結(jié)果只與長(zhǎng)度的兩個(gè)端點(diǎn)位置有關(guān)，而不涉及長(zhǎng)度的中間過(guò)程。因此，這種方法抗干擾性強(qiáng)，不存在累計(jì)誤差。另外，本發(fā)明提出的半導(dǎo)體激光端點(diǎn)干涉測(cè)長(zhǎng)法采用的半導(dǎo)體激光器體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，價(jià)格低，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的激光干涉儀可以減小測(cè)量?jī)x器的體積和重量，增加使用壽命，節(jié)約成本。
下面結(jié)合附圖
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
如附圖所示，選擇單模性好(TEM00模式輸出)，穩(wěn)定性好，功率約5～20mW的半導(dǎo)體激光器10。通過(guò)直流基準(zhǔn)電源1給半導(dǎo)體激光器10提供基準(zhǔn)電流，使激光器10以基準(zhǔn)頻率ν和基準(zhǔn)波長(zhǎng)λ工作。
將溫度傳感器5檢測(cè)的激光器10的實(shí)際工作溫度與預(yù)置電路6設(shè)置的激光器10的預(yù)置工作溫度，一起送入比較器7，得出誤差值，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路8使半導(dǎo)體致冷器件9調(diào)節(jié)激光器10的工作溫度，使其自動(dòng)恒定在預(yù)置的工作溫度上，避免溫度變化影響激光頻率或波長(zhǎng)。將半導(dǎo)體激光器10、溫度傳感器5和半導(dǎo)體致冷器件9三者固定在一個(gè)恒溫小盒內(nèi)，以保證實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫控制。
將直流基準(zhǔn)電源1提供的基準(zhǔn)電流與鋸齒波調(diào)制電源2提供的調(diào)制電流，經(jīng)過(guò)加法器3迭加后，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路4驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器10工作。利用鋸齒波調(diào)制電源2對(duì)基準(zhǔn)電流作小范圍調(diào)制，使激光頻率(或波長(zhǎng))在基準(zhǔn)值附近作小范圍線性變化Δν(或Δλ)。這里，利用鋸齒波的斜邊對(duì)激光器10實(shí)行線性調(diào)制，利用鋸齒波的幅度控制調(diào)制范圍，以保證調(diào)制期間不產(chǎn)生“跳?！爆F(xiàn)象。
讓半導(dǎo)體激光器10發(fā)出的調(diào)制激光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡11成為平行光束，入射到兩臂不等長(zhǎng)的干涉儀光路中，經(jīng)分束棱鏡12被分成兩束，分別由干涉儀短臂上位置固定的反射角錐棱鏡13和干涉儀長(zhǎng)臂上位置分別置于被測(cè)長(zhǎng)度的兩個(gè)端點(diǎn)a和b處的反射角錐棱鏡14反射后，在光電探測(cè)器15相干涉形成拍頻信號(hào)。
在干涉儀光路中，短臂上的反射角錐棱鏡13的位置固定不變，當(dāng)長(zhǎng)臂上的反射角錐棱鏡14處于被測(cè)長(zhǎng)度的一個(gè)端點(diǎn)a點(diǎn)時(shí)，到達(dá)光電探測(cè)器15相干涉的兩光束的光程差為2nRa，這里的n為空氣折射率，Ra為a點(diǎn)處干涉儀光路兩臂的臂長(zhǎng)差。根據(jù)半導(dǎo)體激光器10輸出的激光基準(zhǔn)頻率ν，被調(diào)制線性變化Δν，成為(ν+Δν)的過(guò)程中，在光電探測(cè)器15相干涉的兩光束的位相差的改變量Δφa=2π(ν+Δν)c·2nRa-2πνc·2nRa]]>=2πΔνc·2nRa]]>求出a點(diǎn)處的臂長(zhǎng)差為Ra=c2nΔν·Δφa2π]]>用計(jì)數(shù)器16計(jì)出頻率線性調(diào)制變化Δν的過(guò)程中，拍頻信號(hào)的變化數(shù)目Na，根據(jù)關(guān)系式Δφa＝2πNa得到利用頻率線性調(diào)制變化Δν和相應(yīng)拍頻信號(hào)變化數(shù)目Na，求a點(diǎn)處臂長(zhǎng)差的公式Ra=c2nΔν·Na]]>根據(jù)頻率和波長(zhǎng)的關(guān)系Δν=cλ2Δλ]]>式中，Δλ為相對(duì)于頻率線性變化Δν時(shí)，波長(zhǎng)λ的線性改變量。得到利用波長(zhǎng)線性調(diào)制變化Δλ和相應(yīng)拍頻信號(hào)變化數(shù)目Na，求a點(diǎn)處臂長(zhǎng)差的公式Ra=λ22nΔλ·Na]]>取系數(shù)k為k=c2nΔν=λ22nΔλ]]>將干涉儀光路中a點(diǎn)處的臂長(zhǎng)差公式統(tǒng)一為Ra＝k·Na在系數(shù)k的表示式中，c光速；n空氣折射率；Δν激光頻率的調(diào)制變化量，可采用高精度頻率測(cè)量?jī)x器測(cè)出；λ和Δλ激光的基準(zhǔn)波長(zhǎng)和波長(zhǎng)的調(diào)制變化量，可用高精度波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x器測(cè)出。系數(shù)k在頻率線性調(diào)制變化量Δν或波長(zhǎng)線性調(diào)制變化量Δλ一定時(shí)，是一個(gè)常數(shù)。
在反射角錐棱鏡14位于干涉儀光路中長(zhǎng)臂上被測(cè)長(zhǎng)度的另一端點(diǎn)b點(diǎn)時(shí)，以相同的頻率線性調(diào)制變化量Δν(或波長(zhǎng)線性調(diào)制變化量Δλ)，進(jìn)行干涉測(cè)量，測(cè)出拍頻信號(hào)變化數(shù)目Nb，得到干涉儀光路中b點(diǎn)處的臂長(zhǎng)差公式Rb＝k·Nb將計(jì)數(shù)器16在a點(diǎn)和b點(diǎn)分別測(cè)量時(shí)獲得的拍頻信號(hào)變化數(shù)目測(cè)量值Na和Nb送入計(jì)算機(jī)17，利用公式S＝Rb-Ra＝k·(Nb-Na)計(jì)算得到a和b兩個(gè)端點(diǎn)之間的長(zhǎng)度值S。
還可以通過(guò)一個(gè)高頻脈沖信號(hào)源對(duì)拍頻信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，計(jì)算出一個(gè)拍頻信號(hào)周期內(nèi)包含的細(xì)分脈沖數(shù)目，以得到拍頻信號(hào)變化數(shù)目的整數(shù)之外的尾數(shù)數(shù)目，實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種在被測(cè)長(zhǎng)度的兩個(gè)端點(diǎn)分別進(jìn)行激光干涉測(cè)量而得到端點(diǎn)間長(zhǎng)度值的方法，其特征在于包括以下步驟利用基準(zhǔn)電源(1)給半導(dǎo)體激光器(10)提供基準(zhǔn)電流，使其以基準(zhǔn)頻率或波長(zhǎng)工作；通過(guò)比較器(7)得到激光器(10)的預(yù)置工作溫度和實(shí)測(cè)工作溫度的誤差值，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路(8)使半導(dǎo)體致冷器件(9)調(diào)節(jié)激光器(10)的工作溫度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫控制，以避免溫度變化對(duì)激光頻率和波長(zhǎng)產(chǎn)生影響；利用鋸齒波調(diào)制電源(2)對(duì)激光器(10)的基準(zhǔn)電流進(jìn)行調(diào)制，即在激光器基準(zhǔn)電流上迭加鋸齒波調(diào)制電流，使激光頻率ν或波長(zhǎng)λ在基準(zhǔn)值附近作小范圍線性變化Δν或Δλ；讓激光器(10)發(fā)出的調(diào)制激光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(11)成為平行光束，進(jìn)入兩臂不等長(zhǎng)的干涉儀光路中，經(jīng)分束棱鏡(12)分成兩束，并分別由干涉儀光路中短臂上位置固定的反射角錐棱鏡(13)和干涉儀光路中長(zhǎng)臂上位置分別置于被測(cè)長(zhǎng)度兩個(gè)端點(diǎn)a和b的反射角錐棱鏡(14)反射后，在光電探測(cè)器(15)相干涉形成拍頻信號(hào)；先后將反射角錐棱鏡(14)置于干涉儀光路中長(zhǎng)臂上的被測(cè)長(zhǎng)度的兩個(gè)端點(diǎn)位置a和b處，以相同的頻率或波長(zhǎng)調(diào)制變化量進(jìn)行干涉測(cè)量，用計(jì)數(shù)器(16)對(duì)拍頻信號(hào)的變化數(shù)目分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得在a和b兩個(gè)端點(diǎn)位置測(cè)得的拍頻信號(hào)的變化數(shù)目Na和Nb；將計(jì)數(shù)器(16)獲得的Na和Nb，送入計(jì)算機(jī)(17)，利用下式計(jì)算出兩個(gè)端點(diǎn)a和b之間的長(zhǎng)度值SS＝k·(Nb-Na)式中的系數(shù)k為k=c2nΔν=λ22nΔλ]]>其中，c光速；n空氣折射率；Δν激光頻率的調(diào)制變化量，可采用高精度頻率測(cè)量?jī)x器測(cè)出；λ和Δλ激光基準(zhǔn)波長(zhǎng)和波長(zhǎng)的調(diào)制變化量，可用高精度波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x器測(cè)出。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種半導(dǎo)體激光端點(diǎn)干涉測(cè)長(zhǎng)法,它克服了現(xiàn)有激光干涉測(cè)長(zhǎng)法要求測(cè)量元件必須從長(zhǎng)度的起始點(diǎn)沿直線連續(xù)移動(dòng)到終止點(diǎn),并對(duì)移動(dòng)過(guò)程中干涉條紋的變化量進(jìn)行計(jì)數(shù),測(cè)量過(guò)程中若受到異物遮擋光線等干擾將導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果無(wú)效的缺點(diǎn)。本發(fā)明利用半導(dǎo)體激光調(diào)制技術(shù),只在被測(cè)長(zhǎng)度的兩個(gè)端點(diǎn)位置進(jìn)行干涉測(cè)量即可得到長(zhǎng)度值。這種測(cè)長(zhǎng)方法不涉及長(zhǎng)度的中間過(guò)程,抗干擾性強(qiáng),可應(yīng)用于長(zhǎng)度、位移等的精密測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B9/02GK1275712SQ9911489
公開(kāi)日2000年12月6日 申請(qǐng)日期1999年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月27日
發(fā)明者侯德勝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所