相位調(diào)制型激光反饋光柵干涉儀及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密位移測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種相位調(diào)制型激光反饋光柵干 涉儀及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 納米測(cè)量是先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，也是整個(gè)納米科技領(lǐng)域的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。 隨著超精密加工和超微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，行程達(dá)100毫米量級(jí)、運(yùn)動(dòng)分辨率達(dá)到納米級(jí) 的超精密和超微細(xì)加工設(shè)備，對(duì)大量程、納米級(jí)高分辨率的位移測(cè)量提出了迫切需求。
[0003] 傳統(tǒng)的干涉測(cè)試結(jié)構(gòu)，如Agilent公司5529A雙頻干涉儀雖然可以達(dá)到較高的位 移測(cè)量精度，但普遍結(jié)構(gòu)龐大，光路復(fù)雜，敏感于準(zhǔn)直，而且價(jià)格昂貴。激光反饋干涉技術(shù) 是近年來興起的一種具有很高應(yīng)用價(jià)值的新型干涉計(jì)量技術(shù)，當(dāng)激光器輸出光被外界物體 反射或散射后，部分光將返回激光器諧振腔內(nèi)與腔內(nèi)光束相混合而引起激光器的輸出光強(qiáng) 的變化，實(shí)現(xiàn)速度、位移、振動(dòng)及距離等物理量的精密測(cè)量。由于系統(tǒng)固有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、 自準(zhǔn)直、以及可以工作于粗糙散射表面顯著優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)干涉測(cè)量技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜、敏感 于準(zhǔn)直等問題，在很多場(chǎng)合可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的激光干涉儀。和傳統(tǒng)干涉儀一樣，激光反饋干涉 儀對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求非?？量?，空氣折射率波動(dòng)，溫度變化引起的元器件變形以及激光器 自身的不穩(wěn)定等因素都會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)際測(cè)量時(shí)系統(tǒng)的分辨率，不利于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行測(cè) 量。
[0004] 光柵干涉儀具有測(cè)量范圍大、測(cè)量分辨率高等特點(diǎn)。其測(cè)量原理是利用運(yùn)動(dòng)的光 柵產(chǎn)生兩路衍射光束，衍射光由于多普勒效應(yīng)的作用，會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的頻移，重新匯合產(chǎn) 生干涉，經(jīng)過信號(hào)處理和計(jì)數(shù)細(xì)分，可實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。光柵干涉儀使用光柵的柵距作為位移 標(biāo)準(zhǔn)，而非激光波長，測(cè)量系統(tǒng)幾乎不受空氣壓強(qiáng)、濕度等的影響，其因此對(duì)環(huán)境要求低。但 其光路結(jié)中含有多個(gè)波片、分光棱鏡以及反射鏡等輔助元件，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、體積龐大，工 作人員調(diào)試起來相對(duì)困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種相位調(diào)制型激光反饋光柵干涉儀，它是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊 湊，抗干擾能力強(qiáng)的大范圍、高分辨率位移傳感器。本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種利用 該相位調(diào)制型激光反饋光柵干涉儀進(jìn)行位移測(cè)量的方法。
[0006] 本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 相位調(diào)制型激光反饋光柵干涉儀，包括氦氖激光器、透射式衍射光柵、電光調(diào)制 器、電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器、平面反射鏡、光電探測(cè)器、運(yùn)算放大器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；所述 氦氖激光器發(fā)出的激光垂直入射至透射式衍射光柵，在入射光路兩側(cè)形成對(duì)稱分布的各級(jí) 次衍射光，所述透射式衍射光柵的位移方向垂直于激光器的輸出光路；所述電光調(diào)制器置 于+1級(jí)次衍射光的光路上，對(duì)+1級(jí)次衍射光進(jìn)行純相位調(diào)制，調(diào)制后的衍射光垂直入射至 所述平面反射鏡并沿原光路返回，再次入射至所述透射式衍射光柵發(fā)生二次衍射；二次+1 級(jí)衍射光攜帶光柵位移信息沿激光器出射光的相反方向返回到激光器腔內(nèi)與腔內(nèi)光發(fā)生 激光反饋干涉；所述光電探測(cè)器置于所述氦氖激光器后向輸出光路上，光電探測(cè)器輸出接 所述運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器輸出接所述數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入計(jì) 算機(jī)，由計(jì)算機(jī)基于正交解調(diào)技術(shù)處理后，得到待測(cè)位移。
[0008]所述氦氖激光器輸出單縱模線偏振激光。
[0009]進(jìn)一步地，所述氦氖激光器輸出激光的偏振方向和所述透射式衍射光柵的刻線方 向一致。
[0010] 進(jìn)一步地，所述電光調(diào)制器主軸方向和所述氦氖激光器輸出激光偏振方向一致。
[0011] 所述電光調(diào)制器對(duì)+1級(jí)次衍射光進(jìn)行正弦相位調(diào)制，調(diào)制函數(shù)_為： 奶"=(π/2)-(2τ^η4其中fn為調(diào)制頻率，t為時(shí)間。
[0012] 所述電光調(diào)制器采用鈮酸鋰晶體。
[0013]所述透射式衍射光柵前后方設(shè)置有擋板，以擋去不需要的級(jí)數(shù)的衍射光束。
[0014]所述透射式衍射光柵采用低熱膨脹系數(shù)的石英或零膨脹玻璃材料制作。
[0015]所述運(yùn)算放大器為低噪聲運(yùn)算放大器。
[0016]利用上述干涉儀的測(cè)量方法，測(cè)量原理基于光柵衍射、光學(xué)多普勒效應(yīng)和時(shí)域正 交解調(diào)原理，其中，電光調(diào)制器對(duì)+1級(jí)次衍射光進(jìn)行純相位調(diào)制，每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，對(duì)干涉 信號(hào)進(jìn)行采樣間隔為η/6的12次采樣，對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行線性組合計(jì)算，得到待測(cè)相位的正 弦分量和余弦分量，解調(diào)出待測(cè)相位，再依據(jù)待測(cè)相位和光柵位移之間的關(guān)系，實(shí)時(shí)測(cè)量光 柵位移。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0018]1)本發(fā)明采用激光反饋光柵干涉原理，不需要傳統(tǒng)激光干涉儀的分束器和參考鏡 等輔助光學(xué)元件，也無需傳統(tǒng)光柵干涉儀的偏振片、偏振分光棱鏡、波片等輔助元件，其結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、測(cè)量范圍大、測(cè)量分辨率高、光路調(diào)節(jié)方便。
[0019]2)相對(duì)于現(xiàn)有的激光反饋干涉技術(shù)，本發(fā)明以光柵的柵距而非波長作為測(cè)量基 準(zhǔn)。測(cè)量精度不受空氣成份、壓強(qiáng)、濕度以及光源波動(dòng)的影響，對(duì)環(huán)境不敏感，允許在環(huán)境溫 度變化較大的情況下使用，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
[0020]3)本發(fā)明提出了采用電光調(diào)制器對(duì)衍射光進(jìn)行純相位調(diào)制，調(diào)制精度高，調(diào)制帶 寬寬，相位解調(diào)由時(shí)域正交解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，解調(diào)方法算法簡(jiǎn)單，對(duì)采樣誤差不敏感，可以大 幅度提高位移測(cè)量裝置的測(cè)量分辨率。
[0021] 4)本發(fā)明形成了新的大量程、高分辨率、結(jié)構(gòu)緊湊、適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的微位移 測(cè)量裝置，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明提供的相位調(diào)制型激光反饋光柵干涉儀示意圖。
[0023]圖2是本發(fā)明的相位調(diào)制型激光反饋干涉儀正交解調(diào)原理圖。
[0024]圖3是本發(fā)明的相位調(diào)制型激光反饋光柵干涉儀進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)的軟件處理流 程圖。
[0025] 圖例說明
[0026] 1、氦氖激光器；2、透射式衍射光柵；3、電光調(diào)制器；4、電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器；5、平面 反射鏡；6、光電探測(cè)器；7、運(yùn)算放大器；8、數(shù)據(jù)采集卡；9、計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 結(jié)合圖1說明本發(fā)明相位調(diào)制型激光反饋光柵干涉儀工作原理。如圖1，氦氖激 光器1輸出的線偏振光垂直入射至透射式衍射光柵2,各級(jí)次衍射光在入射光路兩側(cè)對(duì)稱 分布。電光調(diào)制器3置于+1級(jí)衍射光的光路上，對(duì)+1級(jí)衍射光進(jìn)行純相位調(diào)制，調(diào)制函數(shù) 為"π/2)sin(2JIfj)，其中圪為調(diào)制頻率。平面反射鏡5置于+1級(jí)衍射光的光路上，置 于電光調(diào)制器3后方，使第+1級(jí)衍射光垂直入射至平面反射鏡并沿原光路返回，再次入射 至透射式衍射光柵2發(fā)生二次衍射。二次+1級(jí)衍射光攜帶光柵位移信息沿激光器出射光 的相反方向返回到氦氖激光器1腔內(nèi)與腔內(nèi)光發(fā)生激光反饋干涉。當(dāng)透射式光柵2沿圖 中X方向運(yùn)動(dòng)AX時(shí)，由透射式衍射光柵2的位移導(dǎo)致的二次+1級(jí)衍射反饋光相位變化恢 為：辦=4πΛχ·Λ/。由于+1級(jí)衍射光束在外腔中兩次經(jīng)過電光調(diào)制器，由電光調(diào)制器導(dǎo)致的二 次+1級(jí)衍射反饋光相位變化:2御^: 二次+1級(jí)衍射反饋光相位總變化量 為假設(shè)單縱模線偏振氦氖激光器輸出光場(chǎng)E(t)為：
[0028]E(t) =E〇exp[-i(ω?+Φ0)] (1)
[0029] 式中，各變量的含義為：Ε。為光場(chǎng)的振幅，ω為激光角頻率，φ。為出射光場(chǎng)的初始 相位。二次+1級(jí)衍射反饋光光場(chǎng)Edt)為
[0030] Ei(t) =KmE