专利名称：全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及到全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪，特别涉及到使用正弦相位调制干涉测量的微位移(小于mm量级)与微振动(小于mm量级)干涉测量仪
背景技术：
在半导体激光干涉仪中，用来提高测量精度的光外差技术可以简单地通过直接调制半导体激光器(以下简称LD)的注入电流来实现。通过调制注入电流，很容易实现干涉信号的相位调制，从而实现位移、距离、面形等参数较高精度的测量。但是在调制LD的注入电流时其输出光强同时被调制，这造成一定的测量误差。为降低作为光源的LD的输出光强被调制引起的测量误差，发明人王向朝等提供了一种光频光热调制半导体激光干涉仪(参见在先技术[1]王向朝，王学锋，钱锋，“用半导体激光器的微小位移干涉测量仪，”中国专利申请号99113908.9)。在此干涉仪中，采用了光热技术调制光源波长，使得输出光强被调制的幅度很�。蟠筇岣吡瞬饬烤�。遗憾的是此干涉仪使用体光学系统，体积较大、抗干扰能力相对较差；测量光束直径较大而不能用来测量尺寸微小的物体的位移；同时，两个光源的使用导致成本增加，调整困难且不实用；并且没有考虑激光器的温度控制措施，温度变化引起的激光器波长漂移将造成测量误差。
发明内容
本发明为克服上述在先技术的不足，提供一种全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪。本发明引入可见光的准直光源，两个光电转换元件和相位控制器。将克服上述在先技术中调整困难，波长漂移，抗干扰能力较差的问题。
本发明的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪，包括带有第一驱动电源2和温度控制器4的光源3，由光源3发射的光束通过第一段光纤301、隔离器16和第二段光纤302，由第一合波元件7的第二端口b射入，从第一合波元件7的第三端口c射出后，再通过第三段光纤303，由耦合器8的第一端口P1，同样从耦合器8的第三端口P3射出后，经过第四段光纤304由第二合波元件15的第一端口d射入，从第二合波元件15的第三端口f射出后，再经过第五段光纤305和准直器17后，透过部分反射元件18射到被测物体19上；由带有第二驱动电源5的准直光源6发射的可见光通过第六段光纤601，从第一合波元件7的第一端口a入射，从第一合波元件7的第三端口c出射后，再经过第三段光纤303由耦合器8的第一端口P1射入，同样从耦合器8的第三端口P3射出后，经过第四段光纤304由第二合波元件15的第一端口d射入，从第二合波元件15的第三端口f射出后，再经过第五段光纤305和准直器17后，透过部分反射元件18射到被测物体19上；带有第三驱动电源13的激振光源14发射的光束通过第七段光纤1401，由第二合波元件15的第二端口e入射，从第二合波元件15的第三端口f射出后，再经过第五段光纤305和准直器17后，透过部分反射元件18射到被测物体19上；由耦合器8的第二端口P2出射的光束通过第八段光纤801射到第一光电转换元件9上；由耦合器8的第四端口P4出射的光束通过第九段光纤802射到第二光电转换元件12上；第一光电转换元件9和第二光电转换元件12的输出同时通过模数转换器10连接到计算机11上；在第一驱动电源2与模数转换器10之间连接有相位控制器1。如图1所示。
本发明的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪。如上述的结构图1所示。带有第一驱动电源2和温度控制器4的光源3发射光束通过第一段光纤301和隔离器16相连。隔离器16的输出端与第一合波元件7的第二端口b相连。第一合波元件7的第一端口a通过第六段光纤601连接到带有第二驱动电源5的准直光源6。第一合波元件7的第三端口c通过第三段光纤303和耦合器8的第一端口P1相连。耦合器8的第三端口P3通过第四段光纤304连接到第二合波元件15的第一端口d。第二合波元件15的第二端口e通过第七段光纤1401连接到带有第三驱动电源13的激振光源14。第二合波元件15的第三端口f通过第五段光纤305连接到准直器17。部分反射元件18、被测物体19与准直器17同光轴放置。耦合器8的第二端口P2、第四端口P4分别通过第八段光纤801和第九段光纤802连接到第一光电转换元件9和第二光电转换元件12。第一光电转换元件9和第二光电转换元件12均与连接有计算机11的模数转换器10相连。相位控制器1与第一驱动电源2和模数转换器10相连。
上面所说的光源3、准直光源6、激振光源14均是半导体激光器(也称激光二极管，简称为LD)，其中准直光源6发射的光是可见光。光源3与准直光源6和激振光源14发射激光束的波长不相等。
所说的第一驱动电源2提供直流、正弦交流信号给光源3。
所说的第二驱动电源5提供直流信号给准直光源6。
所说的第三驱动电源13提供直流和交流信号给激振光源14。
所说的第一合波元件7、第二合波元件15是用来实现光束合路的光纤元件，可以是光纤耦合器、或是光纤合波器(复用器)。耦合器8为光纤耦合器。
所说的准直器17是指其出射光为平行光的光学元件。
所说的部分反射元件18是指可以使一部分光透射，一部分光反射回去的元件。其中一面不反射，或反射率很低(反射率R＜0.005)，或反射光不会返射到光纤中，同时另一面的反射光可以反射回到光纤中，其反射率满足(0.05＜R＜0.45)。
所说的第一、第二光电转换元件9和12的响应波长在光源3发射激光的波段，是光电二极管，或是光电池等。
所说的相位控制器1控制干涉信号的初始相位。
所说的温度控制器4控制光源3的温度，使光源3的温度仅在较小的范围内变化。
如上述图1所示的结构，光源3发出的光通过第一段光纤301入射到隔离器16内。隔离器16的出射光通过第二段光纤302入射到第一合波元件7的第二端口b，并从第一合波元件7的第三端口c出射。光路中返回的光束不能通过隔离器16。从第一合波元件7的第三端口c出射的光通过第三段光纤303入射到耦合器8的第一端口P1。其中由耦合器8的第四端口P4出射的光通过第九段光纤802入射到第二光电转换元件12。由耦合器8的第三端口P3出射的光通过第四段光纤304入射到第二合波元件15的第一端口d，从第二合波元件15的第三端口f出射，再通过第五段光纤305入射到准直器17上。经准直器17的准直后出射光束入射到部分反射元件18上，透过部分反射元件18的光束入射到被测物体19上。带有第三驱动电源13的激振光源14发出的光通过第七段光纤1401入射到第二合波元件15的第二端口e，从第二合波元件15的第三端口f出射后，再通过第五段光纤305入射到准直器17上，经过准直器17准直后的出射光透过部分反射元件18照射到被测物体19上，激励被测物体19产生振动。由被测物体19和部分反射元件18反射返回来的光产生干涉后，再通过准直器17和第二合波元件15从耦合器8的第三端口P3进入耦合器8后，从耦合器8的第二端口P2出射，通过第八段光纤801由第一光电转换元件9转换成电信号，输入到模数转换器10内。第一光电转换元件9和第二光电转换元件12输出的电信号同时经过模数转换器10输入到计算机11内进行数据处理后显示其测量结果。上述带有第二驱动电源5的准直光源6发出的光为可见光，通过第六段光纤601由第一合波元件7的第一端口a入射，从第一合波元件7的第三端口c出射后，再通过第三段光纤303由耦合器8的第一端口P1入射，从耦合器8的第三端口P3出射后，同样再通过第四段光纤304由第二合波元件15的第一端口d入射，从第二合波元件15的第三端口f出射，在通过第五段光纤305入射到准直器17上。经准直器17准直后入射到部分反射元件18，部分反射元件18的透射光入射到被测物体19上。由部分反射元件18和被测物体19反射返回的光束在耦合器8的第二和第四端口P2、P4观察其光路的准直状态。准直光源6发射的可见光是为了调整光路的准直。相位控制器1控制计算机11采集到的干涉信号的初始相位为0或π。温度控制器4用于稳定带有第一驱动电源2的光源3的温度。第一光电转换元件9和第二光电转换元件12的光谱特性满足仅能够将光源3的光转换成电信号，而不会将激振光源14和准直光源6的光转换成电信号。
具体的描述是向光源3注入电流后，其波长为λ(t)＝λ0+β1Δi(t)， (1)Δi(t)为驱动电流的交流分量，β1为比例常数，λ0为对应于直流分量的中心波长。交流分量Δi(t)＝αcos(ωct+θ)。
(2)ωc为光源3的正弦相位调制的角频率，t为时间，θ为光源3正弦相位调制的初始相位，α为交流分量的幅度。
第一光电转换元件9检测到的干涉信号是S′(t)＝IB(t)+IM(t)cos[zcos(ωct+θ)+α0+α(t)]， (3)其中IB(t)、IM(t)分别为干涉信号的背景强度和调制强度。z为干涉信号的相位调制深度，α0＝2πr0/λ0，α(t)＝4πr(t)/λ0，r0为被测物体19静止时的光程差，r(t)为待测的微小位移或微小振动。
第二光电转换元件12探测到的光源3光强度变化为I(t)＝β2{i0+αcos[ωc(t-τ)+θ]}，(4)其中β2为比例常数，i0为光源3驱动电流的直流分量，τ为从光源3到第二光电转换元件12的光时延。在式(3)的两边同除以(4)，可以得到去除光源3光强波动影响的干涉信号S(t)＝C+Ccos[zcos(ωct+θ)+α0+α(t)].(5)其中C为常数。对上式进行傅立叶变换(在先技术[2]Osami Sasaki and HirokazuOkazaki，“Sinusoidal phase modulating interferometer using optical fibers fordisplacement measurement，”Appl.Opt.1988，27(19)，4139-4142.)求得α(t)，r(t)＝λ0α(t)/4π。(6)α(t)的测量精度达到0.01rad是较容易实现的。若光源3采用波长λ0为1310nm的LD，位移的分辨率为1.04nm。若α的测量精度提高到0.001rad，则分辨率提高到0.1nm。
本发明与在先技术相比，具有显著的特点<1>与在先技术[1]相比，本发明的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪采用两个光电转换元件9和12进行光强补偿，消除了干涉信号中的光强调制，省却了调制光源，降低了调整难度。
<2>与在先技术[1]相比，本发明的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪的光束传送通道全部是在光纤、光纤耦合器等光纤器件内部，替代了在先技术中的透镜、偏振分束器、分束器等体光学器件，并有两个光电转换元件，不仅使得本发明的测量仪体积小、重量轻、结构紧凑，而且抗干扰能力增强。
<3>与在先技术[1]相比，本发明的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪，测量光斑的直径降低了一个数量级，可以用于测量微小物体的位移和振动。
<4>与在先技术[1]相比，本发明的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪，光源3带有温度控制器4，对光源3进行了温度控制，使温度对波长的影响可以忽略，消除了由波长漂移带来的测量误差。
<5>与在先技术[1]相比，本发明的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪，有激振光源14，不仅具有测量位移的功能，而且具有激振测振功能，可以激励类似于微型悬臂梁的物体，使其振动，并同时利用测振功能纳米精度地测量其振动。
<6>与在先技术[1]相比，本发明的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪，有发射可见光的准直光源6，具有使被测物体反射光与参考反射镜的反射光干涉后进入光纤中的功能，可以利用准直光源6发射的可见光照射被测物体，使调整干涉仪变得容易而直观。
<7>与在先技术[1]相比，本发明的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪，在第一驱动电源2与模数转换器10之间连接有相位控制器1，因此在采集干涉信号时带有相位控制功能，通过相位控制器1可以使采集到的干涉信号的初始相位θ为0或π，而此时的测量精度最高。
<8>与在先技术[1]相比，本发明的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪所采用的两个光电转换元件9和12的光谱特性满足能够将光源3的光转换成电信号，而不会将激振光源14和准直光源6的光转换成电信号。因此，测量结果中消除了来自其激振光源14和准直光源6的波长干扰。
图1为本发明的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪的结构示意图。
具体实施例方式如图1所示的结构。其中准直光源6采用波长660nm，最大输出功率30mW的半导体激光器。激振光源14采用波长785nm，最大输出功率50mW的半导体激光器。光源3采用波长为1305nm的分布反馈半导体激光器(DFB-LD)。第一光电转换元件9和第二光电转换元件12为光电二极管，其波长响应在1.3μm波段。第一合波元件7、第二合波元件15和耦合器8均为光纤耦合器。耦合器8的分束比为1∶1。准直器17的出射光束的直径为0.2毫米。部分反射元件18的反射率为27％。开始测量时，首先打开光源3，并用温度控制器4使光源3的温度稳定。先用准直光源6的出射光照射到被测物体19，观察光路准直，再打开光源3，通过调节被测物体19使它的反射光和部分反射元件18的反射光干涉。通过调节第三驱动电源13改变激振光源14的输出，照射到被测物体19，激励被测物体19，使之振动。通过调节相位控制器1使得干涉信号的θ＝0，通过调节第一驱动电源2的正弦交流信号的幅度使得干涉信号的相位调制深度z＝2.34rad。求得被测物体19的位移r(t)。根据式(6)，r(t)＝103.85α(t)nm(α的单位为弧度)。
权利要求
1.一种全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪，包括带有第一驱动电源(2)的光源(3)和连接到计算机(11)上的模数转换器(10)，其特征在于由光源(3)带有温度控制器(4)发射的光束通过第一段光纤(301)、隔离器(16)和第二段光纤(302)，由第一合波元件(7)的第二端口(b)射入，从第一合波元件(7)的第三端口(c)射出后，同样再通过第三段光纤(303)，由耦合器(8)的第一端口(P1)射入，从耦合器(8)的第三端口(P3)射出后，经过第四段光纤(304)由第二合波元件(15)的第一端口(d)射入，从第二合波元件(15)的第三端口(f)射出后，再经过第五段光纤(305)和准直器(17)后，透过部分反射元件(18)射到被测物体(19)上；由带有第二驱动电源(5)的准直光源(6)发射的可见光通过第六段光纤(601)，从第一合波元件(7)的第一端口(a)入射，从第一合波元件(7)的第三端口(c)出射后，再经过第三段光纤(303)由耦合器(8)的第一端口(P1)射入，从耦合器(8)的第三端口(P3)射出后，经过第四段光纤(304)由第二合波元件(15)的第一端口(d)射入，从第二合波元件(15)的第三端口(f)射出后，再经过第五段光纤(305)和准直器(17)后，透过部分反射元件(18)射到被测物体(19)上；带有第三驱动电源(13)的激振光源(14)发射的光束通过第七段光纤(1401)，由第二合波元件(15)的第二端口(e)入射，从第二合波元件(15)的第三端口(f)射出后，再经过第五段光纤(305)和准直器(17)后，透过部分反射元件(18)射到被测物体(19)上；由耦合器(8)的第二端口(P2)出射的光束通过第八段光纤(801)射到第一光电转换元件(9)上；由耦合器(8)的第四端口(P4)出射的光束通过第九段光纤(802)射到第二光电转换元件(12)上；第一光电转换元件(9)和第二光电转换元件(12)的输出同时连接到模数转换器(10)上；在第一驱动电源(2)与模数转换器(10)之间连接有相位控制器(1)。
2.根据权利要求1所述的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪，其特征在于所说的光源(3)、准直光源(6)和激振光源(14)均是半导体激光器，光源(3)发射光束的波长与准直光源(6)和激振光源(14)发生光束的波长不相等，其中准直光源(6)为可见光光源。
3.根据权利要求1或2所述的全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪，其特征在于所说的第一光电转换元件(9)和第二光电转换元件(12)的响应波段在光源(3)发射光束的波段。
全文摘要
一种全光纤纳米精度微位移与微振动干涉测量仪,包括波长不相同的带有第一驱动电源和温度控制器的光源,调整光路准直用的准直光源和使被测物体产生振动的激振光源。光束传送的全光程都是在光纤、合波元件和光纤耦合器中进行。有两个光电转换元件响应波段只是对应光源发射光束的波段,对准直光源和激振光源发射的光束不响应。在第一驱动电源和模数转换器之间连接有控制初始相位的相位控制器。与在先技术相比,本发明具有结构紧凑、体积小、抗干扰能力增强,消除了由于波长漂移带来的误差的优点,测量精度高。
文档编号G01B9/02GK1384331SQ0211207
公开日2002年12月11日 申请日期2002年6月14日 优先权日2002年6月14日
发明者王向朝, 王学锋, 刘英明, 钱锋 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所
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