CN1034763C

CN1034763C - 共模抑制频漂干扰外差移频式孪生激光干涉仪

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Publication number: CN1034763C
Application number: CN93109465A
Authority: CN
Inventors: 陈赋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1993-07-29
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2013-07-29
Also published as: CN1085315A

Abstract

一种共模抑制频漂干扰外差移频式孪生激光干涉仪，可用于作成精密测长、测速仪等。本发明是在迈克尔逊干涉仪中加进一参考光路，它共用原干涉仪的激光器和一个反射面组成另一个干涉仪而成为孪生干涉仪。让共用反射面往返运动成为外差移频面以替代双频的作用来减小低频噪音误差。激光器频漂引起的光电信号频率变化对两干涉仪完全相同(共模)，频率合成相减可对消频漂误差。本发明结构简单，成本低廉，测量误差Δf/f≤1×10^-18。

Description

共模抑制频漂干扰外差移频式孪生激光干涉仪

本发明涉及计量技术，属于长度、速度的精密测量技术领域。

激光干涉仪由于它的测量精度高，在长度、角度、位移速度和角速度等的精密测量中得到了广泛的应用，同时还可用它制成地震仪、应变仪、重力仪和工业自动化监控装置等专用仪器设备。

激光干涉仪的测量精度主要取决于激光频率(或波长)的稳定性。激光共振腔的选频作用是激光优良单色性的保证。共振腔的长度会随温度等环境因素而变化，导致激光器发射的激光频率会随时间漂移变化，引起干涉仪的测量误差。提高测量精度的常用办法是使激光器的频率稳定化。在使激光器频率稳定的各种措施中，以伺服稳频***的效果最佳。其中用塞曼效应取得伺服稳频***的误差信号的稳频***同时还能取得双频激光。用双频激光器作成的干涉仪能大幅度减小光电探测器的低频噪音引起的误差，它比单频激光干涉仪的抗干扰能力更强，对工作环境条件要求也就更低。故商品中最常见的是塞曼效应稳频的双频激光干涉仪。(参阅华中工学院、天津大学、西北电讯工程学院合编的《激光技术》、湖南科学技术出版社出版)。

使用激光伺服稳频***虽然可大幅度减小干涉仪的测量误差，但是使干涉仪结构复杂、成本昂贵，更主要的是激光稳频所达到的世界最高频率稳定度Δf/f只是1×10^-14，1×10^-15的频率稳定度还是未来的目标(参阅《我国激光发展战略研究》，上海科学技术文献出版社1988)，目前稳频激光干涉仪因激光频率漂移引起的测量误差Δf/f不小于1×10^-14。

一种声光调制式外差干涉仪(美国专利5061071号)如图4所示。它包括：1，由激器(10)、偏振分束器(14)和(18)、反射面(16)和(20)以及声光调制器(22)和(24)组成的外差***、此***起一个双频激光器的作用，由光电探测器(30)检测出声光调制产生的差频信号Sf_B；2，由所说的外差***、偏振分束器(40)、其上设有物镜(36)的反射面(34)、反射面(38)和光电探测器阵列(56)构成的第一干涉***，此***产生的干涉信号Sf_W用来控制压电陶瓷调节器(70)的伸缩，使物镜(36)的焦点总是落在被测物体表面(34)上；3，由所说的外差***、偏振分束器(46)、随物镜(36)移动的反射镜(42)、固定反射镜(44)和光电探测器(68)构成的第二干涉***，此***产生的干涉信号SfD与所说的差频信号Sf_B相比较用来测量出物镜(36)位置移动所产生的频移和相位变化，从而给出被测物体表面(34)的起伏情况。

这种声光调制式外差干涉仪既具有双频干涉仪的抗干扰能力强能抑制低频噪音的优点，又能在不用伺服稳频***的情况下连续工作，因此造价可降低。但是它仍然要用昂贵的偏振分束器，随之而来又要用1/4波片和起偏器等附件，结构仍较复杂，成本还是偏高。它的最主要的缺点是测量精度低。因为它未用激光稳频***，它的第一和第二干涉***功能上彼此独立，没有用来解决激光器频率漂移引起的拍频测量误差问题，这个问题用图4这种无特定对称性的双干涉***也不能解决。而且声光调制器因温度的变化、电源的不稳以及自身的不稳定又会使调制出的差频信号Sf_B随时间变化，也就是说，双频激光束先后到达光电探测器(30)和(68)时具有不同的频差，即使所有的反射镜都完全静止不动，信号Sf_D与Sf_B也将有不同的频率值，通过比较Sf_D与Sf_B所求得的物镜(36)移动所产生的频移就存在误差。声光调制频率的不稳和激光器频率的不稳都会影响干涉仪的测量精度。若为提高精度而采取恒湿、稳压和稳频等措施，伴随而来的是干涉仪装置的复杂化和成本的大幅度提高。

本发明的目的是用新方法替代传统的稳频方法，使激光干涉仪因频率漂移产生的测量误差Δf/f减小到1×10^-18以下，同时使干涉仪的结构简单，成本更低廉。

本发明的实质是：在由激光器[1]，部分反射面[2]，反射面[3]和[4]以及光电探测器[5]组成的迈克尔逊形式的普通干涉仪中，加入一个由部分反射面[7]，反射面[8]和光电探测器[6]组成的参考光路，此参考光路共用上述迈克尔逊形式干涉仪(以下称测量干涉仪)中的激光器[1]和反射面[4]构成另一个干涉仪(以下称参考干涉仪)。参考干涉仪与测量干涉仪合成为共模抑制频漂干扰的孪生激光干涉仪，如图1所示。因为测量与参考干涉仪共用同一个激光器，两干涉仪的光电探测器[5，6]输出的电信号同时受激光器频率漂移的影向，而以完全相同的模式随时间变化(简称共模变化)。将两电信号合成相减，就能对消掉激光器频率漂移的影响。同样，激光器[1]和共用反射面[4]的无规运动产生的多普勒频移干扰也被对消掉。剩下的仪是测量反射面[3]相对于静止的参考反射面[8]运动的待测相位移动信号。所以这种用孪生激光干涉仪共模抑制频漂干扰的方法，能消除激光器频率不稳定引起的测量误差。进一步让两干涉仪的共用反射面[4]以一定的速度往返运动，使得经它反射的光产生多普勒频移，此频移由两干涉仪的光电探测器[5，6]同时检测出，再在频率合成相减中对消掉。此频移即使是不太稳定，也不会引起测量误差，因为它不再出现在待测的合成输出信号中。用这种外差移频的方法，使得普通单频激光干涉仪原来基于光程变化用直流方法计数干涉条纹的测量，变成为基于激光频率变化用拍频法测量频率差Δf，这与双频干涉测量是一样的，能减小光电探测器的低频噪音，尤其是大幅度减小零拍频(Δf趋于零时为相位移动信号)时特别严重的1/Δf噪音，提高干涉仪的抗干扰能力，使干涉仪对温度、湿度、空气清洁度等环境因素变化引起的光程差的直流零点漂移不敏感，无恒温条件下也能长期连续工作。所以，本发明的共模抑制频漂干扰外差移频式孪生激光干涉仪能替代双频稳频激光干涉仪的全部功能。

本发明的孪生激光干涉仪，其共用反射面[4]的往返运动可以通过对电(或磁)致伸缩元件施加一定频率的恰当幅度的三角波电压(或电流)来实现，也可以用其它振子(最好是线性振子如线性马达)来实现。

本发明的孪生激光干涉仪为了使激光器频率漂移引起的测量误差完全消除，测量干涉仪的光程应等于参考干涉仪的光程。即是说，当同为不等臂干涉仪时，从激光器出发经共用反射面[4]反射到达两光电探测器的两路光的光程相等，而且从激光器出发到达两光电探测器的另两路光的光程也相等。当同为等臂干涉仪时，则从激光器出发的上述四路光的光程全相等。实际的干涉仪总是允许有一定的测量误差，上述光程的相等也就并不需要绝对相等，而是调节至一定的相等程度就可以了。例如：当孪生激光干涉仪测量误差Δf/f要求不大于1×10^-18，设计的使用条件是放在无振动的基座上，环境温度变化每五分钟不超过1℃，当激光器选用的是单频单模的普通玻璃腔He-Ne激光器，激光器玻璃腔的线膨胀系数不大于1×10^-5/℃，则上述光程的相等应精确到不相差1厘米。因1厘米的光程差Δ1对应于光在路径中传播的时间差为Δt＝Δ1/C＝3×10^-11秒。两光电探测器接收的光是在相差Δt的时间中先后发射的。由于激光发射频率随时间漂移，同一时刻两光电探测器接收到的光波频率就有微小差别，这种不完全共模变化导致误差不能完全对消，而引起剩余误差。激光器频率漂移速率主要取决于激光腔长L的变化速率，而腔长变化主要由温度T变化引起，即：

Δf/f≈ΔL/L

ΔL/L＝(dL/Ldt)Δt≈(dL/LdT)(dT/dt)Δt因而激光器频率漂移引起的未能对消的测量误差为：

Δf/f≈(dL/LdT)(dT/dt)Δt

≤1×10^-5/℃×(1℃/300秒)×3×10^-11秒＝1×10^-18若要求测量误差不大于1×10^-19，则光程相等应精确到不相差1毫米，若要求测量误差不大于1×10^-17则光程相等到不差10厘米即可，等等。当本发明的孪生激光干涉仪用作测量长度时，因参考反射面[8]的位置设定好之后，在测量过程中一般是不再改变的，上述光程相等的允许误差范围就正好是测长仪的量程。要求的测量误差愈小测长仪的量程就愈小。以上述用普通玻璃腔激光器作成的孪生干涉仪为例，当它被放在无振动的基座上，环境温度变化的速率不大于1℃/300秒，孪生干涉仪的测量精度与作为测长仪的量程以及光程相等的允许误差见下表(当选用石英腔激光器时，在同样精度要求与使用条件下，光程相等的允许误差和作为测长仪的量程比表中数值增大一个数量级)：

干涉仪的测量精度	用作测长仪的量程	光程相等的允许误差
干涉仪的测量精度	用作测长仪的量程	光程相等的允许误差	1×10^-19	1毫米	1毫米
1×10^-18	1厘米	1厘米	1×10^-19	1毫米	1毫米
1×10^-18	1厘米	1厘米	1×10^-17	10厘米	10厘米
1×10^-16	1米	1米	1×10^-17	10厘米	10厘米
1×10^-16	1米	1米	1×10^-15	10米	10米
1×10^-14	100米	100米	1×10^-15	10米	10米

本发明的孪生激光干涉仪，从功能上看是以共模抑制激光器频率漂移干扰的方法替代激光器稳频的方法，以对单频激光进行外差移频来替代双频激光。它比起用塞曼效应稳频的双频激光干涉仪结构更简单，成本更低廉，其最大的优点是激光器频率漂移引起的测量误差原则上能减小到零。实际上也能减小到Δf/f小于1×10^-18，而现今的稳频技术只能使激光器频率漂移误差减小到Δf/f＝1×10^-14。

附图简要说明：

图1为本发明的孪生激光干涉仪的示意图。

图2为本发明实施例之一(等臂干涉仪)的结构示意图。

图3为本发明实施例之二(不等臂干涉仪)的结构示意图。

图4为已有技术的示意图。

其中：[1]激光器[2]部分反射面[3]测量反射面[4]共用反射面[5]光电探测器[6]光电深测器[7]部分反射面[8]参考反射面[9]三角波驱动电源[10]反射面[11]反射面[12]压电陶瓷[13]多次反射面[14]反射面

本发明的孪生激光干涉仪具体完成的实施例之一如图2所示。这是一个等臂的孪生激光干涉仪。它由激光器[1]，反射面[3，4，8，10，11]，部分反射面[2，7]，光电探测器[5，6]，压电陶瓷[12]、三角波驱动电源[9]组成。激光器[1]可选用单频单模He-Ne激光器。共用反射面[4]与压电陶瓷[12]联成一体。三角波驱动电源[9]施加一定幅度的音频三角波电压在压电陶瓷[12]上，使共用反射面[4]成为外差移频反射面。孪生激光干涉仪的光路可依下述方法调节。首先根据干涉仪目标的测量精度，将从激光器出发经不同反射面反射至两光电深测器的四路光的光程调节至大致相等(按上表的要求)。再调节光电探测器[5]和[6]的位置，使它们分别同时接收到来自共用反射面[4]反射来的光束。然后调节反射面[3，8]的位置，使经它们反射的光也正好分别落在光电探测[5，6]上。调节光路应注意的是反射面[3，8，4]不要调节到与入射光绝对垂直，而要有1°左右的垂直度偏差，使得经它们反射的入射光束与反射光束落在部分反射面上的光斑不相重合而离开一个小的距离。同时避免它们的反射光直接返回激光管。折转光路的反射面[10，11]不是孪生干涉仪所必不可少的，仅仅是为了使干涉仪紧凑，缩小仪器的体积而安排的。

本发明的孪生干涉仪具体完成实施例之二如附图3所示。这是一个不等臂的孪生激光干涉仪，适于对远处的被测物体的运动进行测量。它与上例不同之处在于：经共用反射面[4]反射至两光电探测器[5，6]的光程远小于经测量反射面[3]反射至光电探测器[5]的光程。反射面[14]和多次反射面[13]的安排是使参考光路经多次反射后，从激光器出发到达光电探测[6]的光程增大，从而能近似等于从激光器出发经测量反射镜[3]到达光电探测器[5]的光程。光路的调节方法与要求跟实施例1相同。

Claims

1.一种共模抑制频漂干扰外差移频式孪生激光干涉仪，其包括由激光器[1]、部分反射面[2]、反射面[3]和[4]以及光电探测器[5]组成的测量干涉仪，还包括由部分反射面[7]、反射面[8]和光电探测器[6]组成的参考光路，此参考光路共用前述测量干涉仪的激光器[1)和反射面[4]再组成一个参考干涉仪，其特征在于：所说的共用反射面[4]将所说的测量干涉仪与参考干涉仪结合成为共模抑制频漂干扰的孪生激光干涉仪，所说的共用反射面[4]同时又以一定的速度往返运动成为外差移频反射面。

2.根据权利要求1所述的共模抑制频漂干扰外差移频式孪生激光干涉仪，其特征在于：共用反射面[4]的往返运动是用一定频率与恰当幅度的三角波驱动电源施加在电磁伸缩元件上来实现。

3.根据权利要求1所述的共模抑制频漂干扰外差移频式孪生激光干涉仪，其特征在于：测量干涉仪的光程等于参考干涉仪的光程，即是说，当同为不等臂干涉仪时，从激光器[1]出发经共用反射面[4]反射到达两光电探测器的两路光的光程相等，而且从激光器出发到达两光电探测器的另两路光的光程也相等；当同为等臂干涉仪时，从激光器出发的上述的四路光的光程全相等。