專利名稱：雙調(diào)制光源全光纖位移測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種雙調(diào)制光源全光纖位移測(cè)量?jī)x，特別是涉及到全光纖光熱雙波長(zhǎng)正弦調(diào)制半導(dǎo)體激光干涉儀的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
由于半導(dǎo)體激光器(以下簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)D)波長(zhǎng)的溫度穩(wěn)定性得到較好的解決，半導(dǎo)體激光干涉儀正在被廣泛地研究開(kāi)發(fā)。LD除體積小、用電省、價(jià)格低外，一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)調(diào)制簡(jiǎn)便。這使得能提高測(cè)量精度的光外差技術(shù)在半導(dǎo)體激光干涉儀中可以簡(jiǎn)單地通過(guò)直接調(diào)制LD的注入電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)制注入電流，很容易實(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)的相位調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)位移、距離、面形等參數(shù)較高精度的測(cè)量。但是在調(diào)制LD的注入電流時(shí)其輸出光強(qiáng)同時(shí)被調(diào)制，這造成一定的測(cè)量誤差。為降低作為光源的LD的輸出光強(qiáng)被調(diào)制引起的測(cè)量誤差，發(fā)明人王向朝等提供了一種光頻光熱調(diào)制半導(dǎo)體激光干涉儀(參見(jiàn)在先技術(shù)[1]王向朝，王學(xué)鋒，錢鋒，“用半導(dǎo)體激光器的微小位移干涉測(cè)量?jī)x，”中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?9113908.9)。在此干涉儀中，采用了光熱技術(shù)調(diào)制光源波長(zhǎng)，使得輸出光強(qiáng)被調(diào)制的幅度很小，大大提高了測(cè)量精度。遺憾的是此干涉儀位移的測(cè)量范圍小于半個(gè)波長(zhǎng)，僅為數(shù)百納米量級(jí)，不能滿足大范圍位移測(cè)量的要求。為了擴(kuò)大測(cè)量范圍，發(fā)明人王向朝等又提供了利用這種干涉儀的測(cè)量方法(參見(jiàn)在先技術(shù)[2]王向朝，王學(xué)鋒，錢鋒，“物體位移的納米精度的測(cè)量方法”，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?0119556.5)，是對(duì)上述干涉測(cè)量結(jié)果的修正，使得在保持納米測(cè)量精度的條件下，測(cè)量范圍擴(kuò)大到厘米量級(jí)。但是，這種修正對(duì)采樣頻率的要求很高，由于數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率有限，因而限制了此干涉儀測(cè)量范圍的進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的雙調(diào)制光源全光纖位移測(cè)量?jī)x，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括帶有第一驅(qū)動(dòng)電源20的第一調(diào)制光源19通過(guò)光纖和第一環(huán)形器3的一環(huán)一端口a1相連。第一環(huán)形器3的一環(huán)二端口b1通過(guò)光纖連接到帶有第一直流電源1的第一原光源2上，第一環(huán)形器3的一環(huán)三端口c1通過(guò)光纖和第一耦合器9的一耦合一端口a’連接。帶有第二驅(qū)動(dòng)電源6的第二調(diào)制光源7通過(guò)光纖與第二環(huán)形器8的二環(huán)一端口a2相連，第二環(huán)形器8的二環(huán)二端口b2經(jīng)過(guò)光纖與帶有第二直流電源4的第二原光源5連接，第二環(huán)形器8的二環(huán)三端口c2通過(guò)光纖和第一耦合器9的一耦合二端口b’相連接。第一耦合器9的一耦合三端口c’通過(guò)光纖連接到第三環(huán)形器10的三環(huán)一端口a3，第三環(huán)形器10的三環(huán)二端口b3經(jīng)過(guò)光纖連接到第二耦合器11的二耦合三端口c”，第二耦合器11的二耦合二端口b”和二耦合一端口a”通過(guò)光纖分別連接到參考反射元件12和準(zhǔn)直器14。在準(zhǔn)直器14的出射光光路上置放被測(cè)物體13。第三環(huán)形器10的三環(huán)三端口c3通過(guò)光纖通到光電轉(zhuǎn)換元件15上。光電轉(zhuǎn)換元件15的輸出一路與連接到第一驅(qū)動(dòng)電源20和第二驅(qū)動(dòng)電源6的反饋控制電路18相連，另一路與連接有計(jì)算機(jī)17的模數(shù)轉(zhuǎn)換器16相連。
上面所說(shuō)的第一調(diào)制光源19、第一原光源2、第二調(diào)制光源7和第二原光源5均是半導(dǎo)體激光器(也稱激光二極管，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)D)。
所說(shuō)的第一驅(qū)動(dòng)電源20提供直流、正弦交流信號(hào)與反饋信號(hào)給第一調(diào)制光源19。
所說(shuō)的第二驅(qū)動(dòng)電源6提供直流、正弦交流信號(hào)與反饋信號(hào)給第二調(diào)制光源7。
所說(shuō)的第一環(huán)形器3，第二環(huán)形器8和第三環(huán)形器10均是用來(lái)實(shí)現(xiàn)光線的單向傳輸?shù)墓饫w環(huán)形器，或者按其功能也可以用光隔離器和光耦合器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
所說(shuō)的第一耦合器9，第二耦合器11均是用來(lái)實(shí)現(xiàn)光束的合路、分路的光纖耦合器。
所說(shuō)的參考反射元件12是指使得入射光按一定反射率原路返回的光學(xué)元件。其反射率與被測(cè)物體13的反射率相近。如出射面為平面并鍍有增反膜的光纖準(zhǔn)直器。
所說(shuō)的光電轉(zhuǎn)換元件15是光電二極管，或是光電池等。
如上述圖1所示的結(jié)構(gòu)，帶有第一驅(qū)動(dòng)電源20的第一調(diào)制光源19發(fā)出的光通過(guò)光纖入射到第一環(huán)形器3的一環(huán)一端口a1，從第一環(huán)形器3的一環(huán)二端口b1出射的光經(jīng)過(guò)光纖入射到帶有第一直流電源1的第一原光源2，使其波長(zhǎng)被正弦調(diào)制。出射的調(diào)制光入射到第一環(huán)形器3的一環(huán)二端口b1，從第一環(huán)形器3的一環(huán)三端口c1出射，通過(guò)光纖進(jìn)入到第一耦合器9的一耦合一端口a’。帶有第二驅(qū)動(dòng)電源6的第二調(diào)制光源7發(fā)出的光通過(guò)光纖入射到第二環(huán)形器8的二環(huán)一端口a2，從第二環(huán)形器8的二環(huán)二端口b2出射的光經(jīng)過(guò)光纖入射到帶有第二直流電源4的第二原光源5，使其波長(zhǎng)被正弦調(diào)制。調(diào)制光入射到第二環(huán)形器8的二環(huán)二端口b2，從第二環(huán)形器8的二環(huán)三端口c2出射，通過(guò)光纖進(jìn)入到第一耦合器9的一耦合二端口b’。來(lái)自第一耦合器9的一耦合一端口a’和一耦合二端口b’的光經(jīng)過(guò)耦合，從第一耦合器9的一耦合三端口c’出射。出射光經(jīng)過(guò)光纖進(jìn)入第三環(huán)形器10的三環(huán)一端口a3，從第三環(huán)形器10的三環(huán)二端口b3射出。出射光經(jīng)過(guò)光纖入射到第二耦合器11的二耦合三端口c”，從第二耦合器11的二耦合二端口b”出射的光通過(guò)光纖入射到參考反射元件12。從第二耦合器11的二耦合一端口a”出射的光通過(guò)端面鍍有增透膜的準(zhǔn)直器14入射到被測(cè)物體13。參考反射元件12和被測(cè)物體13的反射光分別入射到第二耦合器11的二耦合二端口b”和二耦合一端口a”，兩束反射光在第二耦合器11中干涉，光從第二耦合器11的二耦合三端口c”出射，通過(guò)光纖入射到第三環(huán)形器10的三環(huán)二端口b3，從第三環(huán)形器10的三環(huán)三端口c3射出。出射光通過(guò)光纖照射到光電轉(zhuǎn)換元件15。光電轉(zhuǎn)換元件15輸出兩路電信號(hào)，其中一路電信號(hào)經(jīng)反饋控制電路18反饋到第一驅(qū)動(dòng)電源20和第二驅(qū)動(dòng)電源6。另一路電信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器16轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)入計(jì)算機(jī)17，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)17的數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算，最后顯示測(cè)量結(jié)果。
具體的描述是當(dāng)光電轉(zhuǎn)換元件15檢測(cè)到的干涉信號(hào)S(t)＝S1(t)+S2(t)＝cos[z1cos(ωc1t+θ1)+α1]+cos[z2cos(ωc2t+θ2)+α2]，(1)其中S1(t)、S2(t)分別為第一原光源2與第二原光源5產(chǎn)生的干涉信號(hào)。z1、z2分別為干涉信號(hào)S1(t)、S2(t)相位調(diào)制的振幅，ωc1，ωc2分別為第一原光源2和第二原光源5的正弦相位調(diào)制的頻率，t為時(shí)間，θ1、θ2分別為第一原光源2和第二原光源5正弦相位調(diào)制的初始相位，α1、α2分別為被測(cè)物體13引入到干涉信號(hào)S1(t)、S2(t)中的相位變化。
α1＝2πΔl/λ1(2)α2＝2πΔl/λ2(3)其中，λ1、λ2分別為第一原光源2和第二原光源5的中心波長(zhǎng)，Δl為測(cè)量干涉兩臂的光程差。
由式(2)、(3)可得α1與α2的差為Δα＝2πΔl/λe(4)其中λe＝λ1λ2/(λ1-λ2) (5)為合成波長(zhǎng)。對(duì)式(1)進(jìn)行傅立葉變換求得α1和α2值。由式(4)干涉兩臂可得光程差Δl＝(α1-α2)λe/2π。(6)如果物體沿光軸由位置一移動(dòng)到位置二，測(cè)得的光程差分別為Δl1、Δl2，則被測(cè)物體13的位移d＝(Δl2-Δl1)/2(7)由于第一原光源2與第二原光源5的驅(qū)動(dòng)電源均為直流電源，兩光源的波長(zhǎng)均為光熱調(diào)制，因此伴隨波長(zhǎng)調(diào)制產(chǎn)生的光源光強(qiáng)波動(dòng)與直接注入電流調(diào)制波長(zhǎng)相比大大下降。α1和α2的測(cè)量精度大大提高。由式(7)可知，位移的測(cè)量精度大大提高。由式(5)可知，選擇第一原光源2與第二原光源5中心波長(zhǎng)接近的光源，合成波長(zhǎng)λe的數(shù)值將很大，因此位移的測(cè)量范圍可以很大。若采用波長(zhǎng)分別為785nm和780nm的LD，合成波長(zhǎng)λe為122.46μm，位移的測(cè)量范圍擴(kuò)大到61.23μm。若采用波長(zhǎng)分別為1552.12nm和1552.22nm的LD，位移的測(cè)量范圍擴(kuò)大到12.05mm。與在先技術(shù)[1]相比，測(cè)量范圍大大擴(kuò)展了。同時(shí)，與在先技術(shù)[2]相比，本實(shí)用新型實(shí)際的測(cè)量范圍僅與使用的LD的波長(zhǎng)有關(guān)，不受采樣頻率限制，擴(kuò)大了儀器的適用范圍。
本實(shí)用新型與在先技術(shù)相比1.與在先技術(shù)[1]相比，本實(shí)用新型的雙調(diào)制光源全光纖位移測(cè)量?jī)x采用了雙原光源干涉測(cè)量結(jié)構(gòu)，使得測(cè)量范圍從原來(lái)的數(shù)百納米擴(kuò)大到現(xiàn)在的厘米量級(jí)。
2.與在先技術(shù)[2]相比，本實(shí)用新型的雙調(diào)制光源全光纖位移測(cè)量?jī)x采用光熱光頻調(diào)制，使得原光源光強(qiáng)被調(diào)制帶來(lái)的測(cè)量誤差降低，測(cè)量精度得以提高。
3.與在先技術(shù)[2]相比，本實(shí)用新型的雙調(diào)制光源全光纖位移測(cè)量?jī)x采用了雙原光源干涉測(cè)量結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)同數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率無(wú)關(guān)，從而使得本實(shí)用新型測(cè)量?jī)x的測(cè)量范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。
4.與在先技術(shù)[1，2]相比，本實(shí)用新型的雙調(diào)制光源全光纖位移測(cè)量?jī)x全光纖化，采用了光纖、光纖環(huán)形器和光纖耦合器等光纖器件替代了在先技術(shù)中的透鏡、偏振分束器、分束器等體光學(xué)器件，使得本實(shí)用新型的測(cè)量?jī)x體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)，由于照射到被測(cè)物體上的光斑尺寸很小，因此本實(shí)用新型還可用于微小物體位移的測(cè)量。


圖1為本實(shí)用新型的雙調(diào)制光源全光纖位移測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示的結(jié)構(gòu)中，第一原光源2和第二原光源5分別采用波長(zhǎng)為λ1＝785nm和λ2＝790nm的半導(dǎo)體激光器，第一調(diào)制光源19、第二調(diào)制光源7均采用波長(zhǎng)為780nm的半導(dǎo)體激光器。第一環(huán)形器3、第二環(huán)形器8、第三環(huán)形器10均為三端口光纖環(huán)形器。第一耦合器9、第二耦合器11都是三端口光纖耦合器。
通過(guò)反饋控制電路18和第一驅(qū)動(dòng)電源20、第二驅(qū)動(dòng)電源6，分別控制第一調(diào)制光源19、第二調(diào)制光源7的輸出光強(qiáng)變化，此變化作用于第一原光源2、第二原光源5。經(jīng)過(guò)光熱正弦調(diào)制的第一原光源2和第二原光源5的輸出光束λ1、λ2分別經(jīng)過(guò)第一環(huán)形器3、第二環(huán)形器8，由第一耦合器9耦合到第三環(huán)形器10。此光束通過(guò)第三環(huán)形器10后由第二耦合器11分成兩束。其中一束入射到參考反射元件12，另一束由光纖準(zhǔn)直透鏡作為準(zhǔn)直器14準(zhǔn)直后入射到被測(cè)物體13。被測(cè)物體13和參考反射元件12反射的探測(cè)光束和參考光束經(jīng)過(guò)第二耦合器11后，通過(guò)第三環(huán)形器10至光電轉(zhuǎn)換元件15。光電轉(zhuǎn)換元件15將接收到的探測(cè)光束和參考光束所形成的干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。此電信號(hào)一部分送到反饋控制電路18，通過(guò)第一驅(qū)動(dòng)電源20與第二驅(qū)動(dòng)電源6改變第一調(diào)制光源19與第二調(diào)制光源7的輸出光強(qiáng)，使得第一原光源2與第二原光源5產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)變化，以消除原光源波長(zhǎng)的溫度漂移及機(jī)械振動(dòng)引起的測(cè)量誤差。光電轉(zhuǎn)換元件15輸出電信號(hào)的另一部分由模數(shù)轉(zhuǎn)換器16轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入到計(jì)算機(jī)17中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。上述的合成波長(zhǎng)λe＝124.03μm，位移的測(cè)量范圍為62.015μm。
當(dāng)?shù)谝辉庠?和第二原光源5分別采用波長(zhǎng)為λ1＝780nm和λ2＝780.1nm時(shí)，合成波長(zhǎng)λe＝6084.78μm，位移的測(cè)量范圍擴(kuò)大到3.042mm。
權(quán)利要求1.一種雙調(diào)制光源全光纖位移測(cè)量?jī)x，包括<1>有帶第一直流電源(1)的第一原光源(2)和帶第二直流電源(4)的第二原光源(5)，有光電轉(zhuǎn)換器件(15)輸出的一路經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(16)連到計(jì)算機(jī)(17)上，被測(cè)物體(13)之前置有準(zhǔn)直器(14)；其特征在于<2>有帶第一驅(qū)動(dòng)電源(20)的第一調(diào)制光源(19)通過(guò)光纖與第一環(huán)形器(3)的一環(huán)一端口(a1)相連，上述第一原光源(2)通過(guò)光纖與第一環(huán)形器(3)的一環(huán)二端口(b1)相連，第一環(huán)形器(3)的一環(huán)三端口(c1)通過(guò)光纖與第一耦合器(9)的一耦合一端口(a’)相連；<3>有帶第二驅(qū)動(dòng)電源(6)的第二調(diào)制光源(7)通過(guò)光纖與第二環(huán)形器(8)的二環(huán)一端口(a2)相連，上述第二原光源(5)通過(guò)光纖與第二環(huán)形器(8)的二環(huán)二端口(b2)相連，第二環(huán)形器(8)的二環(huán)三端口(c2)通過(guò)光纖與第一耦合器(9)的一耦合二端口(b’)相連；<4>第一耦合器(9)的一耦合三端口(c’)通過(guò)光纖與第三環(huán)形器(10)的三環(huán)一端口(a3)相連，第三環(huán)形器(10)的三環(huán)二端口(b3)通過(guò)光纖與第二耦合器(11)的二耦合三端口(c”)相連，第二耦合器(11)的二耦合二端口(b”)通過(guò)光纖與參考反射元件(12)相連，第二耦合器(11)的二耦合一端口(a”)通過(guò)光纖與置放在被測(cè)物體(13)前的準(zhǔn)直器(14)相連；<5>第三環(huán)形器(10)的三環(huán)三端口(c3)通過(guò)光纖通到光電轉(zhuǎn)換器件(15)上，光電轉(zhuǎn)換器件(15)的輸出一路經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(16)連到計(jì)算機(jī)(17)上，光電轉(zhuǎn)換器件(15)輸出的另一路連接到反饋控制電路(18)上，反饋控制電路(18)的輸出分別連接到第一驅(qū)動(dòng)電源(20)和第二驅(qū)動(dòng)電源(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙調(diào)制光源全光纖位移測(cè)量?jī)x，其特征在于所說(shuō)的第一原光源(2)、第二原光源(5)、第一調(diào)制光源(19)和第二調(diào)制光源(7)均是半導(dǎo)體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙調(diào)制光源全光纖位移測(cè)量?jī)x，其特征在于所說(shuō)的第一環(huán)形器(3)，第二環(huán)形器(8)和第三環(huán)形器(10)是光纖環(huán)形器，或者是光隔離器和光耦合器的組合。
專利摘要一種雙調(diào)制光源全光纖位移測(cè)量?jī)x,包括兩個(gè)被調(diào)制的原光源。兩原光源發(fā)射的調(diào)制光束經(jīng)過(guò)全光纖連接的三個(gè)環(huán)形器和兩個(gè)光纖耦合器分別到達(dá)參考反射元件和被測(cè)物體。由參考反射元件和被測(cè)物體反射回來(lái)的光束在光纖耦合器中產(chǎn)生干涉。光電轉(zhuǎn)換元件將接收到的干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),一路經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器送到計(jì)算機(jī)。另一路經(jīng)過(guò)反饋控制電路分別送到第一驅(qū)動(dòng)電源和第二驅(qū)動(dòng)電源。本實(shí)用新型與在先技術(shù)相比,本實(shí)用新型采用了光熱光頻調(diào)制,采用了全光纖代替在先技術(shù)中的透鏡、分束器等光學(xué)元件,所以,本實(shí)用新型體積小,重量輕,結(jié)構(gòu)緊湊,抗干擾能力強(qiáng),測(cè)量精度高,測(cè)量范圍由在先技術(shù)的數(shù)百納米擴(kuò)大到厘米量級(jí)。
文檔編號(hào)G01B9/02GK2506975SQ0125367
公開(kāi)日2002年8月21日 申請(qǐng)日期2001年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月14日
發(fā)明者王向朝, 步揚(yáng), 王學(xué)鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所