專利名稱：一種光學(xué)干涉測(cè)量裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用光學(xué)干涉原理實(shí)現(xiàn)的精密測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)干涉測(cè)量裝置及其方法。
背景技術(shù)：
精密測(cè)量是一項(xiàng)在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中具有極其重要意義的技術(shù)，其中基于光學(xué)干涉原理實(shí)現(xiàn)的精密測(cè)量尤其得到廣泛應(yīng)用。這種干涉測(cè)量的基本原理非常簡(jiǎn)單，利用分束器將一束相干光分為兩束，其中一束作為參考光，另一束經(jīng)過相位調(diào)制器產(chǎn)生一個(gè)相位差，這個(gè)相位調(diào)制器與待測(cè)的物理量有關(guān)，然后兩束光重新匯聚，由于相位差的產(chǎn)生，匯聚到一起的兩束光發(fā)生干涉，輸出的光強(qiáng)隨著相位差變換而變化，這樣通過光強(qiáng)的測(cè)量就能夠獲得相位差的值，進(jìn)而獲得待測(cè)物理量的值。由于光波的相位非常敏感，因此這樣測(cè)得的物理量可以實(shí)現(xiàn)非常高的精度。因此，目前許多的精密測(cè)量是利用光學(xué)干涉方法來實(shí)現(xiàn)的，例如引力波探測(cè)、微納米位移測(cè)量、光纖陀螺和光纖聲納探測(cè)等。雖然不同的測(cè)量系統(tǒng)采用不同的干涉儀，如馬赫-增德爾干涉儀、邁克爾遜干涉儀、Sagnac干涉儀等，但這些干涉儀的基本原理都是基本相同的。
由于受到量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)原理的限制，這種基于光學(xué)干涉的測(cè)量都存著一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的量子力學(xué)測(cè)量精度極限，也就是相位測(cè)量的誤差Δθ必定大于等于N-1/2，其中N為光場(chǎng)的平均光子數(shù)。這主要是由于測(cè)量采用的激光光源屬于相干態(tài)，對(duì)相干態(tài)光強(qiáng)測(cè)量的起伏等于其平均光強(qiáng)的1/2次方，即N-1/2，而根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，相位和光強(qiáng)(與光子數(shù)有關(guān))是測(cè)量精度上相互制約的物理量，因此相位測(cè)量精度受制于光強(qiáng)的大小。由于受到測(cè)量精度的限制，要提高相位測(cè)量的靈敏度只能提高測(cè)量的光功率。由于激光器的功率有限并且在一些特殊應(yīng)用中光功率受到限制，因此有必要提出一種新的提高干涉測(cè)量相位靈敏度的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)干涉測(cè)量裝置及其方法。
光學(xué)干涉測(cè)量裝置它包括激光器、第一反射鏡、第一半透半反分束器、第二反射鏡、相位調(diào)制組件、第一探測(cè)器、第一差分器、相關(guān)器，激光器產(chǎn)生的相干光束經(jīng)過第一半透半反分束器分成兩個(gè)相干光束，其中一個(gè)相干光束經(jīng)過第一反射鏡的移動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)相位變化，另一個(gè)相干光束經(jīng)過第二反射鏡進(jìn)入相位調(diào)制組件，然后兩個(gè)相干光束經(jīng)過的半透半反分束器輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過探測(cè)器的探測(cè)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過第一差分器和相關(guān)器實(shí)現(xiàn)對(duì)相位變化的測(cè)量。
所述的相位調(diào)制組件是一個(gè)帶有光鎖相環(huán)控制單元的相位調(diào)制機(jī)構(gòu)，它包括分束器、第二半透半反分束器、第二探測(cè)器、第二差分器、放大器、環(huán)路濾波器、控制信號(hào)發(fā)生器、贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器、相位調(diào)制器，相干光束經(jīng)過相位調(diào)制器前后的兩個(gè)分束器的作用，產(chǎn)生的兩個(gè)相干光束經(jīng)過第二半透半反分束器輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過第二探測(cè)器的探測(cè)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)差分器，放大器、環(huán)路濾波器產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，控制信號(hào)和贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的贗隨機(jī)碼序列經(jīng)過控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)相位調(diào)制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
光學(xué)干涉測(cè)量方法包括如下步驟1)將一個(gè)取樣周期劃分為N個(gè)時(shí)隙；2)將每個(gè)時(shí)隙劃分為M個(gè)相位單元，這些相位單元中的相位均勻分布在
范圍；3)N個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)變化的相位形成N個(gè)長(zhǎng)度為M的贗隨機(jī)序列{ji，(i＝1...N，j＝1...M)}；4)第N個(gè)時(shí)隙的相位隨機(jī)序列滿足 所述的贗隨機(jī)碼序列是一種最大長(zhǎng)度線性反饋移位序列，即M-序列。
本發(fā)明利用特殊設(shè)計(jì)的贗隨機(jī)相位序列實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)量中相位靈敏度的提高。本發(fā)明只需要一般的相干光源(如激光)以及線性光學(xué)元件，因此在實(shí)現(xiàn)上比其他方案要容易得到多，在引力波探測(cè)、微納米位移測(cè)量、光纖陀螺和光纖聲納探測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。


圖1是光學(xué)干涉測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是測(cè)量時(shí)序、相位序列以及光強(qiáng)序列之間的關(guān)系圖；圖3是帶有光鎖相環(huán)控制單元的相位調(diào)制組件的一種實(shí)施例示意圖；圖中激光器1、第一反射鏡2、第一半透半反分束器3、第二反射鏡4、相位調(diào)制組件5、第一探測(cè)器6、第一差分器7、相關(guān)器8、分束器9、第二半透半反分束器10、第二探測(cè)器11、第二差分器12、放大器13、環(huán)路濾波器14、控制信號(hào)發(fā)生器15、贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器16、相位調(diào)制器17。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
一般的Michelson干涉儀工作原理如下由激光器1產(chǎn)生的相干光源通過一個(gè)分束器形成兩個(gè)干涉臂，其中一個(gè)臂上安裝相位傳感單元，相位傳感單元可以是移動(dòng)的反射鏡2，也可以通過其他方法來實(shí)現(xiàn)。而另外一個(gè)作為參考臂。當(dāng)兩個(gè)臂的相干光再次干涉時(shí)，兩臂的相位差會(huì)導(dǎo)致輸出光強(qiáng)的變化，通過探測(cè)器6測(cè)得的光強(qiáng)，最后利用光強(qiáng)與相位之間的關(guān)系得到相位的變化。
如圖1所示，光學(xué)干涉測(cè)量裝置包括激光器1、第一反射鏡2、第一半透半反分束器3、第二反射鏡4、相位調(diào)制組件5、第一探測(cè)器6、第一差分器7、相關(guān)器8，激光器1產(chǎn)生的相干光束經(jīng)過第一半透半反分束器3分成兩個(gè)相干光束，其中一個(gè)相干光束經(jīng)過第一反射鏡2的移動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)相位變化，另一個(gè)相干光束經(jīng)過第二反射鏡4進(jìn)入相位調(diào)制組件5，然后兩個(gè)相干光束經(jīng)過的半透半反分束器3輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過探測(cè)器6的探測(cè)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過第一差分器7和相關(guān)器8實(shí)現(xiàn)對(duì)相位變化的測(cè)量。本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上與一般的Michelson干涉儀不同是在干涉儀的參考臂上設(shè)置了一個(gè)相位調(diào)制器組件5。
如圖3所示，相位調(diào)制組件5是一個(gè)帶有光鎖相環(huán)控制單元的相位調(diào)制機(jī)構(gòu)，它包括分束器9、第二半透半反分束器10、第二探測(cè)器11、第二差分器12、放大器13、環(huán)路濾波器14、控制信號(hào)發(fā)生器15、贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器16、相位調(diào)制器17，相干光束經(jīng)過相位調(diào)制器17前后的兩個(gè)分束器9的作用，產(chǎn)生的兩個(gè)相干光束經(jīng)過第二半透半反分束器10輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過第二探測(cè)器11的探測(cè)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)差分器12，放大器13、環(huán)路濾波器14產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，控制信號(hào)和贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器16產(chǎn)生的贗隨機(jī)碼序列經(jīng)過控制信號(hào)發(fā)生器15產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)相位調(diào)制器17進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
為了減小相位調(diào)制引起的誤差，本發(fā)明采用一個(gè)包含光鎖相環(huán)控制單元的相位調(diào)制組件來產(chǎn)生相位序列。在相位調(diào)制器17前后分別用分束器9將部分光分出，然后經(jīng)過第二半透半反分束器10的干涉輸出兩路光信號(hào)，這兩路信號(hào)的光強(qiáng)與相位調(diào)制器產(chǎn)生的相位誤差有關(guān)，經(jīng)過第二探測(cè)器11接收得到電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過差分器12和放大器13輸入到環(huán)路濾波器14中，經(jīng)過環(huán)路濾波之后，將得到一個(gè)與相位誤差有關(guān)的環(huán)路反饋信號(hào)。為了抑制相位誤差，將環(huán)路反饋信號(hào)送入控制信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)與相位誤差變化相反的控制信號(hào)。這一控制信號(hào)和贗隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生器16產(chǎn)生的贗隨機(jī)信號(hào)序列一起輸入到控制信號(hào)產(chǎn)生器中，最后控制信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生的相位調(diào)制器所需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而這一驅(qū)動(dòng)信號(hào)使得相位調(diào)制器產(chǎn)生的相位變化正是我們所需要的贗隨機(jī)相位序列，而且誤差被控制到最小。這樣，相位誤差的大小光鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬決定，根據(jù)目前的技術(shù)水平可以減小30dB甚至更多。因此這種方法非常有利于提高相位測(cè)量的靈敏度和精確度。
光學(xué)干涉測(cè)量方法包括如下步驟1)將一個(gè)取樣周期劃分為N個(gè)時(shí)隙；2)將每個(gè)時(shí)隙劃分為M個(gè)相位單元，這些相位單元中的相位均勻分布在
范圍；3)N個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)變化的相位形成N個(gè)長(zhǎng)度為M的贗隨機(jī)序列{ji(i＝1...N，j＝1...M)}；4)第N個(gè)時(shí)隙的相位隨機(jī)序列滿足 所述的贗隨機(jī)碼序列是一種最大長(zhǎng)度線性反饋移位序列，即M-序列。
下面我們?cè)敿?xì)介紹這種光學(xué)干涉測(cè)量方法如何提高M(jìn)ichelson干涉儀的相位測(cè)量靈敏度。對(duì)于一個(gè)信號(hào)，我們選取其中的一個(gè)取樣周期Ts進(jìn)行研究。首先，我們將這一個(gè)取樣周期劃分為N個(gè)時(shí)隙，然后將每個(gè)時(shí)隙劃分為M個(gè)相位單元，這些相位單元中的相位均勻分布在
范圍內(nèi)隨機(jī)變化。這樣，N個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)變化的相位形成N個(gè)長(zhǎng)度為M的隨機(jī)序列{ji，(i＝1...N，j＝1...M)}，這種時(shí)隙與相位單元的關(guān)系如圖2所示。為了使得這些隨機(jī)相位變化產(chǎn)生的干擾消失，我們將第N個(gè)時(shí)隙的相位隨機(jī)序列設(shè)定為 由于這些隨機(jī)相位的作用，我們通過光探測(cè)器在每一個(gè)相位單元內(nèi)得到的輸出光強(qiáng)差為 其中i＝1...N，j＝1...M。為了得到相位差θ的信息，我們對(duì)這N個(gè)光強(qiáng)差序列{Iji}進(jìn)行相關(guān)分析，得到相關(guān)函數(shù)為⟨I⟩N=1MΣj=1M[Πi=1NIji]]]>
由方程(1)得到 這樣我們得到 其中 共有2N-1項(xiàng)，而且每一項(xiàng)中都包含有隨機(jī)相位ji，這些項(xiàng)求和結(jié)果的上限為2N-1。進(jìn)一步，利用最大長(zhǎng)度線性反饋移位序列(M-序列)方法生成N個(gè)贗隨機(jī)相位序列可以完全消除這些求和項(xiàng)，產(chǎn)生的方法如下先給出一個(gè)n階的生成多項(xiàng)式，利用循環(huán)移位的方法可以產(chǎn)生2n-1個(gè)不同的長(zhǎng)度為2n-1的贗隨機(jī)序列(序列每個(gè)單元的取值分別為0或者1)，然后從這些序列中選出N-1個(gè)長(zhǎng)度為M＝2n的序列(在序列的最后增加一個(gè)0或者1使得序列中的0和1的個(gè)數(shù)完全相等)。然后將這些序列中的0分別交替地映射為0和π，而將1分別交替地映射為π/2和3π/2。最后利用方程(1)產(chǎn)生出第N個(gè)序列。這樣得到的N個(gè)長(zhǎng)度為M的贗隨機(jī)相位序列可以完全消除方程(4)中的求和項(xiàng)。最后，我們得到相關(guān)函數(shù)為⟨I⟩N=2(Np2MN)Ncos(Nθ)---(5)]]>由相關(guān)函數(shù)和相位差θ之間的關(guān)系可以看出，干涉儀的相位探測(cè)靈敏度提高為原來的N倍。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)清楚，可以對(duì)本發(fā)明的基于多模波導(dǎo)中光場(chǎng)橫向模式的干涉測(cè)量?jī)x進(jìn)行各種改變和改進(jìn)，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明旨在包括不超出權(quán)力說明書范圍的各種改變和改進(jìn)以及它們的等同物。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)干涉測(cè)量裝置，其特征在于它包括激光器(1)、第一反射鏡(2)、第一半透半反分束器(3)、第二反射鏡(4)、相位調(diào)制組件(5)、第一探測(cè)器(6)、第一差分器(7)、相關(guān)器(8)，激光器(1)產(chǎn)生的相干光束經(jīng)過第一半透半反分束器(3)分成兩個(gè)相干光束，其中一個(gè)相干光束經(jīng)過第一反射鏡(2)的移動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)相位變化，另一個(gè)相干光束經(jīng)過第二反射鏡(4)進(jìn)入相位調(diào)制組件(5)，然后兩個(gè)相干光束經(jīng)過的半透半反分束器(3)輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過探測(cè)器(6)的探測(cè)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過第一差分器(7)和相關(guān)器(8)實(shí)現(xiàn)對(duì)相位變化的測(cè)量。
2.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)干涉測(cè)量裝置，其特征在于所述的相位調(diào)制組件(5)是一個(gè)帶有光鎖相環(huán)控制單元的相位調(diào)制機(jī)構(gòu)，它包括分束器(9)、第二半透半反分束器(10)、第二探測(cè)器(11)、第二差分器(12)、放大器(13)、環(huán)路濾波器(14)、控制信號(hào)發(fā)生器(15)、贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器(16)、相位調(diào)制器(17)，相干光束經(jīng)過相位調(diào)制器(17)前后的兩個(gè)分束器(9)的作用，產(chǎn)生的兩個(gè)相干光束經(jīng)過第二半透半反分束器(10)輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過第二探測(cè)器(11)的探測(cè)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)差分器(12)，放大器(13)、環(huán)路濾波器(14)產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，控制信號(hào)和贗隨機(jī)碼產(chǎn)生器(16)產(chǎn)生的贗隨機(jī)碼序列經(jīng)過控制信號(hào)發(fā)生器(15)產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)相位調(diào)制器(17)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
3.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的光學(xué)干涉測(cè)量方法，其特征在于包括如下步驟1)將一個(gè)取樣周期劃分為N個(gè)時(shí)隙；2)將每個(gè)時(shí)隙劃分為M個(gè)相位單元，這些相位單元中的相位均勻分布在
范圍；3)N個(gè)時(shí)隙中隨機(jī)變化的相位形成N個(gè)長(zhǎng)度為M的贗隨機(jī)序列{ji，(i＝1...N，j＝1...M)}；4)第N個(gè)時(shí)隙的相位隨機(jī)序列滿足
4.如權(quán)利要求3所述的一種光學(xué)干涉測(cè)量方法，其特征在于所述的贗隨機(jī)碼序列是一種最大長(zhǎng)度線性反饋移位序列，即M-序列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學(xué)干涉測(cè)量裝置及其方法。激光器產(chǎn)生的相干光束經(jīng)過第一半透半反分束器分成兩個(gè)相干光束，其中一個(gè)相干光束經(jīng)過第一反射鏡的移動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)相位變化，另一個(gè)相干光束經(jīng)過第二反射鏡進(jìn)入相位調(diào)制組件，然后兩個(gè)相干光束經(jīng)過的半透半反分束器輸出兩個(gè)干涉光束，兩個(gè)干涉光束經(jīng)過探測(cè)器的探測(cè)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過第一差分器和相關(guān)儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)相位變化的測(cè)量。本發(fā)明利用特殊設(shè)計(jì)的贗隨機(jī)相位序列實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)量中相位靈敏度的提高。只需要一般的相干光源以及線性光學(xué)元件，在引力波探測(cè)、微納米位移測(cè)量、光纖陀螺和光纖聲納探測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01B9/02GK101071058SQ20071006933
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者符建 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)