本發(fā)明涉及小角度測量基準裝置，特別涉及一種共模消噪雙激光測頻的超高精度小角度測量基準裝置。

背景技術：

1、小角度計量精度的提升對許多技術領域至關重要，涉及科學研究、工程、制造、導航等多個技術應用。在科學實驗和研究中，提升小角度計量精度可以幫助科學家更準確地觀測和測量微小的角度變化，從而提高實驗的可靠性和準確性。

2、在工程領域，如微機械系統(tǒng)(mems)、精密儀器和光學系統(tǒng)等，提高小角度計量的精度可以改善這些系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。目前，最常用的角度測量都是基于激光干涉法的原理(例如中國發(fā)明專利cn?104330054a、cn?1963384a、cn?102384730?b、cn?102506768?b公開的技術方案)，即將角度的變化轉化為激光干涉條紋的變化，這類方法實現(xiàn)的小角度測量精度較低，已無法滿足對高精度計量需求。根據(jù)現(xiàn)有技術的記載，目前實現(xiàn)的激光小角度基準裝置能夠實現(xiàn)的最高精度為0.001″。隨著科技的發(fā)展，如光刻機、激光雷達、精密機器人、虛擬現(xiàn)實等應用技術對小角度的高精度計量要求在不斷增加，進一步提升小角度計量精度已成為這些高精技術應用的要求。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是進一步提高小角度測量的精度，將角度的測量轉化為激光頻率的測量，提出一種基共模消噪雙激光測頻的超高精度小角度測量基準裝置。

2、發(fā)明人在前期研究工作中設計了一種基于干涉選頻和微棱鏡陣列反饋的小角度測量基準裝置，將角度測量轉化為激光頻率測量的基于窄帶干涉片激光器的小角度測量基準裝置，利用外腔半導體激光器中激光頻率對腔長的超高敏感性，將微棱鏡陣列與具有厚度d的壓電模塊集成為一體，并將壓電模塊的后表面中心位置放置在旋轉臺的軸心位置，即使微棱鏡陣列后表面與軸心的垂直距離為d，通過旋轉微棱鏡陣列與壓電模塊以改變激光通過為棱鏡陣列的光程長度，以改變諧振腔腔長，進而改變腔模頻率。具體地，如圖1所示，該小角度測量基準裝置包括依序設置在光路上的激光發(fā)生裝置和拍頻測量模塊，其中，所述激光發(fā)生裝置的輸出光光路上設置一高精密水平旋轉臺107，窄帶干涉片104、微棱鏡陣列105和壓電模塊106固定在高精密水平旋轉臺107上，微棱鏡陣列105的后表面與壓電模塊106的前表面粘接且壓電模塊106的后表面中心處于所述旋轉臺的軸心位置，在所述激光發(fā)生裝置與窄帶干涉片104之間設置偏振分光棱鏡103；所述激光發(fā)生裝置輸出的光經過窄帶干涉片104后被濾除帶外光，得到窄帶光；所述窄帶光經微棱鏡陣列105后被反射，經偏振分光棱鏡103后返回到激光二極管，當腔內振蕩達到閾值后，由偏振分光棱鏡103反射輸出被測激光；所述被測激光輸入至所述拍頻測量模塊，所述拍頻測量模塊將被測激光與由光梳系統(tǒng)110輸出的梳齒進行拍頻得到拍頻頻率，當被測激光頻率變化δf時，則拍頻頻率的變化量等于δf。通過測量拍頻頻率的變化量δf獲得窄帶干涉片旋轉角度。

3、其中，f0為高精密水平旋轉臺位于初始位置時的被測激光頻率，f1為高精密水平旋轉臺發(fā)生旋轉后的被測激光頻率。

4、根據(jù)公式f＝cλ-1，則df＝-cλ-2dλ，其中f是頻率，c是光速，λ是波長，且干涉片旋轉角度與透射波長在±1°范圍內存在近似線性關系k?nm/度，得知干涉片旋轉角度滿足公式：

5、

6、其中，k為當壓電模塊厚度d的取值滿足干涉片旋轉角度與微棱鏡陣列旋轉角度θ相等且兩者引起的波長變化量近似相等條件時，干涉片旋轉角度與λ′曲線的斜率：

7、

8、然而，由于自由運行條件下被測激光的頻率波動達到幾十khz，會影響角度測量的分辨力；同時，單一的激光波長標準拍頻比對會超出探測器的頻率測量范圍，無法滿足測量需求。因此需要進一步改進小角度測量裝置的結構及其測量方法，使測量更簡單、精度更高以滿足如光刻機、激光雷達、精密機器人、虛擬現(xiàn)實等應用技術對小角度的高精度計量的需求依然是本技術領域想要解決的技術問題。

9、本發(fā)明的思路是在前期研究工作的基礎上，增加一套角度測量裝置，構成共模裝置。具體地，兩套角度測量裝置選用不同厚度的環(huán)形壓電模塊，支撐微棱鏡陣列對軸心的垂直距離，以期實現(xiàn)兩套裝置中旋轉微棱鏡陣列引起的腔模變化與干涉選頻分別同步，將兩套角度測量裝置輸出頻率進行拍頻比對，在消除共模噪聲的同時得到兩套裝置的頻率差，且輸出頻率差值范圍控制在100ghz以內，使其實現(xiàn)角度測量的同時，不超出探測器的頻率測量范圍。以解決前期研究工作中自由運行條件下被測激光的頻率波動范圍大和輸出頻率范圍超出探測器測量范圍的現(xiàn)象，實現(xiàn)小角度的超高精度連續(xù)測量。

10、為此，本發(fā)明提供一種共模消噪雙激光測頻的超高精度小角度測量基準裝置，所述裝置包括平行設置的第一光路機構與第二光路機構和拍頻測量模塊，其中，第一光路機構包括第一激光發(fā)生裝置，第一激光發(fā)生裝置的輸出光光路上設置一高精密水平旋轉臺7，第一窄帶干涉片3、第一微棱鏡陣列4和第一環(huán)狀壓電模塊5平行固定在高精密水平旋轉臺7上，第一微棱鏡陣列4的后表面與第一環(huán)狀壓電模塊5的前表面粘接且第一環(huán)狀壓電模塊5的后表面中心處于所述旋轉臺的軸心位置；

11、第二光路機構包括第二激光發(fā)生裝置和平行設置的第二窄帶干涉片33、第二微棱鏡陣列44和第二環(huán)狀壓電模塊55，第二微棱鏡陣列44的后表面與第二環(huán)狀壓電模塊55的前表面粘接，且第二環(huán)狀壓電模塊55的后表面與第一環(huán)狀壓電模塊5的后表面處于同一平面內，且第二環(huán)狀壓電模塊55的后表面中心處于所述旋轉臺的軸心位置；

12、第一激光二極管1與第二激光二極管11的初始波長相等；

13、第一環(huán)狀壓電模塊5的厚度d1不等于第二環(huán)狀壓電模塊55的厚度d2；

14、在各光路機構中，激光發(fā)生裝置各自輸出的光經過各自的窄帶干涉片后被濾除帶外光，得到窄帶光；所述窄帶光經各自的微棱鏡陣列后被反射、返回到激光二極管，當腔內振蕩達到閾值后，由各自的微棱鏡陣列輸出，得到第一被測激光和第二被測激光；兩束被測激光分別輸入至所述拍頻測量模塊，所述拍頻測量模塊將兩束被測激光進行拍頻得到拍頻頻率，當?shù)谝槐粶y激光頻率和第二被測激光頻率分別變化δf1和δf2時，則拍頻頻率的變化量等于δf＝δf2-δf1。

15、在本發(fā)明中，第一、第二微棱鏡陣列可由具備高逆反射系數(shù)的棱鏡型超強級反光膜實現(xiàn)，例如采用中國發(fā)明專利申請cn?201410823342.3公開的微棱鏡型反光膜。

16、在本發(fā)明中的每一光路中，微棱鏡陣列的后表面與環(huán)狀壓電模塊的前表面粘接在一起且環(huán)狀壓電模塊的后表面中心處于旋轉臺的軸心位置，因此，可以通過調節(jié)環(huán)狀壓電模塊的電壓來調整微棱鏡陣列后表面與旋轉臺軸心的垂直距離d，以補償環(huán)狀壓電模塊厚度誤差以及軸心位置與環(huán)狀壓電模塊后表面中心位置的偏離誤差，對裝置進行優(yōu)化。

17、在本發(fā)明中，第一、第二光路機構是實質性相同的，例如它們的激光二極管、窄帶干涉片具有相同的參數(shù)，只是環(huán)狀壓電模塊的厚度不同，因而具有不同的諧振腔腔長。在各光路中，各光學元件均應當位于光路中，以便激光通過。

18、在本發(fā)明中，為了便于解釋而非限定，將激光輸出裝置在光路中的所處位置稱為“前”，將環(huán)狀壓電模塊在光路中的所處位置稱為“后”，因此，以為微棱鏡陣列為例，朝向激光輸出裝置的一面稱為“前表面”，另一面稱為“后表面”。

19、以第一光路機構為例，結合圖2-3具體解釋其工作原理如下：

20、如圖2所示，當微棱鏡陣列(與窄帶干涉片、環(huán)狀壓電模塊粘接為一體)垂直于光路時，入射角為0°，設此時諧振腔腔長l＝l1，l1為入射角為0°時激光器輸出光面到微棱鏡陣列的前表面的長度。當旋轉臺發(fā)生角度為θ的旋轉時，此時微棱鏡陣列也旋轉θ，入射角為θ，腔長所以當旋轉臺發(fā)生旋轉、微棱鏡陣列從入射角為0°旋轉至θ(°)時，引起的腔長變化量為：其中d為環(huán)狀壓電模塊的厚度，即微棱鏡陣列與軸心的垂直距離。

21、根據(jù)腔長改變半波長時，頻率變化c/2l的關系式為：可得第一光路機構中諧振腔抖動δl與腔模頻率變化量δf的關系為：

22、其中f是頻率，λ0是激光發(fā)生裝置發(fā)出的初始波長(第一激光發(fā)生裝置與第二激光發(fā)生裝置的初始波長相同，均記為λ0)。

23、已知可得由微棱鏡陣列旋轉θ角度時引起的第一腔模波長變化量δλ1與微棱鏡陣列與軸心的垂直距離d1及其旋轉角度θ的關系：

24、假設激光入射微棱鏡陣列的入射角為0°時，腔長當微棱鏡陣列旋轉θ時，腔長所以當微棱鏡陣列旋轉的角度為θ時，可以得到此時的腔模波長其中n取正數(shù)，d1為第一環(huán)狀壓電模塊的厚度，即微棱鏡陣列與軸心的垂直距離，l1為入射角為0°時激光器輸出光面到微棱鏡陣列的前表面的長度。

25、另一方面，在第一光路機構中，第一窄帶干涉片旋轉角與透射波長λ′的關系關系式如下：

26、

27、λ0為窄帶干涉片垂直于光線時的初始透射波長，neff為窄帶干涉片的折射率，則干涉片旋轉引起的透射波長變化量δλ′為：δλ′＝λ0-λ′。

28、由于本發(fā)明的窄帶干涉片與微棱鏡陣列平行放置，當旋轉臺旋轉θ角度時，窄帶干涉片的旋轉角與微棱鏡陣列的旋轉角度θ相等。所以，通過調整第一微棱鏡陣列與軸心的垂直距離d1使微棱鏡陣列旋轉θ角度引起的腔模波長變化量與窄帶干涉片旋轉角度引起的透射波長變化量相等或近似相同(在本發(fā)明中，“近似相同”理解為誤差極小而可視為相等)，可使腔模頻率與干涉片透射峰中心頻率同步變化，如圖2(b)所示，第一光路中腔模頻率2b由f1變化至f1'，此時的干涉片透射峰中心頻率1b變化量為δf1，它們同步變化即可以保證f1'-f1＝δf1，使輸出激光頻率可以連續(xù)變化，從而將角度的連續(xù)變化轉化成頻率的連續(xù)變化，解決單一的干涉片旋轉引起的激光頻率跳?，F(xiàn)象，實現(xiàn)連續(xù)的小角度測量。

29、類似地，對于第二光路機構，設置第二環(huán)狀壓電模塊厚度為d2(d2≠d1)，即微棱鏡陣列與旋轉臺軸心的垂直距離為d2，使其同樣滿足微棱鏡陣列旋轉θ角度引起的腔模波長變化量與窄帶干涉片旋轉θ角度引起的透射波長變化量相等。如圖2(b)所示，第二光路機構中腔模頻率22b由f1變化至f″1，此時的干涉片透射峰中心頻率11b變化量為δf2，它們同步變化即可以保證f″1-f1＝δf2。由于兩個光路中環(huán)狀壓電模塊的厚度不同，即兩路的微棱鏡陣列到軸心的距離不同，因此盡管旋轉角度θ相同，但兩路的微棱鏡陣列分別由旋轉角度θ引起的腔模頻率變化量不同。從圖2(b)中可以看出，因此，輸入到偏振分光棱鏡的兩條光路的頻率差δf＝δf2-δf1。

30、兩條光路輸出激光隨旋轉臺轉角θ的變化而產生的激光頻率的變化分別為：則兩束激光的頻率差為：其中c是光速。即將兩束激光的拍頻比對得到兩束激光的頻率差，從而將頻率差轉化為旋轉臺的旋轉角度。

31、根據(jù)窄帶干涉片旋轉角度與拍頻頻率的變化量δf存在線性關系k′(hz/度)，得知拍頻頻率的變化量δf與窄帶干涉片旋轉角度的關系是：

32、

33、其中，k′為旋轉角度θ與頻率變化曲線的斜率，k′的取值可通過測量窄帶干涉片的旋轉角度與兩路被測激光的頻率變化量獲得，或通過以下公式獲得：

34、

35、在本發(fā)明中，所述第一激光發(fā)生裝置包括依序設置在第一光路上的第一激光二極管(1)和第一準直透鏡(2)，且第一窄帶干涉片(3)的透射峰中心波長與第一激光二極管(1)的波長匹配；所述第二激光發(fā)生裝置包括依序設置在第二光路上的第二激光二極管(11)和第二準直透鏡(22)，且第二窄帶干涉片(33)的透射峰中心波長與第二激光二極管(11)的波長匹配。

36、在本發(fā)明中，所述激光發(fā)生裝置是本領域的常規(guī)設置，在第一和第二光路機構中，分別包括依序設置在該光路上的激光二極管和準直透鏡。其中，激光二極管的工作波段可以是任意波段，優(yōu)選地，從便于獲得或節(jié)約經濟的角度考慮，可采用780nm波段激光二極管。本領域技術人員也可以選擇其他工作波長的激光二極管，如420nm、850nm、1550nm激光二極管等。但第一激光二極管和第二激光二極管的波段相同。

37、這樣，在第一和第二光路機構中，激光二極管輸出的發(fā)散光經過準直透鏡準直為平行光，平行光經過窄帶干涉片后被濾除帶外光，得到窄帶光；該窄帶光到達微棱鏡陣列前表面，經微棱鏡陣列后得到與窄帶光共線反向的反射光；該反射光反饋回到激光二極管，當腔內振蕩達到閾值后，從微棱鏡陣列輸出作為被測激光。兩束被測激光到達拍頻測量模塊進行拍頻比對，通過測量拍頻頻率的變化量δf，利用公式將頻率變化量轉換成旋轉角度θ的變化。

38、拍頻測量屬于本領域的現(xiàn)有技術。作為一種優(yōu)選的實施方式，包括設置在第二環(huán)狀壓電模塊55出射光方向的反射鏡6、設置在反射鏡6反射光方向的第一半波片9、設置在第一環(huán)狀壓電模塊5出射光方向的第二半波片10、以第一半波片9和第二半波片10的輸出光作為輸入的偏振分光棱鏡15、設置在偏振分光棱鏡15輸出光方向的寬帶探測器12和頻率計數(shù)器13；

39、第二被測激光經第一半波片9射入偏振分光棱鏡15后被全部反射，第一被測激光經第二半波片10射入偏振分光棱鏡15，兩束被測激光合束后到達寬帶探測器12，寬帶探測器12連接到頻率計數(shù)器13，頻率計數(shù)器13兩束被測激光的拍頻頻率，得到拍頻頻率的變化量δf。

40、在本發(fā)明中，由于第一光路機構和第二光路機構的結構相同、只是環(huán)狀壓電模塊的厚度不同，因此作為另一種實施方式，反射鏡6也可以設置在第一光路結構中，即將反射鏡6設置在第一環(huán)狀壓電模塊5的出射光方向。通過反射鏡6的反射，同樣實現(xiàn)將第一、第二被測激光輸入到偏振分光棱鏡中，實現(xiàn)拍頻頻率測量。

41、在本發(fā)明中，寬帶探測器、頻率計數(shù)器和光梳系統(tǒng)都屬于本領域的現(xiàn)有設備，例如采用50ghz的寬帶探測器。

42、本發(fā)明的高精密水平旋轉臺是可在商業(yè)購買獲得的產品，例如thorlabs公司銷售的小型旋轉位移臺(pdr1c)。

43、作為本發(fā)明的一種實施方式，本發(fā)明可以將第一窄帶干涉片3粘接在第一微棱鏡陣列4的前表面，第一窄帶干涉片3、第一微棱鏡陣列4和第一環(huán)狀壓電模塊5固定為一體、共同固定在所述旋轉臺上；將第二窄帶干涉片33粘接在第二微棱鏡陣列44的前表面，第二窄帶干涉片33、第二微棱鏡陣列44和第二環(huán)狀壓電模塊55固定為一體、共同固定在第一環(huán)狀壓電模塊5上。即窄帶干涉片、微棱鏡陣列和環(huán)狀壓電模塊三者集為一體，共同固定在旋轉臺上，提高系統(tǒng)的機械魯棒性。

44、根據(jù)一種優(yōu)選的實施方式，本發(fā)明還包括超低膨脹率玻璃基座14，將第一和第二光路上的激光二極管、準直透鏡、一體化的窄帶干涉片-微棱鏡陣列-環(huán)狀壓電模塊和高精密水平旋轉臺7、旋轉臺固定座8固定在由超低膨脹率玻璃制造的基座上，可用于減小腔長抖動對被測激光自由運行時的頻率的影響，將激光頻率波動穩(wěn)定到hz量級，這種設置可以進一步提高角度測量分辨力。

45、在本發(fā)明中，超低膨脹率玻璃可采用如美國康寧公司銷售的超低膨脹玻璃(ule)。

46、另一方面，本發(fā)明還提供一種可連續(xù)測量的小角度測量方法，所述方法包括以下步驟：

47、(1)使第一激光二極管發(fā)出的激光經過第一窄帶干涉片后得到窄帶光；所述窄帶光經第一微棱鏡陣列后被反射、返回到第一激光二極管，當腔內振蕩達到閾值后，由第一微棱鏡陣列輸出第一被測激光；

48、使第二激光二極管發(fā)出的激光經過第二窄帶干涉片后得到窄帶光；所述窄帶光經第二微棱鏡陣列后被反射、返回到第二激光二極管，當腔內振蕩達到閾值后，由第二微棱鏡陣列輸出第二被測激光；

49、所述窄帶干涉片和微棱鏡陣列平行固定在一高精密水平旋轉臺上，微棱鏡陣列的后表面粘接一環(huán)狀壓電模塊，環(huán)狀壓電模塊后表面中心處于所述旋轉臺的軸心位置，因此當所述旋轉臺旋轉時，窄帶干涉片和微棱鏡陣列與入射角同時發(fā)生改變且角度變化量相等；

50、(2)當所述高精密水平旋轉臺發(fā)生旋轉時，第一光路機構和第二光路機構的窄帶干涉片與微棱鏡陣列同步旋轉，根據(jù)各光路機構中不同的環(huán)狀壓電模塊厚度d的取值，繪制微棱鏡陣列旋轉角度為θ時引起的腔模波長變化量δλ曲線，δλ與微棱鏡陣列的旋轉角度θ滿足以下關系：

51、

52、其中，l為各光路機構中激光二極管輸出光端面到微棱鏡陣列前表面的長度，λ0是激光初始波長，d是環(huán)狀壓電模塊厚度，δλ是微棱鏡陣列旋轉角度為θ時引起的腔模波長變化量；

53、(3)通過以下公式得到各光路機構中窄帶干涉片旋轉角度與透射波長λ′的關系表達式如下：

54、

55、λ0為窄帶干涉片垂直于光線時的初始透射波長，neff為第一、第二窄帶干涉片的折射率，則干涉片旋轉引起的透射波長變化量δλ′為：δλ′＝λ0-λ′，

56、(4)對于第一光路機構和第二光路機構，步驟(1)的兩束被測激光輸入至拍頻測量模塊，由拍頻測量模塊將第一光路機構和第二光路機構的兩束被測激光進行拍頻得到拍頻頻率差δf＝δf2-δf1；

57、(5)當?shù)谝画h(huán)狀壓電模塊厚度d1的取值滿足且δλ1＝δλ1′條件，且第二環(huán)狀壓電模塊厚度d2的取值滿足且δλ2＝δλ2′條件(即第一微棱鏡陣列旋轉θ角度引起的腔模波長變化量δλ1與第一窄帶干涉片旋轉角度引起的透射波長變化量δλ1′近似相等，第二微棱鏡陣列旋轉θ角度引起的腔模波長變化量δλ2與第二窄帶干涉片旋轉角度引起的透射波長變化量δλ2′近似相等)，且d1≠d2，兩路腔模波長分別與干涉片透射波長在同一角度下的差值不超過20pm時，計算微棱鏡陣列的旋轉角度θ，所述拍頻頻率的變化量δf與微棱鏡陣列的轉角度θ的關系是：

58、其中c為光速。

59、根據(jù)窄帶干涉片旋轉角度與拍頻頻率的變化量δf存在線性關系k′(hz/度)，得知拍頻頻率的變化量δf與窄帶干涉片旋轉角度的關系是：

60、

61、其中，k′為旋轉角度與頻率變化曲線的斜率，k′的取值可通過測量窄帶干涉片的旋轉角度與兩路被測激光的頻率變化量獲得，或通過以下公式獲得：

62、

63、本發(fā)明的小角度測量基準裝置采用窄帶干涉片進行窄帶濾光，將激光二極管發(fā)出的寬帶光濾光成窄帶光束，在微棱鏡陣列的光反饋下實現(xiàn)激光頻率對旋轉角度極其敏感的被測激光輸出，從而將旋轉角度的小角度變化反映在兩束被測激光的頻率差δf上。其中，通過調整環(huán)狀壓電模塊的電壓優(yōu)化自身厚度d(即微棱鏡陣列后表面與軸心的垂直距離)，可使腔模頻率的變化與干涉片透射峰中心頻率的變化保持同步，以解決單一的干涉片旋轉引起的激光頻率跳模和單一的改變腔長(旋轉微棱鏡陣列)引起的頻率可調諧范圍小的問題。

64、由于單套角度測量裝置自由運行窄帶干涉片激光器的頻率波動在幾十khz量級，因此角度測量極限可以轉換成幾十khz的激光頻率測量，對應的角度測量極限約為0.0001″量級。本發(fā)明采用平行設置的第一、第二光路機構，將兩套角度測量裝置組成一套裝置，消除了一部分共模噪聲，將整套裝置自由運行窄帶干涉片激光器的頻率波動降低到幾khz量級，將角度測量極限可以轉換成幾khz激光頻率測量，對應的角度測量極限約為0.0001″量級。當進一步通過超低膨脹率玻璃基座將自由運行窄帶干涉片激光器的頻率波動穩(wěn)定在hz量級時，對應的角度測量分辨力可實現(xiàn)約0.000001″量級，實現(xiàn)小角度計量超高精度角度測量分辨力的大幅提升。

65、本發(fā)明的共模消噪雙激光測頻的超高精度采用兩套角度測量裝置進行角度測量，將角度的變化量轉化為兩套裝置輸出激光的頻率差的變化。在不超出探測器測量范圍的同時，有效地消除了一部分共模噪聲，使角度測量極限達到0.00001”量級。該裝置可以應用到mems、精密儀器和光學系統(tǒng)中，滿足這類高精密設備的應用需求。