專利名稱：用時(shí)間延遲激光感生雙光柵測定兩獨(dú)立相干光相對相位變化的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測量方法，特別是測量兩獨(dú)立的相干光源間相位相對變化的方法以及專用的裝置。
由于光源的相位是一個(gè)無規(guī)起伏的量，因而直接測量光源相位的變化幾乎是不可能的。原有的技術(shù)幾乎都是采用干涉的方法來測定一束光相位的改變，如1、High-Precise retardation measurement using a Phase detection of Young′s fsings Proc SPIE-Int Soc Opt Eng(USA)Vol 1163 p.30-8(1989)2、A new method for measuring phase shift in heterodyne interferometric measurementRev Sci Instrum.(U.S.A).vol.61.no.5P.1442-7(May 1990)但是所有這些方法都不能測定兩個(gè)獨(dú)立相干光之間的相對相位變化，因?yàn)閮蓚€(gè)獨(dú)立的相干光源之間沒有固定的相位關(guān)系，它們之間不能發(fā)生干涉，因而現(xiàn)有測定光相位變化的干涉方法無法用來測量兩獨(dú)立的相干光源間的相對相位變化。
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，從而提供一種利用時(shí)間延遲激光感生雙光柵來測定兩獨(dú)立的相干光源間相對相位變化的方法及裝置。該方法用兩獨(dú)立的相干光源的光分別分介為兩束光，它們在介質(zhì)中分別感生出周期性的空間光柵，兩個(gè)空間光柵在介質(zhì)中相互迭加而形成一個(gè)周期性的結(jié)構(gòu)，用一個(gè)可調(diào)光學(xué)延時(shí)器將每一獨(dú)立相干光源的光所分介成的兩束光中的一束光加以可調(diào)延時(shí)，因而上述周期性結(jié)構(gòu)隨光延時(shí)的大小而變化。用一束探測光去探測介質(zhì)中形成的上述的周期性結(jié)構(gòu)的變化，測量探測光被周期性結(jié)構(gòu)所衍射而產(chǎn)生的信號光及測量信號光強(qiáng)度同光延時(shí)的關(guān)系曲線，該信號光的強(qiáng)度隨光學(xué)延時(shí)量的大小而周期性地被調(diào)制。兩獨(dú)立相干光源的相位發(fā)生變化時(shí)，信號光強(qiáng)度-光學(xué)延時(shí)量大小關(guān)系曲線上峰值位置發(fā)生移動(dòng)。從峰值位置的移動(dòng)計(jì)算出兩獨(dú)立相干光源間相位的變化。


圖1是時(shí)間延遲激光感生雙光柵測定兩獨(dú)立相干光源間相位變化的原理圖，圖2是本發(fā)明的一種裝置圖，下面結(jié)合附圖1和附圖2進(jìn)行詳細(xì)地說明。
本發(fā)明的方法是泵浦光束(1)和(2)均由來自兩獨(dú)立相干光源的頻率為ω1和ω2的光所組成。頻率為ω1的光通過分束片BS3后分成兩束光，一束光通過反射鏡M4，光學(xué)延遲線ODL和反射鏡M5而射入介質(zhì)S，另一束光通過補(bǔ)償器C2，分束片BS4而射入介質(zhì)S，這兩束光在介質(zhì)中發(fā)生干涉。由于介質(zhì)對光有一定吸收，在干涉花樣光強(qiáng)強(qiáng)的地方介質(zhì)的溫度就較高;在干涉花樣的暗處，介質(zhì)的溫度就較低，從而形成一個(gè)介質(zhì)溫度的空間周期性分布，即感生的熱光柵。對頻率為ω2的光來說情況是一樣的，也就是說ω1和ω2分別在介質(zhì)中感生出它們自己的熱光柵TGI和TG2。如果將另一束探測光(3)射到介質(zhì)中，那么四波混頻信號就是該探測光(3)被TG1和TG2衍射的結(jié)果。熱光柵TG1和TG2的條紋間距為Λi≈λi/θ(i＝1，2)，其中θ是兩泵浦光束間的夾角。因?yàn)棣?≠Λ2，因而熱光柵TG1和TG2的相對位置將從同相位變?yōu)榉聪辔?，然后又是同相位，如圖1所示。L是TG1和TG2的條紋數(shù)目之差為1的距離，L≈λ121λ12-λ21.0]]>為方便起見，考慮探測光束(3)的直徑遠(yuǎn)小于L。當(dāng)TG1和TG2同相位時(shí)，它們在空間增強(qiáng)性地相干，因而四波混頻信號就得到增強(qiáng);反之，如果TG1和TG2的相位相反，四波混頻信號就減小。在本發(fā)明中，為了測量頻率為ω1和ω2的相干光之間的相位變化，我們測量四波混頻信號的強(qiáng)度同兩泵浦光之間的相對時(shí)間延遲τ的關(guān)系。當(dāng)改變相對時(shí)間延遲τ時(shí)，泵浦光中頻率為ω1和ω2的光波同時(shí)被延時(shí)。由于ω1ω2，當(dāng)τ變化時(shí)TG1和TG2間的相對相位也就發(fā)生了變化，因而四波混頻信號的強(qiáng)度就相應(yīng)地被調(diào)制，它的調(diào)制周期為2π1ω1-ω2l-1，調(diào)制曲線上相鄰的兩峰相應(yīng)于TG1和TG2的相位差2π.因而如果以泵浦光1作為標(biāo)準(zhǔn)，泵浦光2中ω1和ω2的相位，或ω1ω2間的相位差發(fā)生變化時(shí)，四波混頻信號調(diào)制曲線峰值的位置就發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)。換言之，如果我們以泵浦光1作為標(biāo)準(zhǔn)，我們可以由四波混頻信號調(diào)制曲線峰值位置的移動(dòng)來精確地測量ω1或ω2的相位變化以及ω1ω2間相位差的變化。
本發(fā)明的方法所用的相干光源是連續(xù)波相干光源或脈沖相干光源均可，所使用的光學(xué)延時(shí)器是棱鏡光學(xué)延時(shí)器、反射鏡光學(xué)延時(shí)器和其它可產(chǎn)生光學(xué)延時(shí)的任何裝置。另外，所說的兩獨(dú)立相干光源的光感生出空間光柵的介質(zhì)可以是同一介質(zhì)，也可以是兩種不同的介質(zhì)。對于兩種不同介質(zhì)的情況，兩探測光是從同一光源產(chǎn)生的，兩探測光分別被兩個(gè)空間光柵衍射產(chǎn)生兩個(gè)信號光，這兩個(gè)信號光在探測器上相干后被檢測。所用介質(zhì)可以是氣體、液體或凝聚態(tài)物質(zhì)，液晶、光折變材料。在介質(zhì)中所感生出的周期性空間光柵可以是熱光柵、布居?xùn)呕蚍肿尤∠蚬鈻拧?br> 本發(fā)明的利用時(shí)間延遲激光感生雙光柵測量兩獨(dú)立的相干光相對相位變化的裝置，包括由相干光源(1)、光延遲器ODL、改變光相位的器件C1，C2，分束片BS，探測光源(3)，反射鏡M、光探測器PD、光電信號處理器(2)、介質(zhì)S、微機(jī)(4)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(5)組成;其光路為兩獨(dú)立相干光源(1)發(fā)射的ω1光和ω2，ω1通過光延遲器ODL入射到介質(zhì)S ω2通過改變相位器件入射到介質(zhì)S;探測光源(3)的發(fā)射光入射到介質(zhì)S，通過ODL延遲器的光信號入射到光電信號處理器(2)再輸入到微機(jī)(4)，微機(jī)(4)的電信號輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(5)再到ODL，改變光相位的器件包括補(bǔ)償器、半波片、光楔、1/4波片等。光電信號處理器包括信號平均器、Boxcovr積分器，鎖相放大器。
下面結(jié)合附圖和本發(fā)明裝置的實(shí)施方案對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明圖2所示的框圖是本發(fā)明利用時(shí)間延遲激光感生雙光柵法來測量兩獨(dú)立的相干光相位差變化的一個(gè)裝置和具體測量過程的一種實(shí)施例。圖中YAG和SHG是NdYAG激光器及二次諧波發(fā)生器;DLI和DL2是染料激光器;BS1，BS2，BS3，BS4是分束片;M1，M2，M3，M4，M5，M6，M7，M8是反射鏡;ODL是光學(xué)延遲線;PD是光二極管;S是介質(zhì);C1，C2是巴俾涅一索累補(bǔ)償器;EG&G4203是信號平均器(2);HP-85是微計(jì)算機(jī)(3);MOTOR-DRIVER是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。介質(zhì)是嗪的乙醇溶液，克分子濃度為2×10-4。由NdYAG激光器的二次諧波泵浦的染料激光器DL1和DL2產(chǎn)生波長為5820埃和5840埃的激光。其脈沖寬度為5ns，線寬分別為0.07埃和0.3埃，激光脈沖的能量約100μJ。這兩束激光分別被反射鏡M1，M3及M2反射后通過BS3并合到一起并分成泵浦光1和泵浦光2;泵浦光1被M4反射后，通過光延遲線ODL，被M5反射后射入介質(zhì)S;泵浦光2通過補(bǔ)償器C2后被分束片BS4部分反射，同泵浦光1以1.5°的夾角在介質(zhì)中相交。光斑直徑為1mm。泵浦光1和泵浦光2間的相對時(shí)間延遲由步進(jìn)電機(jī)控制的光學(xué)延遲線ODL來改變。光學(xué)延遲線是一塊安裝在可移動(dòng)底座上的等腰直角棱鏡，光束垂直于棱鏡的斜面入射到棱鏡中，經(jīng)兩側(cè)面全反射后，反向地出射。步進(jìn)電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使安有直角棱鏡的底座沿光束方向前后平動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)光束的延時(shí)。用NdYAG激光器的二次諧波作為探測光(光束3)，它沿著光束1的相反方向傳播。在介質(zhì)上探測光的直徑為0.2mm。四波混頻信號(光束4)幾乎沿光束2的反向傳播。微調(diào)M3使TG1及TG2產(chǎn)生的四波混頻信號在同一方向上，該信號通過分束器BS4，用光二極管探測后送入信號平均器。微機(jī)HP-85用于數(shù)據(jù)采集并用來控制步進(jìn)電機(jī)以改變相對時(shí)間延遲τ。從DL1及DL2發(fā)出的激光ω1及ω2均為垂直偏振。補(bǔ)償器C1將ω2的偏振轉(zhuǎn)90°。補(bǔ)償器C2的晶體光軸垂直(或水平)取向，因而改變補(bǔ)償器C2的光學(xué)厚度時(shí)，ω1和ω2的相對相位發(fā)生變化，但其偏振狀態(tài)不變。
我們測量四波混頻信號強(qiáng)度隨相對時(shí)延τ變化的曲線。對于補(bǔ)償器C2的不同光學(xué)厚度，該曲線的四波混頻信號峰值處于不同的位置。從補(bǔ)償器C2的讀數(shù)計(jì)算出其光學(xué)厚度的變化，從而計(jì)算出由此引起的光束1和光束2之間附加的時(shí)間延遲。對此進(jìn)行修正后，從四波混頻信號峰值位置的移動(dòng)就可測出TG1及TG2(因而ω1及ω2)間的相位差的變化。
另一方面，從補(bǔ)償器C2光學(xué)厚度的變化，計(jì)算出由此引起的ω1、ω2間相位差的變化。測量值和計(jì)算值很好地相符。
優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供一種實(shí)用的測量兩獨(dú)立相干光之間的相對相位變化的方法，該方法簡單、測量迅速、精確。
權(quán)利要求
1.一種利用時(shí)間延遲激光感生雙光柵測量兩獨(dú)立相干光相對相位變化的方法，其特征在于兩獨(dú)立的相干光源的光分別分介為兩束光，它們在介質(zhì)中分別感生出周期性的空間光柵，兩個(gè)空間光柵在介質(zhì)中相互疊加而形成一個(gè)周期性的結(jié)構(gòu)，用一個(gè)可調(diào)光學(xué)延時(shí)器將每一獨(dú)立相干光源的光所分介成的兩束光中的一束光加以調(diào)延，上述周期性結(jié)構(gòu)隨光延時(shí)的大小而變化；用一束探測光去探測介質(zhì)中形成的上述的周期性結(jié)構(gòu)的變化，測量探測光被周期性結(jié)構(gòu)所衍射而產(chǎn)生的信號光及測量信號光強(qiáng)度同光延時(shí)的關(guān)系曲線，該信號光的強(qiáng)度隨光學(xué)延時(shí)量的大小而周期性地被調(diào)制。兩獨(dú)立相干光源的相位發(fā)生變化時(shí)，信號光強(qiáng)度--光學(xué)延時(shí)量大小關(guān)系曲線上峰值位置發(fā)生移動(dòng)，從這峰值位置的移動(dòng)計(jì)算出兩獨(dú)立相干光源間相對相位的變化。
2.按權(quán)利要求1中所述的一種利用時(shí)間延遲激光感生雙光柵來測量兩獨(dú)立的相干光源間相對相位變化的方法，其特征在于在介質(zhì)中感生出的周期性空間光柵是熱光柵、布居?xùn)殴鈻呕蚍肿尤∠蚬鈻拧?br> 3.按權(quán)利要求中所述的一種利用時(shí)間延遲激光感生雙光柵來測量兩獨(dú)的相干光源間相對相位變化的方法，其特征在于相干光源是連續(xù)波相干光源、脈沖相干光源。
4.按權(quán)利要求1中所述的一種利用時(shí)間延遲激光感生雙光柵來測量兩獨(dú)立的相干光源間相對相位變化的方法，其特征在于所說的兩獨(dú)立相干光源的光感生出空間光柵的介質(zhì)可以是同一介質(zhì)也可以是兩種不同的介質(zhì)，對于兩種不同介質(zhì)的情況，兩探測光是從同一光源產(chǎn)生的，兩探測光分別被兩個(gè)空間光柵衍射產(chǎn)生兩個(gè)信號光，這兩信號光在探測器上相干后被檢測。
5.按權(quán)利要求1中所述的一種利用時(shí)間延時(shí)激光感生雙光柵來測量兩獨(dú)立的相干光源間相對相位變化的方法，其特征在于光學(xué)延時(shí)器是棱鏡光學(xué)延時(shí)器、反射鏡光學(xué)延時(shí)器和其它可產(chǎn)生光學(xué)延時(shí)的裝置。
6.一種權(quán)利要求1所用的利用時(shí)間延遲激光感生雙光柵測量兩獨(dú)立相干光相對相位變化的裝置，其特征在于包括由相干光源(1)，光延遲器ODL、改變光相位的器件C1、C2，分束片BC、探測光源(3)、反射鏡M、光探測器PD、光電信號處理器(2)、介質(zhì)S、微機(jī)(4)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(5)組成;其光路為兩獨(dú)立相干光源(1)發(fā)射的ω1光和ω2，ω1通過光延遲器ODL入射到介質(zhì)S，ω2通過改變相位器件入射到介質(zhì)S;探測光源(3)的發(fā)射光入射到介質(zhì)S，通過ODL延遲器的光信號入射到光電信號處理器(2)再輸入到微機(jī)(4)，微機(jī)(4)電信號輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(5)再到ODL。
7.按權(quán)利要求6所述的利用時(shí)間延遲激光感生雙光柵測量兩獨(dú)立相干光相對相位變化的裝置，其特征在于所述的改變光相位的器件包括補(bǔ)償器、半波片、光楔、1/4波片，
8.按權(quán)利要求6所述的利用時(shí)間延遲激光感生雙光柵測量兩獨(dú)立相干光相對相位變化的裝置，其特征在于所述的光電信號處理器包括，信號平均器、BoxCar積分器、鎖相放大器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測量方法，特別是測量兩束獨(dú)立的相干光源間相位相對變化的方法以及專用的裝置。本發(fā)明利用兩獨(dú)立的相干光源的光分為兩束，它們在介質(zhì)中分別感生出同期性空間光柵，兩個(gè)空間光柵在介質(zhì)中相互疊加而形成一個(gè)周期性的結(jié)構(gòu)，再用一個(gè)可調(diào)光學(xué)延時(shí)器將每一獨(dú)立相干光源的光所分介成的兩束光中的一束光加以可調(diào)延時(shí)，然后用一探測光去探測上述同期性結(jié)構(gòu)變化的時(shí)間延遲激光感生雙光柵測定兩獨(dú)立相干光源間相對相位變化的方法及其裝置。該方法測量迅速，準(zhǔn)確。
文檔編號G01J9/00GK1063550SQ92100608
公開日1992年8月12日 申請日期1992年2月1日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月1日
發(fā)明者付盤銘, 俞祖和, 姜謙, 米辛, 張治國 申請人:中國科學(xué)院物理研究所