專利名稱：用半導(dǎo)體激光器的微小位移干涉測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到微小位移干涉測(cè)量?jī)x，特別是涉及到使用正弦相位調(diào)制的半導(dǎo)體激光器的微小位移干涉測(cè)量?jī)x。
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)。日本新瀉(Niigata)大學(xué)的佐佐木修己(Osami Sasaki)先生等提出了一種用于測(cè)量微小位移的正弦相位調(diào)制半導(dǎo)體激光干涉儀，(參見(jiàn)已有技術(shù)[1]Osami Sasaki，Kazuhide Takahashi，andTakamasa Suzuki，“Sinusoidal phase modulating laser diode interferometer with afeedback control system to eliminate external disturbance，”O(jiān)pt．Eng．，1990，29(12)，1511-1515．)此干涉儀如

圖1所示。以半導(dǎo)體激光器作為原光源1發(fā)出的光束由第一透鏡2準(zhǔn)直為平行光束，由分束器3反射的反射光束f照射到參考鏡4上，透過(guò)分束器3的透射光束t照射到被測(cè)物體5上，參考鏡4、被測(cè)物體5的反射光束產(chǎn)生的干涉信號(hào)由接收元件6轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器7轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入計(jì)算機(jī)8進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。與原光源1連接的驅(qū)動(dòng)器9分別與第一直流電源10和正弦信號(hào)發(fā)生器11連接。向原光源1注入一個(gè)正弦電流信號(hào)使得原光源1波長(zhǎng)正弦變化，從而得到正弦相位調(diào)制的干涉信號(hào)。從干涉信號(hào)傅立葉變換后得到的頻率成分可納米精度測(cè)出被測(cè)物體5的微小位移。
向作為原光源1的半導(dǎo)體激光器注入電流后，其強(qiáng)度和波長(zhǎng)分別為g(t)=β1[i0+Δi(t)]，(1)λ(t)=λ0+β2Δi(t)，(2)i0與Δi(t)分別為驅(qū)動(dòng)電流的直流和交流分量，β1、β2為比例常數(shù)，λ0為對(duì)應(yīng)于直流分量i0的中心波長(zhǎng)。交流分量Δi(t)=αcos(ωct+θ)。 (3)接收元件6檢測(cè)到的干涉信號(hào)為I(t)=I0(t)+S0(t)cos[zcos(ωct+θ)+α0+α(t)]，(4)其中I0(t)與S0(t)為由于原光源1的輸出光強(qiáng)被調(diào)制所產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的函數(shù)，z為干涉信號(hào)相位調(diào)制的振幅，α0=2πr0／λ0，α(t)=4πr(t) /λ0，r0為被測(cè)物體5靜止時(shí)的光程差，r(t)為待測(cè)的微小位移。對(duì)式(4)進(jìn)行傅立葉變換(參見(jiàn)已有技術(shù)[2]Osami Sasaki and Hirokazu Okazaki，“Sinusoidal phase modulating interferometerusing optical fibers for displacement measurement，”Appl．Opt．1988，27(19)，4139-4142．)求得α(t)，進(jìn)而求得微小位移r(t)。
由于原光源1的光強(qiáng)g(t)被調(diào)制，使得I0(t)和S0(t)隨時(shí)間變化，這將影響式(4)傅立葉變換后的頻譜成分，造成測(cè)量誤差。為消除該誤差，佐佐木修己先生采用軟件的方法來(lái)補(bǔ)償原光源1輸出光強(qiáng)的變化，這種補(bǔ)償是在得到干涉信號(hào)后，數(shù)據(jù)處理時(shí)實(shí)現(xiàn)的，僅為粗略補(bǔ)償，而且需根據(jù)外界條件的變化隨時(shí)對(duì)軟件進(jìn)行修正。如果此干涉儀儀器化的話，用戶根據(jù)外界條件的變化隨時(shí)修正軟件，這給正確測(cè)量造成困難。
本發(fā)明的目的為從根本上解決直接調(diào)制光源波長(zhǎng)引起的光強(qiáng)度變化的補(bǔ)償問(wèn)題，為使操作方便，測(cè)量精度高，提供一種用半導(dǎo)體激光器的微小位移干涉測(cè)量?jī)x。
本發(fā)明的用半導(dǎo)體激光器的微小位移干涉測(cè)量?jī)x，如圖2所示。它包括置于機(jī)殼19內(nèi)的帶有第一直流電源10的原光源1的發(fā)射光束前進(jìn)方向上同光軸地依次置有第一透鏡2，偏振分束器17，分束器3，參考平板18與被測(cè)物體5。在分束器3的反射光束f2上置有輸出與連接到機(jī)殼19外的計(jì)算機(jī)8上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器7連接的接收元件6。在偏振分束器17的反射光束f1的前進(jìn)方向上，依次置有第二透鏡16和調(diào)制光源15。調(diào)制光源15帶有驅(qū)動(dòng)器9，驅(qū)動(dòng)器9連接有第二直流電源14和移相器13。移相器13經(jīng)過(guò)正弦信號(hào)發(fā)生器11與控制器12相連，控制器12連接到置于機(jī)殼19外的模數(shù)轉(zhuǎn)換器7上。
上面所說(shuō)的原光源1和調(diào)制光源15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)的接收元件6是光電二極管，或是光電池等光電轉(zhuǎn)換器件。
所說(shuō)的偏振分束器17是由能夠?qū)⑵穹较蛳嗷ゴ怪钡膬墒夥珠_(kāi)的分光元件構(gòu)成的。也就是說(shuō)，讓一束光透過(guò)，讓偏振方向與其垂直的另一束光被反射的分光元件構(gòu)成的。如是偏振分光棱鏡，或是鍍有膜層的平行平板等。
所說(shuō)的分束器3是指能夠?qū)⑷肷涔獍唇咏?∶1的光強(qiáng)比分成兩束光的分光元件。如分光棱鏡、或一面鍍有析光膜的平行平板等所說(shuō)的參考平板18是一對(duì)著分束器3一側(cè)的表面上鍍有增透膜，而另一對(duì)著被測(cè)物體5一側(cè)的表面上鍍有增反膜的平行平板。其反射率R滿足0．08＜R＜0．73，相應(yīng)地透射率T滿足0．27＜T＜0．92。
如圖2所示，作為原光源1的LD由第一直流電源10驅(qū)動(dòng)，使得原光源1的光強(qiáng)不隨時(shí)間變化，原光源1的波長(zhǎng)由調(diào)制光源15正弦光熱效應(yīng)調(diào)制。原光源1發(fā)出的光由第一透鏡2準(zhǔn)直，透過(guò)偏振分束器17和分束器3的透射光束t1照射到參考平板18上，透過(guò)參考平板18的透射光束t2照射到被測(cè)物體5上，參考平板18和被測(cè)物體5兩者反射的光束產(chǎn)生的干涉信號(hào)由接收元件6轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器7送入計(jì)算機(jī)8處理。正弦信號(hào)發(fā)生器11的信號(hào)經(jīng)移相器13后進(jìn)入調(diào)制原光源15的驅(qū)動(dòng)器9，控制器12產(chǎn)生采樣觸發(fā)脈沖與采樣信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器7。調(diào)制光源15發(fā)出的光由第二透鏡16準(zhǔn)直，經(jīng)偏振分束器17反射后，由第一透鏡2聚焦于原光源1上。原光源1與調(diào)制光源15發(fā)出的光的偏振方向相互垂直，偏振分束器17使原光源1的光透過(guò)而不反射到調(diào)制光源15上，同時(shí)使調(diào)制光源15的光入射到原光源1上，其中被原光源1反射的部分光束不會(huì)再通過(guò)偏振分束器17。正弦信號(hào)發(fā)生器11通過(guò)移相器13向驅(qū)動(dòng)器9加入正弦信號(hào)使調(diào)制光源15的輸出光強(qiáng)正弦變化，此光強(qiáng)照射到原光源1上后，由于光熱效應(yīng)，原光源1的結(jié)溫相應(yīng)地正弦變化，使得原光源1的波長(zhǎng)按正弦變化。接收元件6接收到的干涉信號(hào)的相位被正弦調(diào)制。由于原光源1的注入電流為直流，原光源1的輸出光強(qiáng)不隨時(shí)間變化，因此接收元件6接收到的干涉信號(hào)為I(t)=I0+S0cos[zcos(ωct+θ)+α0+α(t)]，(5)其中，I0與S0分別為干涉信號(hào)直流分量與交流分量的振幅，z為干涉信號(hào)相位調(diào)制的振幅，α0=2πr0／λ0，α(t)=4πr(t)λ0，r0為被測(cè)物體5靜止時(shí)的光程差。r(t)為待測(cè)的微小位移。對(duì)式(5)進(jìn)行傅立葉變換(參見(jiàn)對(duì)比文獻(xiàn)[2]Osami Sasaki andHirokazu Okazaki，“Sinusoidal phase modulating interferometer using optical fibersfor displacement measurement，”Appl．Opt．1988，27(19)，4139-4142．)求得α(t)，r(t)=λ0α(t)／4π。(6)α(t)的測(cè)量精度達(dá)到0．01rad是較容易實(shí)現(xiàn)的。若采用常用的波長(zhǎng)λ0為785nm的LD，位移的分辨率為0．62nm。若α的測(cè)量精度提高到0．001rad，則分辨率提高到0．062nm。
因原光源1的輸出光強(qiáng)度不隨時(shí)間變化，式(5)中的I0、S0為常數(shù)，從而從根本上解決了調(diào)制波長(zhǎng)時(shí)光強(qiáng)變化對(duì)測(cè)量的影響。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有
1．提高了測(cè)量精度。已有技術(shù)中，直接調(diào)制原光源1的波長(zhǎng)時(shí)，原光源1的輸出光強(qiáng)隨時(shí)間變化，影響了對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換后得到的頻譜分布。由于位移是根據(jù)該頻譜的頻率成分求出的，因此輸出光強(qiáng)的變化引入了測(cè)量誤差。本發(fā)明含有調(diào)制光源15，利用光熱效應(yīng)調(diào)制原光源1的波長(zhǎng)，原光源1的輸出光強(qiáng)不隨時(shí)間變化，避免了該測(cè)量誤差，提高了測(cè)量精度。
2．已有技術(shù)的輸出光強(qiáng)變化是采用軟件方法補(bǔ)償?shù)?。該補(bǔ)償是在得到干涉信號(hào)后，數(shù)據(jù)處理時(shí)實(shí)現(xiàn)的，僅為粗略補(bǔ)償，存在殘留誤差，而且需根據(jù)外界條件的變化隨時(shí)對(duì)軟件進(jìn)行修正。本發(fā)明避免了這一補(bǔ)償問(wèn)題。
3．就已有技術(shù)直接調(diào)制原光源1波長(zhǎng)的干涉測(cè)量?jī)x來(lái)說(shuō)，儀器化后，用戶必須根據(jù)外界條件的變化隨時(shí)修正軟件以補(bǔ)償光強(qiáng)變化，這給用戶正確使用該儀器帶來(lái)困難。本發(fā)明的干涉測(cè)量?jī)x儀器化后，不需要用戶補(bǔ)償，使用操作簡(jiǎn)便。
圖1為已有技術(shù)直接調(diào)制原光源1波長(zhǎng)的干涉測(cè)量?jī)x示意圖；圖2為本發(fā)明的含有調(diào)制光源15的利用光熱效應(yīng)調(diào)制原光源1波長(zhǎng)的干涉測(cè)量?jī)x示意圖。
實(shí)施例如圖2所示的結(jié)構(gòu)。其中原光源1和調(diào)制光源15均采用波長(zhǎng)λ0為785nm的LD。接收元件6為光電二極管。分束器3是一面鍍有析光膜的平行平板。偏振分束器17是偏振分光棱鏡。參考平板18是透射率T=0．62，反射率R=0．38。開(kāi)始測(cè)量時(shí)，通過(guò)正弦信號(hào)發(fā)生器11與驅(qū)動(dòng)器9來(lái)控制調(diào)制光源15的輸出光強(qiáng)正弦變化的幅度，使得上述式(5)中的z值約為2．34。通過(guò)調(diào)節(jié)移相器13使得上述式(5)中的θ值為0或π。z=2．34與θ=0或π時(shí)，求得的位移r(t)的精度最高。r(t)=62．47α(t)nm，當(dāng)α(t)=1．0，r(t)=62．47nm。
用本發(fā)明的干涉測(cè)量?jī)x可以測(cè)量幅度不超過(guò)半個(gè)光源波長(zhǎng)的位移，這個(gè)位移可以是靜止的位移或隨時(shí)間隨機(jī)變化的位移。
權(quán)利要求
1．一種用半導(dǎo)體激光器的微小位移干涉測(cè)量?jī)x，包括&#601&#62帶第一直流電源(10)的原光源(1)發(fā)射光束前進(jìn)的方向上同光軸地依次置有第一透鏡(2)、分束器(3)、參考平板(18)和被測(cè)物體(5)，上述各部件除被測(cè)物體(5)外均置于機(jī)殼(19)內(nèi)；&#602&#62在分束器(3)的反射光束(f2)上置有輸出與連接到機(jī)殼(19)外的計(jì)算機(jī)(8)上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)連接的接收元件(6)；其特征在于&#603&#62在第一透鏡(2)與分束器(3)之間同光軸地置有偏振分束器(17)；&#604&#62在偏振分束器(17)反射光束(f1)的方向上，依次置有第二透鏡(16)和調(diào)制光源(15)；&#605&#62調(diào)制光源(15)帶有連接有第二直流電源(14)和移相器(13)的驅(qū)動(dòng)器(9)，其中移相器(13)經(jīng)過(guò)正弦信號(hào)發(fā)生器(11)與連接到機(jī)殼(19)外的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)的控制器(12)相連。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的用半導(dǎo)體激光器的微小位移干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于所說(shuō)的原光源(1)和調(diào)制光源(15)均是半導(dǎo)體激光器。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的用半導(dǎo)體激光器的微小位移干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于所說(shuō)的偏振分束器(17)是由能夠?qū)⑵穹较蛳嗷ゴ怪钡膬墒夥珠_(kāi)的分光元件構(gòu)成的，如是偏振分光棱鏡，或是鍍有膜層的平行平板。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的用半導(dǎo)體激光器的微小位移干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于所說(shuō)的參考平板(18)是對(duì)著分束器(3)一側(cè)的表面上鍍有增透膜，而另一對(duì)著被測(cè)物體(5)一側(cè)的表面上鍍有增反膜的平行平板，其反射率R滿足0．08＜R＜0．73，相應(yīng)地透射率T滿足0．27＜T＜0．92。
全文摘要
一種用半導(dǎo)體激光器的微小位移干涉測(cè)量?jī)x,包括同光軸地依次置有原光源、第一透鏡、偏振分束器、分束器、參考平板和被測(cè)物體;偏振分束器反射光束的方向上置有第二透鏡和調(diào)制光源。調(diào)制光源和原光源均為半導(dǎo)體激光器。原光源的波長(zhǎng)是通過(guò)正弦信號(hào)發(fā)生器與驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制調(diào)制光源的光強(qiáng)正弦變化,調(diào)制光源的輸出光強(qiáng)加于原光源上,利用光熱效應(yīng)來(lái)調(diào)制的。而原光源輸出光強(qiáng)不隨時(shí)間變化,避免了已有技術(shù)中的補(bǔ)償問(wèn)題,提高了測(cè)量精度,使用操作簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)G01B9/02GK1281970SQ99113908
公開(kāi)日2001年1月31日 申請(qǐng)日期1999年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月23日
發(fā)明者王向朝, 王學(xué)鋒, 錢(qián)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