[发明专利]双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法

说明书

本发明公开了一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法。系统由两个波长差为Δλ的激光器、三个偏振分光棱镜、四个分光棱镜、两个声光调制器、四个四分之一波片、五个平面反射镜、三个偏振片、一个超窄带滤波片、两个大带宽的跨阻抗光电探测器、两个低带宽的高灵敏度光电探测器、一个参考反射镜、一个被测反射镜、信号处理电路及上位机组成；本发明利用双波长产生的合成波长干涉信号提升系统的测量量程，使得系统的测量量程远大于单波长干涉的量程，并采用超外差干涉法对输出信号进行解调滤波，可以直接测量合成波长的相位，实现实时测量，同时利用超窄带滤波片采得单波长干涉信号，在扩大测量量程的同时保证单波长干涉测量的精度。

技术领域

本发明涉及一种位移测量系统，特别涉及了一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法。

背景技术

常见的单波长激光干涉位移测量系统拥有纳米级的位移测量精度，但是由于激光单波长通常为1μm左右，因此其干涉信号的周期只有数百纳米，限制了其测量量程。位移测量系统需要增加周期计数才可以准确记录相位变化，一旦位移变化较为迅速或者遇到台阶等较大的绝对位移变化，就会出现相位模糊。

为了解决单波长激光干涉的量程问题，Tilford等人最早提出了采用双波长构造一种合成波长来扩大测量系统量程的方法(C.R.Tilford,Appl.Opt.16,1857(1977).)。两束波长分别为λ₁和λ₂的激光可以合成波长为λ₁λ₂/(λ₁-λ₂)的干涉信号，当λ₁和λ₂比较接近时，合成波长远大于单波长，这样就可以大大扩展干涉位移测量系统的量程。但是随着测量量程的扩大，双波长干涉测量同样面临了两个新的问题：1.基于合成波长的干涉测量精度会下降，2.求合成波长相位时往往需要对单波长依次测量再求解，难以实现实时快速的测量。之后几十年双波长干涉位移测量取得了很大的发展，如专利号为02112079.X的专利“双波长纳米精度实时干涉测量仪”加入了双路正弦调制和信号处理器，保证了较高的测量精度，但是其通过温度调制激光波长等调制手段稳定性较差，很难达到理论精度；Dandliker等人提出的超外差干涉法通过(R.Dandliker,R.Thalmann,and D.Prongue,Opt.Lett.13,339(1988))对不同波长的两束激光加入不同的频移可以实现合成波长的实时测量，但是仍然没有解决合成波长测量精度下降的问题。

现有技术无法很好地同时解决双波长干涉带来的两个问题，满足大量程高精度的实时干涉测量需求。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统与方法，融合了合成波长干涉、单波长干涉、超外差干涉的优点，实现了大量程高精度的实时位移测量。

本发明通过以下技术方案实现。

一、一种双波长超外差干涉大量程高精度实时位移测量系统：

主要由两个波长差为Δλ的激光器、三个偏振分光棱镜、四个分光棱镜、两个声光调制器、四个四分之一波片、五个平面反射镜、三个偏振片、一个超窄带滤波片、两个大带宽的跨阻抗光电探测器、两个低带宽的高灵敏度光电探测器、一个参考反射镜、一个被测反射镜、信号处理电路和上位机组成；

两个激光器发出两束不同波长的激光，每束激光分别经过各自的四分之一波片后入射到偏振分光棱镜分为水平偏振和垂直偏振的两路：其中水平偏振的一路依次经过声光调制器和反射镜后反射，垂直偏振的一路经过反射镜后反射，两个反射镜各自的反射光入射到分光棱镜合束输出，合束光含有频率不同且偏振方向不同的两路输出光；

两路输出光入射到第三分光棱镜合束并发生分束：分束后的一部分光经过第一偏振片到达第一光电探测器，作为双波长超外差干涉的参考信号；分束后的另一部分光入射到第三偏振分光棱镜发生反射和透射，分成垂直偏振和水平偏振的两路；