[发明专利]电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置和方法

说明书

本发明公开了一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置和方法，属于精密测量领域。该装置包括一个单频He‑Ne激光器、一个电光相位调制器、三个光电探测器、两个测量角锥反射镜以及若干光学元件，单频He‑Ne激光器用于产生及发射线偏振光，电光相位调制器给参考激光信号相位调制，一个光电探测器探测参考激光干涉信号，另外两个光电探测器分别探测由两个测量角锥反射镜得到的两个测量干涉信号，若干光学元件用于控制激光传输方向和偏振态，通过解调技术得到参考干涉信号和测量干涉信号的相位，继而分别得到两个测量干涉信号与参考干涉信号的相位差，即可得到对应的线位移和角位移。

技术领域

本发明涉及线位移和角位移测量领域，具体涉及一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置和方法。

背景技术

精密加工制造产业的不断发展和完善，要求测量技术和装置的精度不断提高，而激光干涉技术将会主要的技术实现手段用于高精密测量领域。激光干涉仪是以激光波长作为长度基准进行高精度测量的重要手段，其具有测量精度高、可溯源等优点。根据激光干涉仪的工作原理，激光干涉仪主要分为零差激光干涉仪和外差激光干涉仪两个类。

对于零差激光干涉仪，其典型激光光路结构就是迈克尔逊干涉仪，其采用分束镜将单频He-Ne激光器发出的激光束分为参考激光光束和测量激光光束，分别射向参考反射镜和测量反射镜，反射回来的参考激光光束和测量激光光束在分束镜上干涉，干涉信号被光电探测器所探测，通过解调探测器的光强信息就可以得到测量反射镜的位移。零差激光干涉仪的光路简单，信号处理方便，然而由于光电探测器的带宽有限，光电探测器所探测到的干涉信号是直流信号，其抗干扰能力较弱，易受环境干扰。

外差激光干涉仪有两种形式，一种是采用基于塞曼效应的双频He-Ne激光器，在外加磁场作用下，激光器可以出射两束频率不同，偏振方向正交的激光束，通过利用分束镜、偏振分束镜、角锥反射镜等器件分别获取参考激光干涉信号和测量激光干涉信号，通过相位计得到待测物体的位移等信息；另一种是采用声光移频器，通过分光镜将普通单频He-Ne激光器发出的激光束分成两束，其中一束激光经过声光移频器后激光频率发生改变，经过外差探测得到参考激光干涉信号和测量激光干涉信号，通过比较两个干涉信号的频率差就可以得到待测物体的位移等信息。相比于零差干涉仪，外差干涉仪得到的干涉信号是交流信号，具有精度高、抗干扰能力强等优点，然而外差干涉仪由于采用偏振元器件会给测量结果引入周期性非线性误差，另外双频He-Ne激光器和声光移频器的价格较高，所以外差激光干涉仪的研制和生产成本较高。

为了弥补零差干涉仪和外差干涉仪的缺点，研究学者们后续提出了相位调制激光干涉仪，通过采用压电陶瓷(PZT)或者电光相位调制器(EOM)调节激光干涉仪参考臂的光程差或者相位差，将激光干涉仪的参考信号和测量信号都叠加到调制频率的载波上，使得激光干涉仪探测的干涉信号为交流信号，增加其抗干扰能力。然而，目前相位调制激光干涉仪只是用于位移测量，无法满足于角位移测量以及线位移和角位移同时测量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置和方法，采用了三个光电探测器和两个测量角锥反射镜，其中一个探测器探测参考激光干涉信号，准确得到电光相位调制器的调制频率，进一步的，两个光电探测器分别得到两个测量激光干涉信号，并通过信号解调技术得到两个测量角锥反射镜的位移，通过比较两个测量角锥反射镜的位移，该装置可以实现线位移和角位移同时测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一、一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置：