[发明专利]偏振复用相位调制型激光自混合二维干涉仪及其测量方法

说明书

本发明公开了偏振复用相位调制型激光自混合二维干涉仪及其测量方法，二维干涉仪包括：输出圆偏振光的双频激光器，偏振分光棱镜，放置在o偏振态光轴上的普通分光棱镜、电光晶体调制器、光线密度滤波器、待测目标，放置在e偏振态光轴向电光晶体调制器、光线密度滤波器、另一个待测目标，以及信号采集和相位计算系统，信号采集和相位计算系统根据采集的光强信号进行谐波分析和相位解调得出被测目标相位和位移。因两个电光相位调制的频率截然不同，它可以有效避免频谱混叠现象；由于两个偏振光均为线偏振光，激光散斑效应小，相移技术使得解调结果的分辨率达纳米级别。

技术领域

本发明涉及一种基于双纵模激光器、光学干涉、电光效应与偏振复用技术的二维非接触激光自混合干涉仪及其测量方法，属于应用光学、非线性电光晶体、激光器技术的结合领域。适用于光学计量、传感器校准、微纳米测控、微形貌扫描，特别适合二维测量中对光程灵敏度要求高的研究或工程领域。

背景技术

光学二维位移的精确测量方法对光刻、集成电路等微纳加工领域有重大研究意义，比如掩模版中图案大小、微电子原件在印刷电路板的定位起到关键性的作用；同样工业环境对独立的双目标或双参数同步探测也有较大需求，比如保存危险品的储物罐往往需要同步检测形变和温度，机床振动往往是二维的，先进的MEMS(微机电系统)中的扫描微镜、超声振子等器件的谐振动也是二维的；在形貌测量、工件结构检测探伤中，两个或多个探测点也比单点探测更具应用价值。因此研究具备双目标同时探测且灵敏度高的非接触式光学测量系统具有重要意义。

现有的光学检测技术依赖通过增加激光器和探测通道数量的方法来达成二维检测效果，比如激光多普勒测速仪在二维测量时用两个频移激光器分别在不同方向探测，成本提高，操作更复杂，且要求更多的信号采集处理资料；再比如双频干涉仪往往无法单独完成二维探测，必须用两台干涉仪构成二维检测效果；目前使用单个激光器进行二维探测时由于无法根除光信号之间串扰，测量精度和量程等无法满足要求。

为解决仪器成本问题，既避免增加激光器和采集信号的数量，同时又消除二维测量中光路串扰的问题，本发明将现有的偏振复用和相位调制技术结合，实现了无串扰，单激光器，单数据通道的高性价比二维自混合干涉仪。

发明内容

发明目的：本发明旨在公布一种结合了偏振复用与相位调制的二维激光自混合干涉仪及其测量方法，该干涉仪光学结构上只利用单个激光管和探测器，利用偏振复用的原理产生无光学串扰的独立测量光路，电光调制效应和激光自混合效应在双纵模激光器内产生光强波动，通过分析光强信号的谐波幅度实现对两个测量光路待测目标的实时检测。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

偏振复用相位调制型激光自混合二维干涉仪，包括：输出圆偏振光的双纵模激光器，将圆偏振光分解为两个正交偏振的线偏振光的偏振分光棱镜，放置在第一光路上的第一电光相位调制器、第一光线密度滤波器和第一待测目标，放置在第二光路上的第二电光相位调制器、第二光线密度滤波器和第二待测目标，位于第一光路或第二光路上的普通分光棱镜，以及用来探测普通分光棱镜折射出的光强信号并输出被探测信号波形的光电探测器；所述第一电光相位调制器和第二电光相位调制器的调制频率不同；所述光电探测器与信号采集和相位计算系统电连接，所述信号采集和相位计算系统用于根据采集的光强信号进行谐波分析和相位解调得出被测目标相位，进而得到位移。

进一步地，所述信号采集和相位计算系统包括：低通滤波放大电路，与光电探测器相连，进行信号滤波与放大；数据采集卡，用于采集滤波放大后的信号实现模数转换；以及计算机模块，用于提取所采集到的光强信号中的两个光路的一次谐波分量和二次谐波分量，基于谐波分量实现相位解调。