一种干涉式激光波长测量装置及其使用方法与流程

本发明涉及测量仪器技术领域，特别涉及一种干涉式激光波长测量装置及其使用方法。

背景技术：

激光干涉仪的测量精度与其激光波长的精度直接相关，传统对于未知波长的激光的测量很麻烦，并且不准确，对激光波长的精度要求难以得到保证。

技术实现要素：

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供一种干涉式激光波长测量装置及其使用方法，使用已知激光束得到的干涉现场为参考，得到待测激光束的波长。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种干涉式激光波长测量装置，包括：

已知激光光学组件，用于发射已知激光束并实现干涉测量，得到参考的干涉数据；

待测激光光学组件，用于对待测激光束实现干涉测量，并参照已知激光光学组件得到的干涉数据，计算得到待测激光束的波长；

第一直角反射镜、与第一直角反射镜平行设置的第二直角反射镜，且第二直角反射镜的反射结构与第一直角反射镜的反射结构相对，所述已知激光光学组件发射的已知激光束和待测激光光学组件发射的待测激光束在第一直角反射镜和第二直角反射镜之间进行多次反射。

本发明使用已知激光束，通过增大光程差的方法，得到已知激光束的干涉数据，作为参考干涉数据，使待测激光束也增大与已知激光束相同的光程差变化量，再根据参考干涉数据，得到待测激光束的波长。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述已知激光光学组件包括：

已知激光源，用于发射已知激光束；

第一分光镜，用于接收已知激光源发射的已知激光源，并将接收到的已知激光束透射至第一聚光透镜，以及反射至第一直角反射镜；

第一聚光透镜，用于接收第一分光镜透射的已知激光束，以及第二直角反射镜反射的已知激光束，并将接收到的已知激光束透射至第一光电探测器；

第一光电探测器，用于接收第一聚光透镜透射的已知激光束；

第一处理器，用于检测第一光电探测器上产生的干涉现象，并得到参考干涉数据。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述待测激光光学组件包括：

第二分光镜，用于接收待测激光束，并将接收到的待测激光束透射至第二聚光透镜，以及反射至第一直角反射镜；

第二聚光透镜，用于接收第二分光镜透射的待测激光束，以及第二直角反射镜反射的待测激光束，并将接收到的待测激光束透射至第二光电探测器；

第二光电探测器，用于接收第二聚光透镜透射的待测激光束；

第二处理器，用于检测第二光电探测器上产生的干涉现象，并根据已知激光光学组件得到的干涉数据，计算得到待测激光束的波长。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述一种干涉式激光波长测量装置设置于壳体内，且所述已知激光光学组件、待测激光光学组件、第一直角反射镜均相对于壳体固定，所述第二直角反射镜在其竖直方向上移动。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述壳体内设置有黑色吸光材料。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述第二直角反射镜连接有精密位移装置，所述精密位移装置带动第二直角反射镜在其竖直方向上移动。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述第一直角反射镜包括n组反射结构，第二直角反射镜包括m组反射结构，且第一直角反射镜和第二直角反射镜所包含的反射结构相同。

更进一步地，为了更好的实现本发明，具体包括以下步骤：

步骤s1：将干涉式激光波长测量装置设置于壳体内；

步骤s2：开启已知激光源，使已知激光源向第一分光镜发射已知激光束，第一分光镜将已知激光束透射至第一聚光透镜，以及反射至第一直角反射镜；竖直移动精密位移装置，使得第一光电探测器上产生相长/相消干涉；

步骤s3：将待测激光束与已知激光束平行设置，待测激光束入射至第二分光镜，第二分光镜将待测激光束透射至第二聚光透镜，以及反射至第一直角反射镜，并且使得第二光电探测器上产生相长/相消干涉；

步骤s4：控制精密位移装置带动第二直角反射镜向远离/接近第一直角反射镜的竖直方向移动，直到第一光电探测器上出现a次相长/相消干涉时停止移动第二直角反射镜，第一处理器记录第一光电探测器上出现的相长/相消干涉次数a，同时第二处理器记录第二光电探测器上出现的相长/相消干涉次数b；

步骤s5：根据第一处理器记录的第一光电探测器上出现的相长干涉次数a和第二处理器记录的第二光电探测器上出现的相长干涉次数b，以及已知激光束的波长λ，计算得到待测激光的波长λ`。

所述步骤s1具体包括以下步骤：

步骤s11：将第一直角反射镜固定设置于壳体内；

步骤s12：将连接有精密位移装置的第二直角反射镜与第一直角反射镜平行设置于壳体内，且第一直角反射镜的反射结构与第二直角反射镜的反射结构相对设置；

步骤s13：将已知激光源设置于壳体内，使得已知激光源发射的已知激光束和待测激光束均与第一直角反射镜和第二直角反射镜的水平方向平行；

步骤s14：将第一分光镜、第二分光镜固定设置于壳体内，使得第一分光镜相对于已知激光源发射的已知激光束路径倾斜45°，以及第二分光镜与第一分光镜平行设置；

步骤s15：将第一聚光透镜、第一光电探测器设置于壳体内，使得第二直角反射镜最后一组反射结构反射出来的已知激光束和第一分光镜透射出来的已知激光束均落在第一光电探测器上；将第二聚光透镜、第二光电探测器设置于壳体内，使得第二直角反射镜最后一组反射结构反射出来的待测激光束和第二分光镜透射出来的待测激光束均能够落在第二光电探测器上。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明使用已知激光束，通过增大光程差的方法，得到已知激光束的干涉数据，作为参考干涉数据，使待测激光束也增大与已知激光束相同的光程差变化量，再根据参考干涉数据，得到待测激光束的波长。只要利用一束已知波长的激光束，即可通过本装置得到任何待测激光束的波长，且本装置操作简便，计算得到的待测激光束波长精度也高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明直角反射镜结构示意图。

主要元件符号说明

已知激光源100，第一分光镜101，第一聚光透镜102，第一光电探测器103，待测激光源200，第二分光镜101，第二聚光透镜202，第二光电探测器203，第一直角反射镜301，第二直角反射镜302，精密位移装置303，第一反射斜面304，第二反射斜面305。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

实施例1：

本发明所称已知激光束为已知波长的激光束，待测激光束为待测波长的激光束，如图1所示，其中虚线激光束为已知激光束，实线激光束为待测激光束。本发明通过下述技术方案实现，一种干涉式激光波长测量装置，如图1所示，包括已知激光光学组件、待测激光光学组件、第一直角反射镜301、第二直角反射镜302，其中：

所述已知激光光学组件用于发射已知激光束并实现干涉测量，得到参考的干涉数据，包括：

已知激光源100，用于向第一分光镜101发射已知激光束。

第一分光镜101，与已知激光源100发射的已知激光束路径呈45°夹角，用于接收已知激光源100发射的已知激光束，并将接收到的已知激光束透射至第一聚光透镜102，以及反射至第一直角反射镜301。为了便于区分，将第一分光镜101透射至第一聚光透镜102的已知激光束定义为已知透射激光束，将第一分光镜101反射至第一直角反射镜301的已知激光束定义为已知反射激光束。

第一聚光透镜102，用于接收第一分光镜101透射的已知透射激光束，以及第二直角反射镜反射的已知反射激光束，并将接收到的已知透射激光束和已知反射激光束透射至第一光电探测器103。

第一光电探测器103，用于接收第一聚光透镜102透射的已知透射激光束和已知反射激光束。

第一处理器，用于检测第一光电探测器103上产生的干涉现象，并得到参考干涉数据。

所述待测激光光学组件，用于对待测激光束实现干涉测量，并参照已知激光光学组件得到的干涉数据，计算得到待测激光束的波长，包括：

第二分光镜201，与第一分光镜101平行设置，且与待测激光束路径呈45°夹角，用于接收待测激光束，并将接收到的待测激光束透射至第二聚光透镜202，以及反射至第一直角反射镜301。为了便于区分，将第二分光镜201透射至第二聚光透镜202的待测激光束定义为待测透射激光束，将第二分光镜201反射至第一直角反射镜301的待测激光束定义为待测反射激光束。

第二聚光透镜202，用于接收第二分光镜201透射的待测透射激光束，以及第二直角反射镜302反射的待测反射激光束，并将接收到的待测透射激光束和待测反射激光束透射至第二光电探测器203。

第二光电探测器203，用于接收第二聚光透镜202透射的待测透射激光束和待测反射激光束。

第二处理器，用于检测第二光电探测器203上产生的干涉现象，并根据已知激光光学组件得到的干涉数据，计算得到待测激光束的波长。

需要说明的是，所述第一聚光透镜102和第二聚光透镜202的原理与凸透镜的原理相同，射入聚光透镜的激光都会落在聚光透镜的焦点上，本发明中聚光透镜所接收的已知激光束和待测激光束都会射在第一聚光透镜102和第二聚光透镜202的焦点上。所述第一聚光透镜102、第二聚光透镜202也可为聚光反射镜，所述第一光电探测器103、第二光电探测器203分别设置在聚光反光镜的焦点处。

因此，将第一光电探测器103设置在第一聚光透镜102的焦点处，且与第一聚光透镜102平行设置，为接收已知激光束；将第二光电探测器203设置在第二聚光透镜202的焦点处，且与第二聚光透镜202平行设置，为接收待测激光束。当已知反射激光束与已知透射激光束的光程差发生变化时，第一光电探测器103上产生的干涉强度会发生变化；同样，当待测发射激光束与待测透射激光束的光程差发生变化时，第二光电探测器203上产生的干涉强度也会发生变化。

所述第一直角反射镜301用于接收第一分光镜101反射的已知反射激光束和第二分光镜201反射的待测反射激光束，并将接收到的已知反射激光束和待测反射激光束反射至第二直角反射镜302。所述第一直角反射镜301的结构如图2所示，包括八组反射结构，但不限于要求八组反射结构，不对反射结构的数量进行限定。每一组反射结构包括两个反射斜面，为了便于区分，分别定义为第一反射斜面304、第二反射斜面305。需要说明的是，一组反射结构可以为如图2(a)所示的第一反射斜面304和第一反射斜面304，也可以为如图2(b)所示的第一反射斜面304和第二反射斜面305。所述反射结构中的第一反射斜面304都与第二反射斜面305相互垂直。

所述第二直角反射镜302与第一直角反射镜301平行设置，且第二直角反射镜302的反射结构与第一直角反射镜301的反射结构相对，用于接收第一直角反射镜301反射的已知反射激光束和待测反射激光束，并将接收的已知反射激光束和待测反射激光束分别反射至第一直角反射镜301，并经第一直角反射镜301与第二直角反射镜302之间多次反射，最后经第二直角反射镜302反射至第一聚光透镜102和第二聚光透镜202。为了便于原理分析和计算，所述第二直角反射镜302的外部结构与第一直角反射镜301相似，即他们的反射结构的大小、形状都相同，但所包含的反射结构数量不一定相等，即仅限定第一直角反射镜301包括n组反射结构，第二直角反射镜302包括m组反射结构，n与m都为大于等于1的自然数，但n与m不一定相等。如图2所示，此处第二直角反射镜302同第一直角反射镜301的结构一样，也包含了八组反射结构，第二直角反射镜302所包含的每组反射结构可以为如图2(c)所示的第一反射斜面304和第二反射斜面305，也可以为如图2(d)所示的第一反射斜面304和第二反射斜面305。

所述干涉式激光波长测量装置设置于壳体内，且壳体内设置有黑色吸光材料。所述第一直角反射镜固定设置在壳体内，第二直角反射镜302与第一直角反射镜301平行设置，且第二直角反射镜302的反射结构与第一直角反射镜301的反射结构相对，以实现第一直角反射镜301的反射结构接收的激光束能反射至第二直角反射镜302的反射结构。

所述第二直角反射镜302连接有精密位移装置303，用于带动第二直角反射镜302在其竖直方向上移动，因此第二直角反射镜302相对于壳体是移动设置的，但已知激光光学组件、待测激光光学组件相对于壳体为固定设置。

本实施例中假设第一直角反射镜301具有九组反射结构，第二直角反射镜302具有八组反射结构，且第一分光镜101反射至第一直角反射镜301的已知反射激光束落在第一直角反射镜301的第一组反射结构的第二反射斜面305上，第二分光镜201反射至第一直角反射镜301的待测反射激光束也落在第一直角反射镜301的第一组反射结构的第二反射斜面305上。此时该第二反射斜面305将已知反射激光束和待测反射激光束反射至第一直角反射镜301的第二组反射结构的第一反射斜面304上，该第一反射斜面304将已知反射激光束和待测反射激光束反射至第二直角反射镜302的第一组反射结构的第二反射斜面305上，该第二反射斜面305将已知反射激光束和待测反射激光束反射至第二直角反射镜302的第二组反射结构的第一反射斜面304，该第一反射斜面304又将已知反射激光束和待测反射激光束反射至第一直角反射镜301的第二组反射结构的第二反射斜面305。以此往复，直到已知反射激光束和待测反射激光束射入第二直角反射镜302的第八组反射结构的第二反射斜面305时，由于该第二反射斜面305为第二直角反射镜302的最后一个第二反射斜面305，因此此时该第二反射斜面305将已知反射激光束直接射入第一聚光透镜102，将待测反射激光束直接射入第二聚光透镜202。

结合图1可知，已知反射激光束与待测反射激光束在当第二直角反射镜302发生位移时，第一直角反射镜301与第二直角反射镜302之间的已知反射激光束与待测反射激光束的光程变化量都是相等的；另外，结合图1也可知，第一直角反射镜301向第二直角反射镜302反射了8次，第二直角反射镜302向第一直角反射镜301反射了7次，向对方的反射次数为其本身反射结构的数量减一。需要说明是，次数所说的减一情况是在所有的反射结构均被使用上的情况下，即每组反射结构至少有一个反射斜面接收到了激光束，未接收过激光束的反射结构不计入计算数量，再换句话说，所述第一直角反射镜301和第二直角反射镜302的长度可以很长(但不是无限长)，且所包含的反射结构也可以为若干组，但在进行实际计算时，没有接收过激光束的反射结构不计入计算数量。因此，若假设第一直角反射镜301向第二直角反射镜302反射了n次，第二直角反射镜302向第一直角反射镜301反射了m次，那么可以得到n＝n-1、m＝m-1。

所述干涉式激光波长测量装置的使用方法为：

测量开始时，先开启已知激光源100，控制精密位移装置303带动第二直角反射镜302在其竖直方向上移动，使得第一光电探测器103上产生相长干涉或相消干涉，本实施例以相长干涉为例。当第一光电探测器103上产生相长干涉时，控制精密位移装置303停止第二直角反射镜302在其竖直方向上的移动。然后设置并调整第二分光镜201、第二聚光透镜202、第二光电探测器203的位置，将外部传来的待测激光束射入第二分光镜201，使得第二直角反射镜302在上述位置时，第二光电探测器203上也产生相长干涉。

当第一光电探测器103和第二光电探测器203上同时出现相长干涉时，控制精密位移装置303带动第二直角反射镜302在其远离/接近第一直角反射镜301的竖直方向上移动。当第二直角反射镜302在其竖直方向上移动时，第一直角反射镜301和第二直角反射镜302之间的激光束反射的次数不会改变。若第二直角反射镜302向上移动的位移量为x，那么已知反射激光的光程即增加了(n+m)x，那么与向上移动之前已知反射激光束和已知透射激光束的光程差相比，移动后的光程差也增加了(n+m)x；同样的，待测反射激光的光程也增加了(n+m)x，待测反射激光与待测透射激光的光程差相比于移动之前，也增加了(n+m)x。因此，当第二直角反射镜302在其竖直方向上移动时，已知激光束的光程差变化量和待测激光束的光程差变化量相同。需要说明的是，精密位移装置303在带动第二直角反射镜302在其竖直方向上移动时，仅带动第二直角反射镜302向远离/接近第一直角反射镜301的方向单向移动。

向上移动第二直角反射镜302，第一光电探测器103上会产生a次相长干涉，当a足够大，比如a为一万次，即在第一光电探测器103上产生第一万次相长干涉时，控制精密位移装置303停止第二直角反射镜302移动，第一处理器将第二直角反射镜302这段位移x期间内，第一光电探测器103上产生的相长干涉次数a记录下来。在第二直角反射镜302移动位移x的期间内，第二光电探测器203上也会产生b次相长干涉，第二处理器将第二光电探测器203上产生的相长次数b记录下来，此时第二光电探测器203上可能没在相长干涉的状态下。

根据公式得到待测激光束的波长：

l＝aλ(1)

l＝bλ`+δλ`(2)

即：

aλ＝bλ`+δλ`(3)

其中l为光程差变化量，即l＝(n+m)x；λ为已知激光束的波长，λ`为待测激光束的波长，δ为第二光电探测器203上相长干涉的小数计数值。由于l、λ、a、b为已知数，且a和b已经足够大，因此此时可以忽略δ的值，由式(1)、式(2)、式(3)即可计算出待测激光束的波长λ`：

从式(4)可知，在已知波长的激光束情况下，计算待测激光束的波长时，并不需要使用到光程差变化量，因此第一处理器记录的第二直角反射镜的位移量x没有起到实际作用，也减少了计算量，并且第一处理器在记录第二直角反射镜的位移量时，很有可能存在记录误差，本发明不必使用可能存在误差的位移量即可计算出待测激光束的波长λ`。

综上所述，本发明使用已知激光束，通过增大光程差的方法，得到已知激光束的干涉数据，作为参考干涉数据，使待测激光束也增大与已知激光束相同的光程差变化量，再根据参考干涉数据，得到待测激光束的波长。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。