一种基于干涉方式的激光波长测量装置与方法与流程

本发明涉及激光波长测量技术领域，特别涉及一种基于干涉方式的激光波长测量装置与方法。

背景技术：

激光波长的精确测量对于光学精密测量领域至关重要，以激光干涉仪为例，其测量精度与激光波长的精度直接相关，如何提高激光波长的测量精度，降低激光波长测量装置的复杂度与成本，成了相关领域的重要研究内容。

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，提供一种基于干涉方式的激光波长测量装置与方法。

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：

一种基于干涉方式的激光波长测量装置，包括：

待测激光源，用于发射待测激光束；

分光镜，用于接收待测激光束，并将待测激光束透射至楔形反光镜，以及反射至透镜；

楔形反光镜，用于将分光镜透射的待测激光束反射至透镜；

透镜，用于接收分光镜和楔形反光镜反射的待测激光束，并将待测激光束透射至光电探测器；

光电探测器，用于接收透镜透射的待测激光束；

处理器，与光电探测器电连接，用于检测光电探测器上产生的干涉现象。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述楔形反光镜连接有精密位移装置，用于带动楔形反光镜在其水平方向上移动。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述精密位移装置为无导轨的压电陶瓷电机。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述楔形反光镜包括反光面，所述分光镜与楔形反光镜的反光面平行设置。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述透镜为凸透镜。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述光电探测器设置于凸透镜的焦点处。

更进一步地，为了更好的实现本发明，还包括壳体，所述基于干涉方式的激光波长测量装置设置于壳体内，且待测激光源、分光镜、透镜、光电探测器、精密位移装置分别相对于壳体固定设置。

一种基于干涉方式的激光波长测量方法，包括以下步骤：

步骤s1：将待测激光源、分光镜、透镜、光电探测器以及精密位移装置固定设置在壳体内；

步骤s2：开启待测激光源，移动楔形反光镜的位置，使得楔形反光镜能接收到待测激光束；

步骤s3：控制精密位移装置带动楔形反光镜在水平方向上移动，使得光电探测器上产生相长干涉/相消干涉现象，处理器记录楔形反光镜的位移量x1；

步骤s4：继续控制精密位移装置带动楔形反光镜在水平方向上移动，直到光电探测器上产生下一个相长干涉/相消干涉现象，处理器记录楔形反光镜的位移量x2；

步骤s5：处理器根据楔形反光镜两次水平移动的位移量以及楔形反光镜的反光面与水平方向上的角度、入射至反光面的待测激光束与反光面的角度，计算出待测激光束的波长。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s1中将分光镜与楔形反光镜的反光面平行设置。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤s1中将光电探测器设置于透镜的焦点处。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明中测量装置所使用的光学器件简单，无需加入标准波长激光源参与测量，大大降低了测量装置的复杂度，并且也提高了装置对待测激光波长的测量精度。

本发明的精密位移装置为无导轨的压电陶瓷电机，避免了导轨加工误差对波长测量的影响，提高了波长测量结果的精度。

本发明可使用精密位移装置带动楔形反光镜在其竖直方向上移动，排除精密位移装置和楔形反光镜在移动时因重力影响而产生竖直方向上的微小位移，使得光程差测量的精度更加准确，即提高了激光波长测量结果的精度。

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为本发明实施例1的测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1的测量装置移动后的示意图；

图3为本发明实施例1中夹角推算示意图；

图4为本发明实施例1中光程差变化量计算示意图；

图5为本发明实施例2的测量装置的结构示意图；

图6为本发明实施例2的测量装置移动后的示意图；

图7为本发明实施例2中光程差变化量计算示意图；

图8为本发明实施例3的测量装置的结构示意图。

主要元件符号说明

待测激光源100，分光镜200，楔形反光镜300，反光面301，透镜400，光电探测器500，精密位移装置600。

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。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，一种基于干涉方式的激光波长测量装置，如图1所示，包括待测激光源100、一个分光镜200、一个楔形反光镜300、一个透镜400、一个光电探测器500、处理器、精密位移装置600，其中：

待测激光源100，用于向分光镜200发射待测激光束。

分光镜200，设置于待测激光源100与楔形反光镜300之间，用于将接收到的待测激光束透射至楔形反光镜300，以及反射至凸透镜。为了便于区分，将分光镜200透射至楔形反光镜300的待测激光束定义为待测透射激光束，将分光镜200反射至透镜400的待测激光束定义为待测反射激光束。

楔形反光镜300，用于接收分光镜200透射的待测透射激光束，并将待测透射激光束反射至透镜400。所述楔形反光镜300包括反光面301，分光镜200透射的待测激光束即射入所述反光面301，再从反光面301反射至透镜400。所述分光镜200与楔形反光镜300的反光面301平行设置，以至于从分光镜200反射至透镜400的待测反射激光束与楔形反光镜300反射至透镜400的待测透射激光束平行。

透镜400，用于接收分光镜200反射的待测反射激光束和楔形反光镜300反射的待测透射激光束，并将这两束激光束透射至光电探测器500。

光电探测器500，设置与透镜400的焦点处，用于接收透镜400透射的待测反射激光束和待测透射激光束。

处理器，用于记录楔形反光镜300的水平位移量，以及检测光电探测器500上产生的相长干涉或相消干涉现象，最后计算出待测激光束的波长。

精密位移装置600，与楔形反光镜300连接，用于带动楔形反光镜300在其水平方向上移动。

需要说明的是，所述透镜400为凸透镜，根据凸透镜的透射原理可知，垂直射入凸透镜的光线都会经过凸透镜的焦点，为了使透射至光电探测器500上的两束光都落在同一点处，因此将光电探测器500设置在透镜400的焦点面上。但当射入透镜400的平行光线不与透镜400垂直时，光电探测器500设置在透镜400的副焦点处，以便不垂直射入透镜400的两束激光束通过透镜400后能够落在光电探测器500的同一点处。本实施例以平行的待测反射激光束和待测透射激光束垂直射入透镜为例进行说明。

所述精密位移装置为无导轨的压电陶瓷电机，使精密位移装置带动楔形反光镜移动时为无导轨移动，避免了导轨加工误差对波长测量的影响，提高了波长测量结果的精度。

所述基于干涉方式的激光波长测量装置设置于壳体内，即待测激光源、分光镜、透镜、光电探测器、精密位移装置分别相对于壳体固定设置。测量开始时，精密位移装置控制楔形反光镜在其水平方向上移动即可。

如图1所示，待测激光源100向分光镜200发射待测激光束，分光镜200接收到待测激光束后，将待测激光束分为待测反射激光束和待测透射激光束，将待测反射激光束直接反射至透镜400，将待测透射激光束透射至楔形反光镜300的反光面301，反光面301将待测透射激光束反射至透镜400，透镜400将接收到的待测反射激光束和待测透射激光束透射至光电探测器500，与光电探测器500电连接的处理器可检测光电探测器500上产生的干涉现象。

如图2所示，测量开始前，微调各光学元件的位置，使得光电探测器500上能收到待测反射激光束和待测透射激光束。测量开始时，控制精密位移装置600带动楔形反光镜300在其水平方向上移动，使得光电探测器500上出现相长干涉或相消干涉的现象，本实施例仅以相长干涉为例，处理器记录本次精密位移装置600带动楔形反光镜300水平移动的位移量x1；继续控制精密位移装置600带动楔形反光镜300在其水平方向上以上一次相同的方向移动，直到光电探测器500上再次产生相长干涉的现象，处理器记录精密位移装置600带动楔形反光镜300两次水平移动的总位移量x2。处理器根据两次记录的位移量差值x、楔形反光镜300的反光面301与水平面的夹角α、入射至反光面301的待测透射激光束与从反光面301反射出去的待测透射激光束之间的夹角β，即可计算出两次移动后两束激光束的光程差与一次移动后两束激光束的光程差的增量或减量。根据波长与光程差的关系可知，光程差等于波长的整数倍，那么本实施例仅间隔了一个相长干涉，光程差即等于待测激光束的波长。

需要说明的是，无论楔形反光镜300如何移动，待测激光源100向分光镜200发射待测激光束的这段光程始终不变，以及分光镜200反射的待测反射激光束直到射入光电探测器500的这段光程也始终不变，因此移动楔形反光镜300时，仅能让待测透射激光束的光程发生变化，那么待测反射激光束和待测透射激光束这两束激光束的光程差变化量即为移动楔形反光镜300前后待测透射激光束的光程变化量。

如图3所示，在已知楔形反光镜300的反光面301与水平线的夹角为α时，即∠oab＝α，又∠aoc＝∠oba＝∠obc＝90°，那么∠aob＝∠ocb，则∠cob＝∠oab＝α，因此∠doe＝2∠cob＝2α＝β，那么入射至反光面301的待测透射激光束与从反光面301反射出去的待测透射激光束之间的夹角为β＝2α。

详细来说，已知光电探测器500上间隔一个相长干涉时，精密位移装置600带动楔形反光镜300移动的位移量为x＝x2-x1，且已知楔形反光镜300的反光面301与水平线的夹角为α，入射至反光面301的待测透射激光束与从反光面301反射出去的待测透射激光束之间的夹角为2α。如图4所示，o点为楔形反光镜300移动前待测激光束落在反光面301的入射点，o`点为楔形反光镜300移动了位移x后待测透射激光束落在反光面301的入射点，o``点为o点与楔形反光镜300移动了位移x后待测透射激光束从反光面301反射出去的光路的垂足。容易理解的，楔形反光镜300移动了位移x后待测透射激光束的光程增量为l＝oo`+o`o``，即待测反射激光束与待测透射激光束的光程差变化量为：

l＝xtan(x)+xtan(x)cos(x)

即：

因此，可以得到光程差变化量l，从而得到待测激光束的波长。

假设楔形反光镜300与水平线的夹角为α＝0.1°，x＝1000nm，那么经计算得到l＝3.4907nm，待测激光束波长为λ＝3.4907nm。

基于上述测量装置，提出一种基于干涉方式的激光波长测量方法，包括以下步骤：

步骤s1：将待测激光源、分光镜、透镜、光电探测器、精密位移装置固定设置在壳体内；将分光镜与楔形反光镜的反光面平行设置，将光电探测器设置于透镜的焦点处；

步骤s2：开启待测激光源，移动楔形反光镜的位置，使得楔形反光镜能接收到待测激光束；

步骤s3：控制精密位移装置带动楔形反光镜在水平方向上移动，使得光电探测器上产生相长干涉/相消干涉现象，处理器记录楔形反光镜的位移量x1；

步骤s4：继续控制精密位移装置带动楔形反光镜在水平方向上移动，直到光电探测器上产生下一个相长干涉/相消干涉现象，处理器记录楔形反光镜的位移量x2；

步骤s5：处理器根据楔形反光镜两次水平移动的位移量以及楔形反光镜的反光面与水平方向上的角度、入射至反光面的待测激光束与反光面的角度，计算出待测激光束的波长。

为了提高激光波长的测量精度，本实施例可以对n个激光相长干涉/相消干涉现象进行测量，进一步降低精密位移装置位移精度对激光波长测量的影响。

实施例2：

作为另一种可实施方式，为避免楔形反光镜300的反光面301与水平线的夹角过小，使得入射反光面301的激光束经反光面301反射后再次进入分光镜200，如图5所示，倾斜待测激光源100向分光镜200发射的待测激光束，此时入射至反光面301的待测透射激光束与从反光面301反射出去的待测透射激光束之间的夹角已不为2α。如图6、7所示，但在倾斜设置待测激光源100时，是已知待测激光束与竖直方向上的夹角α`，那么入射至反光面301的待测透射激光束与反光面301的夹角为β`＝90°-α-α`。当楔形反光镜300移动位移x后，两束激光束的光程差为：

本实施列的其他部分与上述实施列相同，故不再赘述。

实施例3：

作为另一种可实施方式，所述精密位移装置带动楔形反光镜在其竖直方向上移动，如图8所述，其测量原理与实施例1相同，即两次产生相长干涉或相消干涉时，楔形反光镜在其竖直方向上移动位移量x，处理器根据移动位移量x、楔形反光镜300的反光面301与水平面的夹角α、入射至反光面301的待测透射激光束与从反光面301反射出去的待测透射激光束之间的夹角β，即可计算出两次移动后两束激光束的光程差与一次移动后两束激光束的光程差的增量或减量。根据波长与光程差的关系可知，光程差等于波长的整数倍，那么本实施例仅间隔了一个相长干涉，光程差即等于待测激光束的波长。使楔形反光镜在其竖直方向上移动，可以排除精密位移装置和楔形反光镜在移动时因重力影响而产生竖直方向上的微小位移，从而导致光程差测量的精度。

基于上述测量装置，提出一种基于干涉方式的激光波长测量方法，包括以下步骤：

步骤s1：将待测激光源、分光镜、透镜、光电探测器、精密位移装置固定设置在壳体内；将分光镜与楔形反光镜的反光面平行设置，将光电探测器设置于透镜的焦点处；

步骤s2：开启待测激光源，移动楔形反光镜的位置，使得楔形反光镜能接收到接收到待测激光束；

步骤s3：控制精密位移装置带动楔形反光镜在垂直方向上移动，使得光电探测器上产生相长干涉/相消干涉现象，处理器记录楔形反光镜的位移量x1；

步骤s4：继续控制精密位移装置位移装置带动楔形反光镜在垂直方向上移动，直到光电探测器上产生下一个相长干涉/相消干涉现象，处理器记录楔形反光镜的位移量x2；

步骤s5：处理器根据楔形反光镜两次垂直移动的位移量以及楔形反光镜的反光面与水平方向上的角度、入射至反光面的待测激光束与反光面的角度，计算出处待测激光束的波长。

为了提高激光波长的测量精度，本实施例可以对n个激光相长干涉/相消干涉现象进行测量，进一步降低精密位移装置位移精度对激光波长测量的影响。

本发明可使用精密位移装置带动楔形反光镜在其竖直方向上移动，排除精密位移装置和楔形反光镜在移动时因重力影响而产生竖直方向上的微小位移，使得光程差测量的精度更加准确，即提高了激光波长测量结果的精度。

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。