专利名称：一种新型线性衍射光栅干涉仪结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光学仪器领域，尤其是一种新型线性衍射光栅干涉仪结构。
背景技术：
大行程和高精度往往是位移传感器设计中面临的矛盾，传统的磁栅、容栅具有大 行程测量能力，但是精度往往局限于栅距；电感、压阻式传感器的灵敏度和精度都较高，但 是测量范围有限；激光干涉仪是一种常用的大行程高精度传感器，但是价格较高，而且对环 境要求苛刻，因为激光波长极易受到温度，空气扰动等环境因素影响。光栅式干涉测量的原理是利用运动的光栅产生两路衍射光束，衍射光由于多普勒 效应的作用，会产生符号相反的频移，重新会合产生干涉，即可获得频率和运动速度成正比 的干涉条纹信号，经过信号处理和计数细分，可作位移测量。光栅干涉仪即为一种基于光栅 干涉原理的位移传感器，其使用光栅的栅距作为位移标准，而非激光波长，从而大大提高了 读数的稳定性。而当激光入射光栅时，由于光点尺寸远大于光栅栅距，所以刻线误差也在平 均效应的作用下变得微乎其微。现有技术中已存有的光栅干涉仪，均使用廉价半导体激光器管作为光源，并且采 用士 1级衍射光进行干涉，通过结构设计或补偿消除光程差，通过偏极防止激光回射半导 体激光器，其光路中左旋右旋光进入相移模块，产生四路相位相差90°的干涉信号，并且使 用差动输入以便消除直流漂移，放大有用信号，其光路结构可分为光路叠加模块和干涉相 移模块。但现有技术的光栅干涉仪均存在有不足之处，如英国的海德汉公司设计的光栅干 涉仪，其用来改变偏振方向的波片和用来分光的非偏振分光片都有一定的厚度，引入了光 程差，使得几何上对称的光路在光程上并不对称，从而导致干涉对比度降低；非偏振分光片 具有一定厚度，由于折射的存在，左右两侧光束不可能完全重合；此外，这种设计基于一个 假设，即半导体激光器的发出的光束有接近理想状态的偏振性，而实际市场上绝大多数半 导体激光器的出射光束均为部分偏振光，并不满足这样的理想假设。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种新型线性衍射光栅干涉仪结构，使用较少的光学仪 器，能够获得较高的光信号品质，以解决现有技术所存在的问题。为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为—种新型线性衍射光栅干涉仪结构，包括有半导体激光器、反射式光栅，其特征在 于还包括有立方体状的第一偏振分光棱镜及角度可调的二个反射镜，所述第一偏振分光 棱镜的一面正对所述半导体激光器的出光口，为入光面，所述第一偏振分光棱镜入光面的 对称面，及与入光面相邻的两个相互对称的面的位置分别设置有1/4波片，所述1/4波片其 快轴方向为45°，所述两个反射镜相互对称，分别设置于所述第一偏振分光棱镜入光面的 对称面的一侧，及入光面的一个设置有1/4波片的相邻面的一侧，所述半导体激光器发出 的光入射至所述第一偏振分光棱镜的分光面上，一部分光透射过分光面，经过一个1/4波片后，被其中一个反射镜反射至所述反射式光栅，另一部分光被分光面反射，再经过另一个 1/4波片后，被另一个发射镜反射至所述反射式光栅，所述反射镜分别使两束光以特定角度 入射至所述反射式光栅，在反射光栅中形成衍射，调整反射镜角度使士 1级衍射光的反射 光沿原光路入射至所述第一偏振分光棱镜，再分别被分光面反射和透射过分光面后光路重 合，所述重合光经过第三个1/4波片后出射；还包括立方体状的消偏振分光棱镜、多个光电探测器，所述消偏振分光棱镜一面 为入光面，所述消偏振分光棱镜的入光面正对所述第三个1/4波片以接收经过所述第三个 1/4波片的出射光，对应所述消偏振分光棱镜上与入光面相对的一面及与入光面邻近的一 面分别设置有立方体状的第二、第三偏振分光棱镜，所述经过第三个1/4波片后的出射光 入射至所述消偏振分光棱镜，被所述消偏振分光棱镜的分光面分成能量相等的透射光和反 射光，所述透射光及反射光分别穿过所述消偏振分光棱镜，入射至所述第二、第三偏振分光 棱镜，所述第二、第三偏振分光棱镜的分光面分别将入射光分成透射的和被反射的两部分， 在对应所述第二、第三偏振分光棱镜中透射光及反射光的镜面位置分别设置有光电探测器 以接收所述第二、第三偏振分光棱镜中的成透射光和反射光。所述的一种新型线性衍射光栅干涉仪结构，其特征在于所述半导体激光器与所 述第一偏振分光棱镜之间、所述接收第二偏振分光棱镜透射光的光电探测器后方分别设置 有针孔。所述的一种新型线性衍射光栅干涉仪结构，其特征在于所述反射式光栅前方设 置有挡板，挡去不需要的级数的衍射反射光。本实用新型具有的优点如下(1)用最少数量的镜片实现了衍射光的叠加和干涉。简化了安装调整，减少了光学 元件表面，从而减少了冗余反射光束，改善了信号品质。(2)对称式结构设计，从原理上消除了光程差，增加了干涉条纹对比度，改善信号 品质，(3)由于在本实用新型中，衍射光方向为原入射光方向的原路返回，因此光学系 统与光栅之间可以以任意间距安装；调整反射镜角度即可实现衍射光按入射光方向原路返 回，若为获得更高测量分辨率而使用更小栅距的光栅，只须重新调整反射镜角度即可，因此 本设计具有升级空间。(4)位移最优光路明确，实现了安装调整的确定性。(5)镜片采用常见尺寸，工艺成熟，价格低廉。(6)激光器采用廉价的半导体激光器。(7)小型化设计。PBS和NPBS为5毫米棱长，1/4波片为4毫米边长，1毫米厚度。 整体尺寸为50mm*50mm*15mm。(8)高精度，15毫米量程内获得小于10纳米的测量重复性。
图1为本实用新型光路结构图。
具体实施方式
一种新型线性衍射光栅干涉仪结构，包括有半导体激光器1、反射式光栅4，还包括有立方体状的第一偏振分光棱镜3及角度可调的二个反射镜8、9，第一偏振分光棱镜3的 一面正对半导体激光器的出光口，为入光面，第一偏振分光棱镜3入光面的对称面，及与入 光面相邻的两个相互对称的面的位置分别设置有1/4波片6、5、7，1/4波片5、6、7其快轴方 向为45°，两个反射镜8、9相互对称，分别设置于第一偏振分光棱镜3入光面的对称面的一 侧，及入光面的一个设置有1/4波片5的相邻面的一侧，半导体激光器4发出的光入射至第 一偏振分光棱镜3的分光面上，一部分光透射过分光面，经过一个1/4波片6后，被其中一 个反射镜9反射至反射式光栅4，另一部分光被分光面反射，再经过另一个1/4波片5后，被 另一个发射镜8反射至反射式光栅4，反射镜8、9分别使两束光以22. 4°特定的入射角入 射至反射式光栅4，由于衍射光角度决定于光栅4栅距，入射角度以及衍射级数，故调整反 射镜8、9角度使士 1级衍射光的反射光沿原光路入射至第一偏振分光棱镜3，再分别被分光 面反射和透射过分光面后光路重合，重合光经过第三个1/4波片7后出射；还包括立方体状的消偏振分光棱镜10、四个光电探测器13、14、15、16，消偏振分 光棱镜10 —面为入光面，消偏振分光棱镜10的入光面正对第三个1/4波片7以接收经过 第三个1/4波片7的出射光，对应消偏振分光棱镜10上与入光面相对的一面及与入光面邻 近的一面分别设置有立方体状的第二、第三偏振分光棱镜11、12，经过第三个1/4波片7后 的出射光入射至消偏振分光棱镜10，被消偏振分光棱镜10的分光面分成能量相等的透射 光和反射光，透射光及反射光分别穿过消偏振分光棱镜10，入射至第二、第三偏振分光棱镜 11、12，第二、第三偏振分光棱镜11、12的分光面分别将入射光分成透射的和被反射的两部 分，在对应第二偏振分光棱镜11中透射光及反射光的镜面位置分别设置有光电探测器14、 13以接收第二偏振分光棱镜11中的成透射光和反射光，在对应第三偏振分光棱镜12中透 射光及反射光的镜面位置分别设置有光电探测器15、16以接收第三偏振分光棱镜12中的 成透射光和反射光，。半导体激光器1与第一偏振分光棱镜3之间、接收第二偏振分光棱镜11透射光的 光电探测器14后方分别设置有针孔2、18。反射式光栅4前方设置有挡板17，挡去不需要的级数的衍射反射光。本实用新型使用反射式光栅，发生干涉的为士 1级衍射光。当波长为λ的光束以 入射角Qi入射栅距为d的反射式光栅4，产生出多道衍射光，设衍射角为eq，m*衍射级 数，则以上参数有如下关系d(sin θ j+sin θ q) = mA(1)半导体激光器1出射的激光束为部分偏振光，通过适当的调整可以使得偏振椭圆 长轴位于45°方向。第一偏振分光棱镜3将该光束分为能量相同的两束线偏振光，偏振方 向分别为水平(P光)和竖直(S光)。P光穿过第一偏振分光棱镜3斜面，构成右光臂。而 S光则被反射，构成左光臂。通过(1)式可知，特定的衍射光角度由入射光角度和光栅的栅 距决定，通过调整反射镜8、9的角度，可以使得左光臂的-1级衍射光和右光臂的+1级衍射 光循入射光路方向返回。例如使用1毫米1200线的光栅，由式(1)可以计算出入射角度为 22.4°。1/4波片5、6和7的快轴方向为45°方向放置，可以实现线偏振光和圆偏振光的相 互转换。以左光臂为例，S光经过1/4波片5，被转换为左旋偏振光，循原路返回的-1级衍 射光被反射镜8反射，再次经过1/4波片5时，被转换为P光，则返回的光线并不会被第一 偏振分光棱镜3反光面反射回半导体激光器1，而是穿过第一偏振分光棱镜3，入射1/4波片7 ；类似的过程也发生在右光臂，+1级衍射光被转换为S光，返回第一偏振分光棱镜3时 被分光面反射，入射1/4波片7。此时两路会合的光束偏振方向互相垂直，不会发生干涉，经 1/4波片7的作用分别被转换为左旋和右旋偏振光。经消偏振分光棱镜10被分为能量相同 的两支，再由第三偏振分光棱镜12和第二偏振分光棱镜11的作用，分别形成在0°、45°、 90°和135°方向上的干涉。进而在四个光电探测器13、14、15、16上可获得相位相差90° 的正交弦波信号Ipdi = A[l-cos (2 Δ ω · t) ] (2)Ipd2 = A[l+cos(2A ω · t) ] (3)IPD3 = A[l+sin(2A ω · t)] (4)Ipd4 = A[l_sin(2A ω · t)] (5)在此基本原理以外，为了便于调整安装和改进信号品质，本实用新型中新增了一 些优化结构的细节针孔2用于限制光束直径，使干涉光斑能够位于光电探测器中心，而不容易落在 光电探测器敏感区域以外。针孔18和针孔2共同作用，确定了唯一的光路，只有当两束光 可以穿过针孔18时才能让干涉光斑落在光电探测器的中心。在靠近光栅的位置设置一挡板17，阻隔左光臂的+1级衍射光和右光臂的-1级衍 射光进入光路。
权利要求一种新型线性衍射光栅干涉仪结构，包括有半导体激光器、反射式光栅，其特征在于还包括有立方体状的第一偏振分光棱镜及角度可调的二个反射镜，所述第一偏振分光棱镜的一面正对所述半导体激光器的出光口，为入光面，所述第一偏振分光棱镜入光面的对称面，及与入光面相邻的两个相互对称的面的位置分别设置有1/4波片，所述1/4波片其快轴方向为45°，所述两个反射镜相互对称，分别设置于所述第一偏振分光棱镜入光面的对称面的一侧，及入光面的一个设置有1/4波片的相邻面的一侧，所述半导体激光器发出的光入射至所述第一偏振分光棱镜的分光面上，一部分光透射过分光面，经过一个1/4波片后，被其中一个反射镜反射至所述反射式光栅，另一部分光被分光面反射，再经过另一个1/4波片后，被另一个发射镜反射至所述反射式光栅，所述反射镜分别使两束光以特定角度入射至所述反射式光栅，在反射光栅中形成衍射，调整反射镜角度使±1级衍射光的反射光沿原光路入射至所述第一偏振分光棱镜，再分别被分光面反射和透射过分光面后光路重合，所述重合光经过第三个1/4波片后出射；还包括立方体状的消偏振分光棱镜、多个光电探测器，所述消偏振分光棱镜一面为入光面，所述消偏振分光棱镜的入光面正对所述第三个1/4波片以接收经过所述第三个1/4波片的出射光，对应所述消偏振分光棱镜上与入光面相对的一面及与入光面邻近的一面分别设置有立方体状的第二、第三偏振分光棱镜，所述经过第三个1/4波片后的出射光入射至所述消偏振分光棱镜，被所述消偏振分光棱镜的分光面分成能量相等的透射光和反射光，所述透射光及反射光分别穿过所述消偏振分光棱镜，入射至所述第二、第三偏振分光棱镜，所述第二、第三偏振分光棱镜的分光面分别将入射光分成透射的和被反射的两部分，在对应所述第二、第三偏振分光棱镜中透射光及反射光的镜面位置分别设置有光电探测器以接收所述第二、第三偏振分光棱镜中的成透射光和反射光。
2.根据权利要求1所述的一种新型线性衍射光栅干涉仪结构，其特征在于所述半导 体激光器与所述第一偏振分光棱镜之间、所述接收第二偏振分光棱镜透射光的光电探测器 后方分别设置有针孔。
3.根据权利要求1所述的一种新型线性衍射光栅干涉仪结构，其特征在于所述反射 式光栅前方设置有挡板，挡去不需要的级数的衍射反射光。
专利摘要本实用新型涉及一种新型线性衍射光栅干涉仪结构，包括有半导体激光器、反射式光栅、反射镜，在半导体激光器与反射镜之间设置有第一偏振分光棱镜，在第一偏振分光棱镜一侧还设置有消偏振棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜，第二、第三偏振分光棱镜上分别设置有接收信号光的光电探测器。本实用新型用最少数量的镜片实现了衍射光的叠加和干涉。简化了安装调整，减少了光学元件表面，从而减少了冗余反射光束，改善了信号品质。本实用新型采用对称式结构设计，从原理上消除了光程差，增加了干涉条纹对比度，改善信号品质。本实用新型位移最优光路明确，实现了安装调整的确定性。
文档编号G02B26/08GK201653358SQ20092029979
公开日2010年11月24日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者程方, 范光照 申请人:范光照;程方