专利名称：光纤型激光自混合干涉仪及其测量方法
技术领域：
本发明涉及位移精密测量仪器，具体地涉及一种测量微小位移的光纤型自混合干 涉仪及其测量方法。
背景技术：
干涉测量仪系统常应用于精密机械、微电子和微机电系统(MEMS)等领域的微小位 移测量。对于亚微米到微米(μπΟ的微位移测量范围，激光干涉测量凭借非接触、高分辨力 和高测量精度等优点，取得了广泛的应用。由于光纤耦合输出的半导体激光器具有挠性、小 型化和抗电磁干扰等优点，因此在位移传感器中得到应用。例如，美国MTI公司的ΜΤΙ-2100 FotonicTM Sensor系列光纤位移计，在1 μ m 10 μ m工作范围内误差为0. 01 μ m 0. 1 μ m。 以这类产品为代表的光纤型微小位移干涉测量仪是基于反馈光的强度与被测距离成线性 关系的原理，并采用光子晶体光纤放宽了对被测物体反射率的要求，保证了测量精度。但是 这些测量仪需要很多光学元器件和复杂的光信号检测装置，因而难以做出结构紧凑、价格 低廉的测量装置。传统的干涉测试结构普遍结构庞大，光路复杂，敏感于准直，而且价格昂贵，因此 迫切需要更加简单、紧凑、稳定的干涉系统。激光自混合干涉技术是一种新型的相干计量技 术，从80年代开始应用于几何量测量。分析由激光器和被测物表面构成的外谐振腔产生的 自混合干涉信号，可以确定物体的状态，测量距离、位移和速度。已有的研究表明自混合干 涉具有几个特点干涉信号为类余弦条纹或锯齿波条纹；干涉的相位灵敏度与传统干涉相 同；适度光反馈水平下的干涉信号能对物体运动进行辨向。激光自混合干涉仪器还具有以 下优点结构简单紧凑，自准直，节省元器件；无需外部光电探测器；被测物体可为粗糙散 射表面。由此可见，激光自混合干涉技术在部分测量领域优于传统干涉技术。
发明内容
本发明的目的是提供光纤型激光自混合干涉仪，该仪器是一种能够观测微小位移 的精密测量仪器。本发明的另外一个目的是提供一种利用该光纤型激光自混合干涉仪进行 位移测量的方法。本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是光纤型激光自混合干涉仪包括分 布反馈半导体激光器、保偏光纤耦合器、线内起偏器、单模光纤、电光调制器、光纤光栅、梯 度折射率透镜，试件、光电探测器、数据采集与处理系统、光纤夹持器、一维导轨、二维精密 平移台、显微镜、底座、支架和信号发生器，所述一维导轨、二维精密平移台、试件依次固定 在底座的中心，所述支架固定在底座的两侧，所述显微镜和光纤夹持器装在支架上，所述单 模光纤依次连接激光器、保偏光纤耦合器、线内起偏器、电光调制器、光纤光栅和梯度折射 率透镜，并由光纤夹持器固定，所述信号发生器的输出端与所述电光调制器连接。其中，数据采集与处理系统包括放大器、滤波器、模数转换电路、计算机数据处理 单元和显示终端，放大器的输入端与光电探测器的输出端连接，放大器的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与模数转换电路的输入端连接，模数转换电路的输出端通 过USB接口与计算机数据处理单元和显示终端的输入端连接；模数转换电路包括A/D变换 卡和同步采样电路；电光调制器可以采用波导型电光晶体。为了利用上述的光纤型激光自混合干涉仪测量微小位移，本发明的测量方法主 要包括以下步骤分布反馈半导体激光器发出单纵模光经由单模光纤传输，线内起偏器 使电光调制器对激光束进行纯相位调制；信号发生器发出适当频率的余弦信号驱动电光 调制器，引起激光束的余弦相位调制，被调制后的光一部分经过光纤光栅反射回激光器 的谐振腔，另一部分由试件反射后反馈回激光腔内，产生两重外腔自混合干涉现象，自混 合信号光强由光电探测器检测；利用数据采集与处理系统对光电探测器的输出信号进 行放大和滤波处理之后，进行模数转换；在每个调制周期内，对数字采样信号进行时间 的4次积分运算，再对信号积分的结果进行线性组合计算，得到只包含正交的正弦分量 和余弦分量的结果，然后通过这两个分量的比值获得反正切函数，得出相位值；依据相位
与自混合干涉仪外腔长度之间的关系 = 4π￡ /λ就可以计算出试件的位移ζ。自混合干涉效应发生在激光器的谐振腔内，通过改变外腔等效腔长和反馈强度等 参数可以调制激光器输出光的强度和光谱特性，连接耦合器一端的光电探测器完成光干涉 信号的探测。检测光学反馈造成信号的强度和位相变化，确定物体的微小位移。在弱光反 馈的条件下，自混合干涉信号是正弦变化的，外腔长度每改变半波长的位移，自混合信号 波动一个周期，传统自混合干涉信号的分析方法大都用条纹峰值计数法，位移测量精度仅 在λ/2。本发明采用电光调制器对激光器的输出光进行位相调制，部分光经由光纤光栅反 射作为参考光反馈回激光器的谐振腔，另一部分光透过光纤光栅经过梯度折射率透镜后聚 焦在试件上，反射或散射光作为测量光按原路返回激光器的谐振腔，反馈光携带外部物体 的信息，与激光腔内的光相混合后发生自混合干涉，干涉信号的光强由光电探测器检测并 经过A/D转换电路转换为数字信号，最后由数据处理单元采用正交解调技术分析自混合信 号，最后由显示终端输出结果。本发明具有以下有益效果(1)采用的分布反馈半导体(DFB)激光器同时用作系 统光源和位移测量传感器，用光纤代替自由空间作干涉光路可以减少干涉仪的长臂安装和 校准的固有困难，并可使干涉仪具有挠性和小型化；(2)本发明在0 μ m 10 μ m工作范围内 仪器误差为0. 01 μ m,光纤型的干涉探头不受电磁干扰的影响，并且适用于多种类型的物体 表面；(3)提出的双重外腔反馈结构可以极大程度地滤除干涉仪受环境温度变化、光学频 率涨落和外界振动的影响；(4)这种光纤干涉仪结构很适用于微机械和MEMS器件的纳米级 位移和振动的测量，更接近实用化。
图1是本发明光纤型激光自混合干涉仪的结构图。图2是本发明干涉仪中数据采集与处理系统的结构图。图3是本发明测量方法中对信号的软件处理流程图。
具体实施例下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
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如图1，本发明装置中测量纳米级位移和振动的干涉探头由单模光纤4依次连接 DFB激光器1、保偏光纤耦合器2、线内起偏器3、电光调制器5、光纤光栅6和梯度折射率透 镜7组成；干涉探头正对试件8，保偏光纤耦合器2的端口连接光纤光电探测器9和数据 采集与处理系统10。一维导轨12固定在底座15的中心，在底座15上固定有支架16，位 于支架16上的显微镜14用于观察和调整光纤探头位置，光纤夹持器11用于固定光纤探 头，信号发生器17与电光调制器5连接。试件8固定在二维精密平移台13上。DFB激光 器1选用JW3101 (中心波长1550nm，峰值功率-8. 7dBm，谱线宽度为0. 15nm)，光电探测器 9选用DET01CFC (波长范围800rniTl700nm，带宽2GHz)，电光调制器5采用铌酸锂相位调制 器LPM-001 (工作波长1550nm，半波电压3. 5V，带宽>2. 5GHz)，光纤光栅6的中心波长为 1549. 94nm, 3dB带宽为0. 012nm。采用MEMS器件作为试件8 (反射镜)，目的是为了控制反 馈光的光强，使系统工作在弱光反馈的条件下。结合图1说明利用光学系统产生自混合干涉、测量位移的实施方法。激光器1谐 振腔的两个端面构成了激光器内腔，光纤光栅6、试件8分别和激光器谐振腔的出射端面构 成参考外腔和测量外腔。由DFB激光器1发出单纵模光经由单模光纤4传输，通过50:50 的耦合器2分光。一端经由起偏器3输出偏振方向与电光调制器5主轴方向一致的线偏振 光，使得电光调制器5对激光束进行纯相位调制。被调制后的光一部分经过光纤光栅6反 射回激光器1的谐振腔，另一部分由试件8反射或散射后反馈回激光腔内，产生两重外腔自 混合干涉现象，自混合干涉的结果使得发射光的振幅和频率受到调制。激光器的输出强度 波动一个周期对应于等效测量外腔长度改变半个光波波长，λ/2。利用正交解调技术解调 信号的相位，再由相位与位移的关系计算出位移。由于温度变化产生的信号相位误差对两 个外腔是相同的，在利用参考光和测量光的干涉信号相位求解位移时，温度引起的变化将 被作为共模信号剔除掉，所以使用参考外腔能滤除扰动对系统产生的影响。在调试干涉仪器时，依次开启光电探测器9和DFB激光器1，由于该激光器工作波 长为1550nm，出射激光为不可见光，实际操作时应佩戴防护眼镜。配合显微镜14的使用，调 节具有梯度折射率透镜7的光纤端面和试件8之间的垂直距离为3飞毫米，保证出射激光 聚焦在试件8上，经试件8散射后的光能反馈到激光腔内，发生自混合干涉现象，在调节出 射光纤端面的同时，光电探测器9有明显的波动信号产生。设置信号发生器17，使其输出余 弦电压信号，电压峰峰值为1.5V，频率为ΙΚΗζ，该信号用于驱动电光调制器5，此时光电探 测器9输出信号呈现稳定的周期性的近似正弦波信号，提高信号发生器17输出余弦电压信 号的频率，可以发现自混合信号的波动频率明显增大，波动条纹变密。结合图2说明自混合干涉的信号处理电路系统。系统包括光电探测器9用于检 测自混合干涉信号，其输出信号连接到放大器18的输入端，放大器实际是低噪声运算放大 器，在保证信号不失真的条件下放大初级信号并对噪声产生一定的抑制作用。放大器18的 输出连接到滤波器19的输入端，滤波器对放大后的自混合信号进行降噪处理，去除突变的 噪声。系统还包括信号模数转换电路20，该部件由A/D变换卡和同步采样电路组成，其输入 端接到滤波器19的输出端，其输出端通过USB接口连接到计算机数据处理单元和显示终端 21。自混合信号经同步采样和A/D变换，成为数字信号。从余弦调制信号的每个周期的下 降沿起点产生同步采样脉冲。调节放大器18的放大倍数为40飞0，并根据待测信号频率和 已有的A/D变换卡的采样频率以及精度，选择采样点，例如选择512或1024采样点。对于中低频信号，选取A/D变换卡的采样频率> 1 MHz，精度> 16 bit。采到的数字信号耦合到 计算机，用计算机进行实时处理。 利用LabVIEW作为系统软件的编程开发平台，进行编程，生成显示、分析和控制 的图形化用户界面，完成计算机接口控制、数据采集、分析和计算。结合图3的信号处理 流程图，说明用正交解调原理提取信号相位的步骤LabVIEW软件启动后，初始化A/D变 化卡，利用DAQ Assistant模块控制A/D转换的启动与停止，采样频率可以根据需要灵 活设置，当保存的数据达到1024时，开始进行数据处理，否则继续采样。余弦调制信号 的每个周期的下降沿起点会产生同步采样脉冲，采样脉冲间隔即为调制信号的一个周 期。(1)在每个调制信号周期T (T=I/ )中，将采样得到的自混合信号根据时间顺序 划分为4个长度为Τ/4的时间片，分别将每个时间片内的自混合干涉信号对时间进行积
分运算。每个时间片的积分结果G可以表示为Q = |/<)识，其中i=l，2，3，4;(2)
根据理论计算，通过对每个调制周期中的4个积分结果进行线性组合计算，可以得到
A' - (, — C. -C. -C AH,ms4(w . 1 - C Γ-. -C, - C. AH sinφαυ ,其中儿 Ηχ、
JΜ JhM , , β·J*·k ,ιΛ
α均为常系数，从而++si^iIq — +++丨::++f/+++ ,故v v 分别正比于试件相位的正弦分
‘cos Χ ) Λ -1 -Hv Λ · Ht
量和余弦分量；(3)计算正弦分量与余弦分量的比值，则相位一可以由以下关系式得到 Φ = 'MCimiY ^ Hx / X. Hy),依据相位与自混合干涉仪外腔长度之间的关系诊=4πΙ / λ就
可以计算试件的位移Z ； (4)对每个调制周期内的自混合信号按照上述方法处理，可以实时 重构试件的位移波形。
权利要求
光纤型激光自混合干涉仪，其特征在于所述干涉仪包括分布反馈半导体激光器(1)、保偏光纤耦合器(2)、线内起偏器(3)、单模光纤(4)、电光调制器(5)、光纤光栅(6)、梯度折射率透镜(7)，试件(8)、光电探测器(9)、数据采集与处理系统(10)、光纤夹持器(11)、一维导轨(12)、二维精密平移台(13)、显微镜(14)、底座(15)、支架(16)和信号发生器(17)，所述一维导轨(12)、二维精密平移台(13)、试件(8)依次固定在所述底座(15)的中心，所述支架(16)固定在所述底座(15)的两侧，所述显微镜(14)和光纤夹持器(11)装在所述支架(16)上，所述单模光纤(4)依次连接所述激光器(1)、保偏光纤耦合器(2)、线内起偏器(3)、电光调制器(5)、光纤光栅(6)和梯度折射率透镜(7)，并由所述光纤夹持器(11) 固定，所述信号发生器(17)的输出端与所述电光调制器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的光纤型激光自混合干涉仪，其特征在于所述数据采集与处 理系统(10)包括放大器(18)、滤波器(19)、模数转换电路(20)、计算机数据处理单元和显 示终端(21)，所述放大器(18)的输入端与光电探测器(9)的输出端连接，所述放大器(18) 的输出端与滤波器(19)的输入端连接，所述滤波器(19)的输出端与模数转换电路(20)的 输入端连接，所述模数转换电路(20)的输出端通过USB接口与计算机数据处理单元和显示 终端(21)的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的光纤型激光自混合干涉仪，其特征在于模数转换电路(20) 包括A/D变换卡和同步采样电路。
4.根据权利要求1至3之一所述的光纤型激光自混合干涉仪，其特征在于电光调制 器(5)采用波导型电光晶体。
5.利用如权利要求1所述的光纤型激光自混合干涉仪的测量方法，其特征在于主要包括以下步骤分布反馈半导体激光器(1)发出单纵模光经由单模光纤(4)传输，线内起偏器(3)使电 光调制器(5)对激光束进行纯相位调制；信号发生器(17)发出适当频率的余弦信号驱动电光调制器(5)，引起激光束的余弦相 位调制，被调制后的光一部分经过光纤光栅(6)反射回激光器(1)的谐振腔，另一部分由试 件(8)反射后反馈回激光腔内，产生两重外腔自混合干涉现象，自混合信号光强由光电探测 器(9)检测；利用数据采集与处理系统(10)对光电探测器(9)的输出信号进行放大和滤波处理之 后，进行模数转换；在每个调制周期内，对数字采样信号进行时间的4次积分运算，再对信号积分的结果 进行线性组合计算，得到只包含正交的正弦分量和余弦分量的结果，然后通过这两个分量 的比值获得反正切函数，得出相位值；依据相位#与自混合干涉仪外腔长度之间的关系 4-τ￡ U就可以计算出试件的位移Ζ。
6.根据权利要求5所述的光纤型激光自混合干涉仪的测量方法，其特征在于电光调 制器(5)采用波导型电光晶体。
全文摘要
本发明公开了一种光纤型激光自混合干涉仪及其测量方法，属于位移精密测量领域。干涉仪包括分布反馈半导体激光器、保偏光纤耦合器、线内起偏器、单模光纤、电光调制器、光纤光栅、梯度折射率透镜，试件、光电探测器、数据采集与处理系统、光纤夹持器、一维导轨、二维精密平移台、显微镜、底座、支架和信号发生器。光纤光栅和试件分别与激光器的出射端面构成参考外腔和测量外腔，产生两重外腔自混合干涉现象，数据采集与处理系统采用正交解调技术分析得到的自混合信号，最后可以计算得出试件的位移量。本发明的光纤干涉仪结构很适用于微机械和MEMS器件的纳米级位移和振动的测量，更接近实用化。
文档编号G01B11/02GK101949685SQ20101027500
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者夏巍, 王鸣 申请人:南京师范大学