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与流程

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。

技术实现要素：

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。

进一步地，所述计算机模块包括：带通滤波器组单元，包括四个带通滤波器，分别输出第一光路的一次谐波分量I_o1和二次谐波分量I_o2，以及第二光路的一次谐波分量I_e1和二次谐波分量I_e2；除法单元，用于根据公式A_o/e1(t)＝I_o/e1/cos(ω_o/et)和A_o/e2(t)＝I_o/e2/cos(2ω_o/et)计算得到两种谐波分量的幅值曲线，其中ω_o/e为两个光路的相移角频率，ω_o≠ω_e；反正切单元，用于根据公式计算得到两个光路的相位；以及，位移计算单元，用于根据公式计算得到两个光路的测量位移。

所述偏振复用相位调制型激光自混合二维干涉仪的测量方法，包括如下步骤：

(1)给双纵模激光器稳定供应5mA电流，使其输出可见的红色圆偏振光，旋转激光管使得输出的两个偏振态分别位于水平和垂直方向；

(2)调整偏振分光棱镜，使得入射光与棱镜的中间层有45°夹角，o光在水平方向穿过偏振态同为水平方向的第一电光相位调制器，e光在垂直方向穿过偏振态垂直的第二电光相位调制；

(3)o光穿过第一光学滤波器到达第一待测目标，被原路反射回激光管；e光穿过第二光学滤波器到达第二待测目标，沿原路返回激光器；在o光路或e光路中的普通分光棱镜将光强信号折射至光电探测器；

(4)光电探测器输出的光强信号输入信号采集和相位计算系统进行处理，经滤波放大、模数转换、谐波幅值提取、反正切运算和解包裹得到被测物相位和位移。

有益效果：本发明将圆偏振光源、偏振复用技术引入相位调制型激光自混合干涉仪中，产生双测量光路的自混合干涉仪。主要的技术特点如下：

双纵模激光器：双纵模光频差大约为40MHz，波长为632.8nm，输出毫瓦级功率。该类激光器线宽窄，受温度变化影响低。He-Ne混合气体作为激光工作介质，受到两个外腔的反馈光后产生微波段的光强变化，在普通光电探测器的响应范围内，产生的光电流易于进行模数转换和信号分析。

正弦相位调制技术：与线偏振光结合，产生的相位调制具备高效率，宽频带，无光强扰动的特点。正弦波具备非常尖锐的频域分布，因此引入相位调制后相当于将自混合信号在频域进行了重分布，产生频率中心和相邻间隔精确可调的谐波分量，和成熟的滤波技术结合，谐波分量易于被提取。

激光自混合效应：激光器的窄线宽使得本系统对同等光学反馈的相应度低于半导体类激光器，适当衰减即可消除条纹的倾斜特征。激光自混合效应与传统双光束干涉具备类似的相位敏感度，自混合条纹和被测光程呈线性关系，波长朔源的特性保证了该系统具有纳米级精度。

偏正光复用技术：在偏振光学中，两个正交偏正态的光束沿同一光轴传播时与圆偏振光等效。应用偏振分光棱镜，圆偏振光与两个正交偏振光可在自混合光路中实现可逆互换，因此一个圆偏振光激光器可以具备两个独立偏振的自混合光路，这提高了自混合测量的目标数量，且反馈光之间不可能产生串扰。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)设计光路为十字型的结构，两个测量光路工作在正交偏振态，无光学串扰，不形成参考关系；两个测量光路可以同时工作或单独工作。

2)双频激光器短期波长不确定度优于10e-6，对温度的敏感度低于半导体激光器，受直流驱动(5mA)，无需额外泵浦和精密温控制。

3)采集到的单路数据由谐波分析的方法提取o路和e路的相位变化。

4)激光器收到的光反馈强度必须为弱反馈，反馈光强通过两个光学滤波器控制，使得产生的条纹不具备明显的倾斜现象。

5)该系统允许两个被测物同时发生位移，其幅度、相位、频率可以相同也可以不同；允许只有一个被测物运动另一个被测物静止。可以实现光刻、微纳结构、微型电路印刷等行业需要的二维精密定位，也可以对工业环境中二维位移、振动、曲翘、变形、表面轮廓的进行测量。

附图说明

图1是本发明实施例的装置示意图；

图中，1-双纵模激光器；2-偏振分光棱镜；3-第一相位调制器；4-第二相位调制器；5-普通分光棱镜；6-第一光线密度滤波器；7-第二光线密度滤波器；8-第一待测目标；9-第二待测目标；10-光电探测器；11-低通滤波放大电路；12-数据采集卡；13-计算机模块。

图2是本发明实施例中采集的光强信号的频域特征示意图；

图3是本发明实施例中自混合光强信号的谐波解调方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明实施例公开的一种偏振复用相位调制型激光自混合二维干涉仪主要包括双纵模激光器1，偏振分光棱镜2，第一相位调制器3，第一相位调制器4，普通分光棱镜5，第一光线密度滤波器6，第二光线密度滤波器7，第一待测目标8，第二待测目标9，光电探测器10，以及由低通滤波放大电路11，数据采集卡12和计算机模块13组成的信号采集和相位计算系统。其中：

双纵模激光器1，典型原子气体He-Ne激光器，输出双纵模，圆偏振态光，波长为632.8nm,无反馈输出功率为5mW。

偏振分光棱镜2，具备快轴、慢轴，可将入射圆偏振光分解为两个正交偏振的线偏振光(o光和e光)。

第一电光相位调制器3，位于第一光路(o光路)，封装了掺有氧化镁的铌酸锂晶体，通过外加低频高压(<0.25GHz)的电信号改变折射率，对通过晶体的激光束进行相位调制。

第二电光相位调制器4，位于第二光路(e光路)，是与相位调制器3同样规格的电光相位调制器，以垂直方向放置在光路中，因此其偏振态与相位调制器3的偏振态完全不同。

普通分光棱镜5，位于任一光路，将一个光路中的光强信号折射至光电探测器，用于产生被探测波形。

第一光线密度滤波器6，可见光强度滤波器，用于控制o光路的光强。

第二光线密度滤波器7，是与滤波器6同规格器件，用于控制e光路的光强。

第一待测目标8，与o光路轴向垂直的被测物，可以是精密位移平台、压电陶瓷、激振器件等。

第二待测目标9，与e光路轴向垂直的被测物。

光电探测器10，硅基的宽波段光电探测器，必须覆盖632.8nm激光波长，使用中必须与可调电阻相接。

低通滤波放大电路11，预处理硬件电路，滤波截止频率可调，且具备放大信号幅度的功能。

数据采集卡12，NI系列或同类型数据采集卡，差分方式采集电压信号。

计算机模块13，计算机，配备软件环境实现解相和结果显示。

为了实现上述的偏振复用相位调制型激光自混合二维干涉仪对两个独立目标或二维位移/振动的实时测量，本发明的测量方法主要包括以下步骤：

1.给双纵模气体激光器1稳定供应5mA电流，使其输出可见的红色圆偏振光，旋转激光管使得输出的两个偏振态分别位于水平和垂直方向。

2.调整放置在激光器前段的偏振分光棱镜2，使得入射光与棱镜的中间层有45°夹角。o光在水平方向穿过偏振态同为水平方向的电光相位调制器3；e光在垂直方向穿过偏振态垂直的电光相位调制器4。

3.o光穿过光学滤波器6到达待测目标8，被原路反射回激光管；e光穿过光学滤波器7到达待测目标9，沿原路返回激光器。普通分光棱镜5可以放置在o或e光路的任一个，将自混合信号折射至光电探测器10。

4.光电探测器10输出的光电流经可调电阻转换为电压，电压信号通过低通滤波放大器11去除高频噪声，输出的电压由数据采集卡12完成模数转换，再通过USB数据线传输至解调计算机13。信号处理在计算机13的软件环境(Labview or Matlab)下完成，具体为在时域中提取两种谐波分量(谐波的分类有谐波的中心频率决定，中心频率是o路电光相位调制的整数倍即为o类的谐波，同样，另一类是e类的谐波)。同类谐波中包含一阶和二阶谐波，因此总共四个谐波需要提取。当两个调制引入的相移深度均为1.22rad时，被测物相位由反正切运算和解包裹恢复。

基于谐波分析和相位解调的测量基本原理：发生自混合效应的双纵模激光器光强模型为：

下标o/e代表两个光路,P_o/e是两个纵模光强，字母E和F是两个光强的权重系数，C_o和C_e是两个等效的反射系数，用于描述反射光的强度，两个光路始终正交偏振，所以数学叉乘恒等于零。在本发明中使用光线密度滤波器后，两个反射系数均远小于1，因此C_o≈C_e＜＜1，式(1)可表示为：

通过高压交流放大电路给两个电光晶体施加不同频率相同深度的驱动电压，激活电光相位调制器引入相位调制，式(3)中相位被相移：

其中α_o/e表示被相位调制器引入相移的深度，相移角频率可由相移频率确定：ω_o/e＝2πf_o/e。解调时仅需一路光强信号即可，以o路光强信号为例，光强按贝塞尔函数展开后表示如下：

式(5)中关于o路相位的一次和二次谐波可表示如下：

式(5)中关于e路相位的一次和二次谐波可表示如下：

式(6a)-(7b)中波幅度测量中为呈现动态变化，可表示为：

为确保两种谐波分量在频域无混叠，因此两个相位调制的角频率必须不同ω_o≠ω_e因次，按式(9)的除法运算提取幅度曲线(8a)和(8b)：

相位由如下关系式得到：

当两个电光相位调制的调制深度均设为α_o/e＝1.22rad时,则关于α_o/e的一阶和二阶贝塞尔函数相等，即J₁(α_o/e)＝J₂(α_o/e),这样式(8a)和(8b)中正弦相位与余弦相位的系数相等可消除，解得的相位解包裹后由如下关系式得到对应的二维位移曲线：

对e路光强同样可按照式(5)-(11)获得两路相位和位移曲线。

下面结合图2进一步说明o光路或e光路采集的自混合信号的频域特征：

1)自混合信号做FFT变换后是一个多谐波成分的微波段信号。

2)如图所示(两个相位调制频率分别为39KHz和98KHz),两种谐波的中心和调制频率一致，同种谐波的相邻间隔等于调制频率。

3)两种谐波的谱宽等于所在光路中被测物引入的激光多普勒频率。

4)谐波之间保持必要的间隔，因此各谐波被提取时不会出现混叠现象。

下面结合图3说明本发明计算机模块的信号处理单元及处理流程。软件部分主要包括带通滤波器组单元，包括四个带通滤波器，分别输出o光路的两种谐波分量I_o1和I_o2，以及e光路的两种谐波分量I_e1和I_e2；除法单元，根据公式A_o/e1(t)＝I_o/e1/cos(ω_o/et)和A_o/e2(t)＝I_o/e2/cos(2ω_o/et)计算得到两种谐波分量的幅值曲线；反正切单元，根据公式计算得到两个光路的相位；位移计算单元，根据公式计算得到两个光路的测量位移。

Labview环境下处理流程为：

1)配置A/D卡以差分方式采集和存储数据，其参数输入数据解调流程，适当调节放大倍数。

2)设置四个带通滤波器的截止频率确保：1.四个带宽没有重复；2.中心频率大小分别为两个相位调制频率f_o/e和双倍2f_o/e。

3)f_o和2f_o中心的两个滤波器输出与生成的cos(ω_ot)和cos(2ω_ot)数组相除，然后输入至反正切运算，另两个滤波器做相同操作。

4)将所得相位解包裹并绘图显示。

单个光路预计可以测量的位移或速度上限如表1：

表1偏振复用相位调制型激光自混合二维干涉仪任意单通道测量范围

注:二维测量过程中，两个测量通道可同时工作或单独工作。

本发明使用单个激光管和单个探测器检测两个独立运动物体的位移，偏振复用产生的光路的偏振态正交，不引入光学串扰；双纵模气体激光器的两个纵模在自混合过程相互作用，单个纵模的光强变化体现为两个相位的余弦函数差；相位调制技术只带来纯相位变化，不带来额外光强变化；由于相位调制频差使得两种谐波的频域分布间隔大，易于提取；数据处理耗时短，获得的精度高；同步检测二维位移/振动可广泛应用于非接触式的光刻机/电路印刷工艺的精密实时定位。相比而言，目前科学工程和工业领域中二维精密位移测量的方式大多是用至少2个干涉仪或双频激光器，系统复杂，成本较高，且操作并不方便。本发明提出采用偏振复用相位调制结构，将两个待测信息调制到不同的谐波分量上，信号处理根据谐波的分布特性，从谐波幅度中提取相位信息，相对精度优于10e-3，抗散斑噪声能力强。同时，本发明可以灵活选择调制频率，因此两个测量光路中精度动态可调，相比单光路自混合干涉仪提高了更好的灵活性，应用前景很好。