一种白光量子干涉系统的制作方法

本实用新型属于光学器件制备领域，尤其涉及一种白光量子干涉系统。

背景技术：

位移测量在现在测量技术中非常常见，而且非常重要，通过对位移的测量，可以间接测量振动、流量、加速度等多种物理量。近代工业的迅速发展使得微位移测量技术尤为重要，对其灵敏度、准确度的要求也越来越高，并向着动态、在线、实时等方向发展。有些航空领域的测试，也需要在特殊条件下进行，如放射、腐蚀、高温、高压、高速或小空间等；还有在机械工业中，为了提高精密加工机床的精度，以及结构的稳定性和可靠性，需要检测其在承载条件下工作机的动态形变，如大机械的动态变形场(如大型发电机或各种大型机械主轴在运转过程中的变形)，机床导轨在工作中的形变等；另外在建筑工业中桥梁承载下的变形检测，大坝、船舶等工程结构变形状况的检测等，以及对滑坡、地陷、雪崩等地质灾害的监测都需要测量，以获得测量对象的动态测量信息。一般常用的微位移测量手段有电容法和光杠杆法等，两者由于不同的原因使得测量精度较低。电容法易受到外部电磁干扰以及杂散电容、寄生电容的影响；而光杠杆法的测量精度达到10纳米左右。因此，高精度的白光量子弱测量技术的应用研究就显得尤为重要。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种白光量子干涉系统，使用白光源使得成本低，且装置简单实用、性能稳定，受外界坏境影响因素小。

本实用新型是这样实现的，一种白光量子干涉系统，包括：

处于同一光轴上，按照光线入射的方向，依次为LED光源、准直透镜、第一双折射棱镜起偏器、双折射晶体以及第二双折射棱镜起偏器；LED光源将发出的光源经准直透镜转换为平行光后经第一双折射棱镜起偏器转换为线偏振光，得到的线偏振光，垂直入射到双折射晶体表面时，产生双折射，在晶体内部，产生o光和e光，透过双折射晶体的将是传播方向一致且具有一定相位差但光矢量振动方向相互垂直的两束光，再经过第二双折射棱镜起偏器后，只有沿第二双折射棱镜起偏器偏振方向的光通过，得到两束相干的偏振光后，通过光纤连接至光谱仪上，利用光谱仪就能方便地完成数据采集，便可得到相位差的变化值。

进一步地，第一双折射棱镜起偏器以及第二双折射棱镜起偏器采用格兰-泰勒偏振器的型号为GT5-A，具有5mm的通光孔径，工作波长为350-700nm。

进一步地，双折射晶体包括第一半波片、第二半波片，第一个半波片与第一双折射棱镜起偏器成45°角，第二个半波片与第一个半波片成θ角，通过旋转第二个半波片，改变两束偏振光之间的相位差。

进一步地，准直透镜经选自石英透镜、BK-7玻璃透镜或BaF10/FD10玻璃透镜。

进一步地，光谱仪选用HR4000高分辨率微型光纤光谱仪，入射光经过SMA905光纤接口进入光谱仪，透过狭缝后被透镜准直后照射到光栅上，光栅衍射分光后光束按波长分开，照射到线性CCD阵列上，一次性的获得全光谱，光谱仪通过USB口通讯和计算机之间连接。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：

本实用新型使用白光源使得成本低，且装置简单实用、性能稳定，受外界坏境影响因素小。该系统最主要的应用是相对重力场测量，能精确测量重力梯度，在资源勘探和军事侦查方面都具有巨大的作用。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的系统的结构示意图；

图2本实用新型实施例提供的恒流源的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1，一种白光量子干涉系统，包括：处于同一光轴上，按照光线入射的方向，依次为LED光源1、准直透镜2、第一双折射棱镜起偏器3、双折射晶体以及第二双折射棱镜起偏器6；LED光源将发出的光源经准直透镜转换为平行光后经第一双折射棱镜起偏器3转换为线偏振光，得到的线偏振光，垂直入射到双折射晶体表面时，产生双折射，在晶体内部，产生o光和e光，透过双折射晶体的将是传播方向一致且具有一定相位差但光矢量振动方向相互垂直的两束光，再经过第二双折射棱镜起偏器后，只有沿第二双折射棱镜起偏器6偏振方向的光通过，得到两束相干的偏振光后，通过光纤连接至光谱仪7上，利用光谱仪就能方便地完成数据采集，便可得到相位差的变化值。

参见图2，本实施例中，将220V交流电转换为±12V直流电后，为了促使LED发光二极管光源稳定，采用廉价的运算放大器为核心构成恒流源，输出电流20mA，精度是0.005，误差0.1mA，恒流效果理想。

由于运放虚地的结果，使得运算放大器OP07反向输入端电压为0，由于运放输入阻抗极高，可以认为输入端没有电流，因此从1.5k电阻流过的电流固定且大小等于从运算放大器OP07输出端流入PT100铂热电阻温度传感器的电流，1.5k电阻连接一个精密电压源LM336-2.5，外接调整电路，保证了达到恒流的效果。

光线传输时会发生不同程度的衰减，所以选择光纤传输会减小衰减，尤其是使用优质级别的XSR型Xtreme抗负感组件，可以实现最大程度的光线传输。为了最大程度的降低光线传输时的衰减，所选取的光纤型号为QP450-2-XSR。XSR产品是优质级别的光纤与探头系列产品之一，该光纤长2m，内径450um，可以通过的波长范围是180-900nm，主要特点是具有高的透明度且非常坚固耐用，每一个组件都有铝涂层，不锈钢BX外包装，接头处使用高性能的SMA905连接器(SMA905连接器是一种非接触式连接器，有一个带螺纹的耦合螺母和一个平直的插芯，插芯材料采用不锈钢制成)，保证光纤和其他元器件紧密连接。选择该型号的光纤能够稳定的传输信号，保证最小的信号漂移。

第一双折射棱镜起偏器以及第二双折射棱镜起偏器采用格兰-泰勒偏振器的型号为GT5-A，具有5mm的通光孔径，工作波长为350-700nm。

进一步地，双折射晶体包括第一半波片4、第二半波片5，第一个半波片4与第一双折射棱镜起偏器成45°角，第二个半波片5与第一个半波片4成θ角，通过旋转第二个半波片，改变两束偏振光之间的相位差。

双折射晶体采用两个半波片组成，半波片就是当法向入射的光透过时,o光和e光之间的相位差等于π或其奇数倍,这样的晶片称为二分之一波片,简称半波片[16]。线偏振光垂直入射到半波片，透射光仍为线偏振光，半波片可以对线偏振光进行旋转，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2θ角。系统搭建中，第一个半波片与第一个格兰-泰勒棱镜成45°角，第二个半波片与第一个半波片成θ角，当旋转第二个半波片时，就可以改变两束偏振光之间的相位差，同时改变了相应的光程差，从而可以推算出待测的机械位移。

进一步优选地，准直透镜经选自石英透镜(74-UV)、BK-7玻璃透镜(74-UV)和BaF10/FD10玻璃透镜(74-ACR)。

光谱仪选用HR4000高分辨率微型光纤光谱仪，入射光经过SMA905光纤接口进入光谱仪，透过狭缝后被透镜准直后照射到光栅上，光栅衍射分光后光束按波长分开，照射到线性CCD阵列上，一次性的获得全光谱，光谱仪通过USB口通讯和计算机之间连接。

系统的搭建：

将±12V恒压源的输出接至20mA的恒流源上，用此电源给整个系统供电。将LED光源发光二极管直接耦合到光纤内径里，发出的光经过光纤多次全发射，经SMA905接头连接至准直透镜上，此时射出的光为平行光，经第一双折射棱镜起偏器起偏后，出来的光是一束线偏振光，当光从左侧垂直入射到双折射晶体表面时，产生双折射，在晶体内部，产生o光和e光，透过晶片的将是传播方向一致且具有一定相位差但光矢量振动方向相互垂直的两束光，再经过第二双折射棱镜起偏器后(两个偏振器之间夹角为β/2)，只有沿偏振片偏振方向的光才能通过，所以透过偏振片的光具有相干条件，于是得到两束相干的偏振光，再用另外一个准直透镜接收，经SMA905接头耦合至光纤内，将其连接至HR4000光纤光谱仪上，利用光谱仪就能方便地完成数据采集，便可得到相位差的变化值，以及光谱移动量。

检测过程：

将光谱仪通过USB接口连接至电脑上，使用海洋光学光谱仪配套软件进行光谱数据采集，时间太短会使得曝光较弱，故数据采集时间间隔为0.5s，将数据保存成txt文件，使用Matlab软件的GUI编辑器进行数据读取，采用二次高斯拟合，绘出光谱与光强度的关系图以及波峰位置与时间关系图。当β固定(β比较大)，转动第二个半波片，使其与第一个半波片成θ角，依次测量每一时刻的α，观察光谱移动量的变化。结果分析：

按照上述测量方法，由于整个系统手动调节，使得β很大，两个半波片之间有1°的夹角，导致光谱移动不够灵敏。经过测量，该系统达到的指标为：

(1)海洋光谱仪配套软件采集数据得到光谱，中心频率为635nm，光谱带宽55nm；

(2)噪音范围：0.02nm；

(3)当β固定时，转动第二个半波片，使其与第一个半波片成30°时，即调节α，可以发现光谱移动0.05nm：

经过观测现象，分析后得到的结果与理论相吻合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。