超快脉冲激光干涉系统的等效波长校准装置及方法

1.本发明涉及一种激光测振和测距领域的技术，具体涉及一种基于超快脉冲激光的光学干涉测振系统的等效波长校准、测量装置及方法。


背景技术：

2.微幅振动的激光测量技术是基于光干涉现象及振动物体对激光束的调制作用而发展起来的一种无损测量技术，该技术一般通过检测干涉光路中参考光波与测量光波之间的相位差来判断测点的位移情况，如果使用理想单色光进行测量，位移与相位差的关系为：d＝φ
·
λ/(4π)，其中：d为测点位移，φ为相位差，λ为单色光波长。
3.连续波激光干涉测振与超快脉冲激光干涉测振是两种微幅振动激光测量技术，在实际应用中，一般将光源理想化地视作单色光处理，对应的波长称为等效波长。其中，前者一般以连续波激光器输出波长作为等效波长，由于连续波激光频谱极窄、能量集中，这样的等效处理效果非常好，故而测量结果精度极高，精度典型值小于10ppm，但该技术所用光电传感器的响应频率必须高于待测振动频率，在接收1ghz以上的高频光信号时噪声增大，使得该技术无法有效测量高频振动。后者则可通过将高频振动采样的方法把高频信号转换为频率较低的光电信号进行测量，因此并不受光电传感器的高频噪声制约。现有超快脉冲激光干涉测振技术一般以能量峰值波长为等效波长进行计算，但实际所使用脉冲激光光源频谱较宽、能量分散，能量峰值波长并不能很好地代表脉冲光的光学特性。若简单的使用能量峰值波长作为等效波长来计算振动位移，误差可超过1000ppm，由此导致其测量精度受到严重制约，远低于连续波激光干涉测振技术的精度。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种超快脉冲激光干涉系统的等效波长校准装置及方法，使脉冲激光等效波长的有效性与超快脉冲激光干涉测振系统的测量准确性提高至少一个数量级。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明涉及一种超快脉冲激光干涉系统的等效波长校准装置，包括：依次设置的光源组件、干涉光路组件和信号采集与处理组件，其中：信号采集与处理组件接收来自干涉光路的两束干涉光信号，并将干涉光信号转换为电压信号进行处理，得到信号光与参考光之间的相位差并结合纳米定位器的位移信息计算出脉冲激光干涉的等效波长。
7.所述的光源组件包括：超快脉冲激光光源与第一线偏振片，其中：第一线偏振片位于超快脉冲激光光源的光路上，用于将超快脉冲激光光源射出激光的调制为线偏振光。
8.所述的干涉光路组件包括：偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一反射镜、第二四分之一波片、第二反射镜、纳米定位器、非偏振分光棱镜、第二线偏振片、第三四分之一波片和第三线偏振片，其中：偏振分光棱镜设置于光源组件中的第一线偏振片的光路上，将脉冲光束分为作为参考光的第一反射光与作为信号光的第一透射光，第一四分之一波片设置
于参考光光路上用于调制从偏振分光棱镜入射的参考光和从所述的第一反射镜反射回的参考光，第一反射镜设置于第一四分之一波片的光路上用于将从第一四分之一波片入射的参考光按原光路反射，第二四分之一波片设置于信号光光路上用于调制从偏振分光棱镜入射的信号光和从所述的第二反射镜反射回的信号光；第二反射镜位于第二四分之一波片的光路上且设置于纳米定位器上用于将从第二四分之一波片入射的信号光按原光路反射，参考光和信号光第二次通过偏振分光棱镜后偏振角度相互垂直，而且沿同一光路进入非偏振分光棱镜中，纳米定位器的可动方向平行于信号光光路，非偏振分光棱镜设置于由偏振分光棱镜射出的信号光与参考光的共同光路上，用于将信号光与参考光分为第二反射光与第二透射光；第二线偏振片设置于由非偏振分光棱镜入射的第二反射光光路上，用于使第二反射光中包含的参考光成分与信号光成分发生干涉，第三四分之一波片设置于由非偏振分光棱镜入射的第二透射光光路上，用于将第二透射光中的信号光成分的相位延迟90
°
；第三线偏振片设置于由第三四分之一波片入射的第二透射光光路上，用于使第二透射光中包含的参考光成分与信号光成分发生干涉。
9.所述的参考光和信号光具有可调的光程差2δl，其中：δl为纳米定位台的位移。两束光通过非偏振分光镜后各自被分为两束光强相等的光，其中反射光经过第二偏振片后形成干涉光，干涉光由强度相等而相位不同的两束脉冲光构成，当参考光部分e
r1
＝∈(t)
·ei[ωt+θ(t)]
，其中：信号光成分与参考光存在光程差2δl，故两者之间的时间延迟为τ＝2δl/c，其中：c为光速，则信号光方程e
s1
＝∈(t+τ)
·ei[ω(t+τ)+θ(t+τ)]
；第一光电探测器接收到的干涉光强度为：e1＝|e
r1
+e
s1
|＝∈2(t)+∈2(t+τ)+2∈(t)∈(t+τ)cos(ωτ+θ(t+τ)-θ(t))；过滤其中的直流部分后强度更新为e1(ac)＝2∈(t)∈(t+τ)cos(ωτ+θ(t+τ)-θ(t))；通过非偏振分光镜的第二透射光首先经过第三四分之一波片，使其中信号光成分的相位相较于参考光成分滞后了π/2；则参考光部分e
r2
＝∈(t)
·ei[ωt+θ(t)]
，信号光部分e
s2
＝∈(t+τ)
·ei[ω(t+τ)+θ(t+τ)-π/2]
，第二光电探测器接收到的干涉光滤掉直流部分后强度e2(ac)＝2∈(t)∈(t+τ)sin(ωτ+θ(t+τ)-θ(t))，计算得到信号光与参考光的相位差φ(τ)＝arctan(e2(ac)/e1(ac))，通过调整纳米定位器可不断改变光程差得到一系列的δli值及对应的相位差值φi，由此可求出对应的等效波长，由此可求出对应的等效波长
[0010]
所述的偏振分光棱镜的安装角度使第一参考光与第二信号光的光强大致相等。
[0011]
所述的第一四分之一波片的光轴与参考光偏振方向呈45
°
角。
[0012]
所述的第二四分之一波片的光轴与信号光偏振方向呈45
°
角。
[0013]
所述的非偏振分光棱镜的安装角度使第二反射光与第二透射光的光强大致相等。
[0014]
所述的第二线偏振片的光轴位于第二反射光中的参考光与信号光偏振方向夹角的角平分线上。
[0015]
所述的第三四分之一波片快轴应与第二透射光中的参考光成分的偏振方向重合。
[0016]
所述的第三线偏振片的光轴位于第二透射光中的参考光与信号光偏振方向夹角的角平分线上。
[0017]
所述的信号采集与处理组件包括：用于接收由第二线偏振片和第三线偏振片入射的两束干涉光并转换为电压信号的第一光电探测器和第二光电探测器、用于采集第一光电探测器和第二光电探测器输出的电压信号的数据采集模块、用于进一步处理与计算数据采
集模块收集到的电压信号并得出等效波长数据的计算模块，其中：第一光电探测器和第二光电探测器的输出端与数据采集模块的输入端连接，数据采集模块的输出端与计算模块连接。
[0018]
本发明涉及一种基于上述系统的超快脉冲激光干涉系统等效波长的校准方法，包括以下步骤：
[0019]
步骤1)组装上述系统，调整纳米定位器安装位置，使参考光与信号光光程差为零的点包含在纳米定位器的行程范围内。
[0020]
步骤2)通过纳米定位器来回调整其上安装的第二反射镜的位置，并观察第一光电探测器中的信号强弱变化，信号最强点即为光程差为零的位置点，记为位移零点。
[0021]
步骤3)使纳米定位器以上述位移零点为初始点步进运动到一端的行程终点再反向运动到另一端行程终点，记录下每点的位置(δli)与此时的相位差值φi，计算各光程差区间对应的等效波长值求其平均值其中：n为测量区间个数，该平均值即为等效波长值。将此过程反复执行多次，便可得到等效波长的标准差，也即测量的不确定性或测量的精度。技术效果
[0022]
本发明整体解决了现有超快脉冲激光干涉技术中测量精度较低的缺陷。
[0023]
与现有技术相比，本发明通过纳米定位器结合干涉光路可以准确地测量出超快脉冲激光光源的干涉等效波长值，和使用名义波长相比误差缩小了至少10倍，极大提升了等效波长值的准确性。此外，在此装置基础上，只需要将纳米定位器上的反射镜替换为待测谐振器件并稍加调整参考光与信号光的强度就可以直接实施测量，进一步保证了校准后等效波长的有效性，从而可以大幅提升超快脉冲激光干涉测振系统的测量准确性。
附图说明
[0024]
图1为本发明系统的结构示意图与光路图；
[0025]
图2为本发明方法的流程图；
[0026]
图3为实施例光程差随时间变化的测试结果图；
[0027]
图4为实施例相位差随时间变化的测试结果图；
[0028]
图5为实施例等效波长计算结果图；
[0029]
图中：1超快脉冲激光光源、2第一偏振片、3第一反射镜、4第一四分之一波片、5偏振分光镜、6第二四分之一波片、7第二反射镜、8纳米定位器、9第一光电探测器、10第二偏振片、11非偏振分光镜、12第三四分之一波片、13第三偏振片、14第二光电探测器、15数据采集模块、16计算模块。
具体实施方式
[0030]
如图1所示，为本实施例涉及一种超快脉冲激光干涉系统的等效波长校准装置，包括：依次设置的光源组件、干涉光路组件和信号采集与处理组件。
[0031]
所述的光源组件包括：超快脉冲激光光源1、第一线偏振片2，其中：超快脉冲激光光源1的频谱范围为760nm至810nm，峰值波长为783.67nm，重复频率为50mhz，脉冲宽度
120fs，线偏振片2的光轴与水平方向夹角为45
°
，由超快脉冲激光光源1射出的光束经过线偏振片2后被调制为对应角度的线偏振光。
[0032]
所述的干涉光路组件包括：偏振分光棱镜5、第一四分之一波片4、第一反射镜3、第二四分之一波片6、第二反射镜7、纳米定位器8、非偏振分光棱镜11、第二线偏振片10、第三四分之一波片12和第三线偏振片13，其中：纳米定位器8具有单方向自由度，位移分辨率为0.01nm，可通过控制器调节其位移，其上装有第二反射镜7且位移方向与信号光光路平行。由线偏振片2入射的光束经偏振分光棱镜5后，分为偏振方向分别为90
°
和0
°
的两束线偏振光，其分别作为参考光与信号光。第一四分之一波片4与第二四分之一波片6快轴与水平方向夹角为45
°
，参考光与信号光分别穿过后被调制为圆偏振光。第一反射镜与第二反射镜的安装角度使参考光与信号光都按原光路反射，其第二次分别透过第一四分之一波片4与第二四分之一波片6后被调制成线偏振光，此时参考光偏振方向变为0
°
，信号光变为90
°
。信号光与参考光第二次进入偏振分光棱镜5并沿同光路出射，再进入非偏振分光棱镜11后分别分为两束，随后一部分进入第二线偏振片10发生干涉，另一部分进入第三四分之一波片12后进入第三线偏振片13发生干涉。第二线偏振片10与第三线偏振片13光轴角度均为45
°
，第三四分之一波片快轴方向为0
°
。
[0033]
所述的纳米定位器8包括：夹持组件、压电运动组件与闭环控制回路，其中：夹持组件安装于压电运动组件上并与第二反射镜7相连，闭环控制回路通过压电控制组件控制夹持组件的运动。
[0034]
所述的信号接收与处理组件包括：第一光电探测器9、第二光电探测器14、数据采集模块15和计算模块16，其中：两束干涉光分别进入第一光电探测器9与第二光电探测器14，并被转换为电压信号，进入数据采集模块15后转换为数字信号进入计算模块16中进行计算。
[0035]
所述的计算模块16包括：压电运动组件控制单元、光程差计算单元以及有效波长计算单元，其中：压电运动组件控制单元与纳米定位器8相连并传输运动指令和读取位置，光程差计算单元计算判断光程差范围和零点并和压电运动组件控制单元相连，用于传输运动范围指令，有效波长计算单元将纳米定位器8的位置信息和数据采集模块15的电压信息结合并计算干涉有效波长。
[0036]
本实施例基于上述系统的超快脉冲激光干涉系统等效波长的校准方法，包括以下步骤：
[0037]
1、依照上述要求安装各组件，调整纳米定位器至光程差零点。
[0038]
2、使纳米定位器往复运动，每隔一段距离记录一次定位台位移值(δl)并计算相位差数据φ(τ)，图3为光程差(2δl)随时间变化情况，图4为相位差随时间变化情况。
[0039]
3、在光程差零点附近，按公式计算后并在上述范围内取平均得到等效波长。
[0040]
经过具体实际实验，调整两个干涉激光脉冲的时间间隔+/-5fs范围内(也即光程差+/-约1.49μm)，重复16次后测得等效波长的平均值为780.03nm，重复16次的标准差为0.29nm，与实施例中所使用激光的能量峰值波长783.67nm相差3.64nm，如图5所示。在本实施例中，如果按照以往传统方法使用能量峰值波长783.67nm作为有效波长，其误差是
3.64nm/780.03nm＝4666ppm，而使用本方法后，不确定性等于或小于0.29nm/780.03nm＝372ppm，极大地提高测量的准确性和有效性。
[0041]
上述超快脉冲激光干涉的有效波长测量校准方法不直接使用超快脉冲激光的峰值波长做为干涉的有效波长来进行计算，而是使用了带反馈控制的纳米定位台来对超快脉冲激光进行自相关和干涉有效波长的校准。与现有技术相比，本方法极大提高了超快脉冲激光干涉的测量准确性，以上述实施例中所述，测量的准确性提高了至少一个数量级。
[0042]
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。