[发明专利]一种光学干涉测量装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用光学干涉原理实现的精密测量领域，尤其涉及一种光学干涉测量装置及其方法。

背景技术

精密测量是一项在科学研究和工业生产中具有极其重要意义的技术，其中基于光学干涉原理实现的精密测量尤其得到广泛应用。这种干涉测量的基本原理非常简单，利用分束器将一束相干光分为两束，其中一束作为参考光，另一束经过相位调制器产生一个相位差，这个相位调制器与待测的物理量有关，然后两束光重新汇聚，由于相位差的产生，汇聚到一起的两束光发生干涉，输出的光强随着相位差变换而变化，这样通过光强的测量就能够获得相位差的值，进而获得待测物理量的值。由于光波的相位非常敏感，因此这样测得的物理量可以实现非常高的精度。因此，目前许多的精密测量是利用光学干涉方法来实现的，例如引力波探测、微纳米位移测量、光纤陀螺和光纤声纳探测等。虽然不同的测量系统采用不同的干涉仪，如马赫一增德尔干涉仪、迈克尔逊干涉仪、Sagnac干涉仪等，但这些干涉仪的基本原理都是基本相同的。

由于受到量子力学测不准原理的限制，这种基于光学干涉的测量都存着一个标准的量子力学测量精度极限，也就是相位测量的误差Δθ必定大于等于N^-1/2，其中N为光场的平均光子数。这主要是由于测量采用的激光光源属于相干态，对相干态光强测量的起伏等于其平均光强的1/2次方，即N^-1/2，而根据测不准原理，相位和光强(与光子数有关)是测量精度上相互制约的物理量，因此相位测量精度受制于光强的大小。由于受到测量精度的限制，要提高相位测量的灵敏度只能提高测量的光功率。由于激光器的功率有限并且在一些特殊应用中光功率受到限制，因此有必要提出一种新的提高干涉测量相位灵敏度的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学干涉测量装置及其方法。

光学干涉测量装置它包括激光器、第一反射镜、第一半透半反分束器、第二反射镜、相位调制组件、第一探测器、第一差分器、相关器，激光器产生的相干光束经过第一半透半反分束器分成两个相干光束，其中一个相干光束经过第一反射镜的移动产生一个相位变化，另一个相干光束经过第二反射镜进入相位调制组件，然后两个相干光束经过的半透半反分束器输出两个干涉光束，两个干涉光束经过探测器的探测变成电信号，电信号经过第一差分器和相关器实现对相位变化的测量。

所述的相位调制组件是一个带有光锁相环控制单元的相位调制机构，它包括分束器、第二半透半反分束器、第二探测器、第二差分器、放大器、环路滤波器、控制信号发生器、赝随机码产生器、相位调制器，相干光束经过相位调制器前后的两个分束器的作用，产生的两个相干光束经过第二半透半反分束器输出两个干涉光束，两个干涉光束经过第二探测器的探测变成电信号，电信号经差分器，放大器、环路滤波器产生一个控制信号，控制信号和赝随机码产生器产生的赝随机码序列经过控制信号发生器产生一个驱动信号对相位调制器进行驱动。

光学干涉测量方法包括如下步骤：

1)将一个取样周期划分为N个时隙；

2)将每个时隙划分为M个相位单元，这些相位单元中的相位均匀分布在[0，2π]范围；

3)N个时隙中随机变化的相位形成N个长度为M的赝随机序列{，(i＝1...N，j＝1...M)}；

4)第N个时隙的相位随机序列满足：

所述的赝随机码序列是一种最大长度线性反馈移位序列，即M-序列。

本发明利用特殊设计的赝随机相位序列实现干涉测量中相位灵敏度的提高。本发明只需要一般的相干光源(如激光)以及线性光学元件，因此在实现上比其他方案要容易得到多，在引力波探测、微纳米位移测量、光纤陀螺和光纤声纳探测等领域具有重要的应用前景。

附图说明

图1是光学干涉测量装置结构示意图；

图2是测量时序、相位序列以及光强序列之间的关系图；

图3是带有光锁相环控制单元的相位调制组件的一种实施例示意图；

图中：激光器1、第一反射镜2、第一半透半反分束器3、第二反射镜4、相位调制组件5、第一探测器6、第一差分器7、相关器8、分束器9、第二半透半反分束器10、第二探测器11、第二差分器12、放大器13、环路滤波器14、控制信号发生器15、赝随机码产生器16、相位调制器17。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。