[发明专利]基于折叠式法布里-珀罗腔的绝对距离测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于激光干涉精密计量领域，涉及一种基于折叠式法布里-珀罗腔的绝对距离测量方法及装置。

背景技术

随着科技的发展，对大量程、高精度的测量提出了越来越高的要求。双光束激光干涉测量广泛应用于工业测量和科学研究中，在双光束干涉测量中，干涉条纹的变化是位移变化的正弦函数，通过光学细分或电子细分实现的大范围纳米分辨率测量存在半波长内的周期性非线性误差，在计量学意义上不具有纳米级精度测量。

法布里-珀罗干涉仪是一种基于多光束干涉的纳米位移测量装置，高精细度常数的多光束干涉条纹应用于增量式位移测量，大于半波长的位移测量转化为探测干涉条纹的整数级次变化，在半波长内的位移测量转化探测高精细干涉条纹的谐振频率变化，一方面提高了在大于半波长位移测量的光学分辨率，同时将在半波长内的位移测量转化为频率测量，使位移测量具有纳米级、甚至皮米级精度，且这种差拍式法布里-珀罗干涉仪尤其适用于激光外差干涉仪存在的半波长非线性误差校准测量，但其测量范围由于受激光光源调谐范围和探测器频率响应的限制，一直限制在几百微米量程内。因此，应用于增量式位移测量的法布里-珀罗干涉仪很难实现大范围纳米级的位移测量。

发明内容

为了突破法布里-珀罗干涉仪几百微米量程的测量范围限制，本发明的目的在于提供一种纳米级测量精度、数十毫米量级测量范围、基于由介质膜高反镜和角锥棱镜组成的折叠式法布里-珀罗腔的绝对距离激光干涉测量方法及装置，特别适用于数十毫米量程范围内纳米、亚纳米精度的非线性误差校准和长度计量系统。

基于折叠式法布里-珀罗腔的绝对距离测量方法，该方法如下：将入射本征光分为正交的两束偏振光，两束偏振光各自经可变声光移频器分别进行上移频和下移频，形成具有频差的正交偏振光束，并入射到折叠式法布里-珀罗腔，使具有频差的正交偏振光束分别与折叠式法布里-珀罗腔的相邻谐振级次谐振，相邻谐振级次的频差即为对应折叠式法布里-珀罗腔腔长的自由光谱范围，根据自由光谱范围计算出对应的折叠式法布里-珀罗腔腔长，从而实现折叠式法布里-珀罗腔腔长的绝对距离测量。

本发明还提供了实现上述方法的装置：

基于折叠式法布里-珀罗腔的绝对距离测量装置，该装置包括偏频锁定激光控制装置、分束镜、可变声光上移频装置、可变声光下移频装置和折叠式法布里-珀罗干涉位移测量装置，其中，偏频锁定激光控制装置用于提供入射本征光，分束镜用于将入射本征光分成正交的两束偏振光，可变声光上移频装置和可变声光下移频装置用于对正交的两束偏振光分别进行上移频和下移频，形成具有频差的正交偏振光束，折叠式法布里-珀罗干涉位移测量装置用于探测具有频差的正交偏振光束与折叠式法布里-珀罗腔的谐振信号。

所述偏频锁定激光控制装置包括偏频锁定激光头、碘饱和吸收稳频激光头、控制器、光束采样器、半透半反镜和探测器A，在偏频锁定激光头的输出方向上配置光束采样器，在碘饱和吸收稳频激光头的输出方向配置半透半反镜，在光束采样器和半透半反镜的反射光束方向上配置探测器A，探测器A的输出信号经控制器，反馈到偏频锁定激光头。

在光束采样器的透射光束方向上依次配置有法拉第光隔离器和扩束准直镜。

所述分束镜由二分之一波片A和偏振分光棱镜A组成，二分之一波片A和偏振分光棱镜A依次配置在扩束准直镜的输出方向上。

在偏振分光棱镜A的反射光束方向上依次配置有凸透镜A和平面镜A。

所述可变声光上移频装置包括固定声光移频器、可调光阑A、二分之一波片B、凸透镜B、偏振分光棱镜B、凸透镜C、可调光阑B、可变声光移频器A、可调光阑C、凸透镜D、四分之一波片A和平面镜B，在平面镜A的输出光束方向上配置固定声光移频器，在固定声光移频器的负一级衍射光束方向上依次配置可调光阑A(其通光孔也位于负一级衍射光束方向上)、二分之一波片B、凸透镜B和偏振分光棱镜B，在偏振分光棱镜B的透射光束方向上依次配置凸透镜C、可调光阑B、可变声光移频器A、可调光阑C、凸透镜D、四分之一波片A和平面镜B，可调光阑B的通光孔在偏振分光棱镜B的透射光束方向上，可调光阑C的通光孔位于可变声光移频器A的正一级衍射光束方向上，凸透镜D的主光轴与可变声光移频器A的零级非衍射光束方向重合，平面镜B垂直于凸透镜D的主光轴。

偏振分光棱镜B偏振面的反射光束方向上依次配置有二分之一波片C、平面镜C。