[发明专利]距离改变的干涉测量确定

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于确定到对象的距离的改变的方法，并且涉及用于确定该改变的干涉仪。

背景技术

使用经典的干涉测量法或自混合(或光反馈)干涉测量法的激光二极管干涉测量法是众所周知的并且很好地记载在文献中。虽然自混合干涉测量法是一种有吸引力的技术(干涉现象在激光二极管腔内部发生)，但是难以与频率稳定组合以得到精确波长，因为发射波长受光反馈影响。

现今，激光二极管被构建为相干源，相干源被集成在多个消费产品(例如，CD和DVD播放机、光学鼠标、激光指示器)中。然而，为了实现高精度位移测量(具有ppm或甚至亚ppm精度)和远程测量，激光二极管的绝对频率稳定是强制性的。此外，激光源的相干长度必须比得上测量范围。

对稳定激光二极管干涉仪的研究和开发一直是多个研究项目的主题。在1995年，由纳沙泰尔微技术研究所(IMT)《Observatoire Cantonal de》和TESA公司组成的联合体能够在CERS的框架中相对于高精密工业干涉仪的铷吸收谱线实现激光二极管的绝对频率稳定。然而，标准法布里-珀罗激光二极管(其在当时是最通用的激光二极管)受频率模跳变影响(即，频率按几十纳米跃变并且超出稳定回路的锁定范围)。这个问题阻止了采用这样的二极管的干涉仪的工业化。

跳模的问题可以通过使用分布式布拉格(Bragg)反射器(DBR)或分布式反馈(DFB)激光二极管来解决。被用在这些技术中的布拉格光栅作为频率选择性反射镜并且使得能够显著提高模跳变自由调谐范围。发射大约1.5μm的DFB激光二极管变成用于电信应用的标准激光器并且因此是成本效益合算的。然而，大约780nm或850nm(分别与铷或铯吸收波长相对应)所谓的DBR和DFB(边发射)激光器的成本仍然是高的。得益于微型原子钟领域中的最近研究项目，新的技术(诸如离散模二极管激光器)和新的供应商现在正在出现，从而指示能够在性能方面预期更多改进。

自2004年以来，垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)现在被大量制造(主要用于计算机鼠标)。它们由至少一个布拉格光栅组成，并且激光器腔的长度是如此小以致除非光在激光器腔中被意外地回复反射，否则任何模跳变都是不可能的。例如，在激光计算机鼠标中所使用的VCSEL是单模，在850nm(与Cs吸收波长相对应)附近发射，并且需要非常低的阈值电流。然而缺点是它们的范围从1m到仅3m的相干长度、波长容差(+/-10nm)以及它们的频率噪声频谱，这对干涉测量相位波动有相当强烈的影响。

激光源的一般有限的相干长度限制通用干涉仪的距离范围。如果基准臂与测量臂之间的光路长度大于相干长度，则干涉信号变得非常微弱。在标准检测器情况下远超过相干长度限制的测量是不可能的。

此外，通用干涉仪可能对来自基准臂和测量臂的光学反馈敏感。结果，可以产生激光器辐射的反复无常的模跳变或者甚至混沌行为。为了减轻这种影响常常使用光学隔离器。

此外，激光波长展示低频变化。这些常常在频谱中显示为1/f-噪声。波长的相对改变导致所测相对距离的对应改变。能够通过使用激光器的温度或电流控制将已发射的激光波长调谐到一定频率标准来降低波长变化。取决于控制回路带宽，从而能够消除1/f-噪声贡献的相当大的一部分。

此外，激光展示波长的快速波动。这些高频波动能够由(白)频率噪声很好地描述，所述(白)频率噪声扩大标准电子组件可达到的采集带宽。一方面，这些频率波动引起相位波动，所述相位波动导致对应的距离波动。这些影响常常能够通过所得到的距离的适当滤波来减轻。如果这些相位波动在检测时间内大于2π，则平均相位的确定进而平均距离的确定失败。在这种情况下，采集电子器件不能够跟随信号，使得不能够明确地确定相位并且相位解缠绕失败。

上面提到的激光二极管(特别是VCSEL)的缺点，结合用于距离或到对象的距离的改变的远程测量的干涉仪可以通过使用具有大相干长度的激光二极管或者通过使用像气体激光器(例如HeNe-激光器)这样的其它类型的光束源来避免。例如在欧洲专利申请No.11187614.0中描述了这种采用具有大相干长度的激光二极管的设备(激光跟踪仪)。附加地，现有技术水平全站仪典型地装配有气体激光器以用于干涉仪。然而，气体激光器对于距离测量的使用的布置要求相当多的空间并且具有大相干长度的指定激光二极管的成本或气体激光源的成本是比较高的。特别地，考虑到小型化努力，空间要求对于这些设备是一个主要缺点。

发明内容