[发明专利]采用双可调光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用双可调激光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统，属于几何量计量技术领域。

背景技术

纳米科学技术的发展对高准确度微位移测量技术提出了迫切需求。激光干涉测量技术以其量值可溯源、测量分辨力高等优点，一直在高准确度微位移测量中占主导地位，测量准确度可达到纳米量级。然而，在与扫描探针显微镜相结合对微纳米表面形貌进行可溯源的测量时，由于干涉仪的测量准确度一般会比扫描探针显微镜的分辨力低一个数量级以上，传统的干涉仪已无法满足扫描探针显微镜类仪器的校准需求。随着各种高精度微位移传感器在精密工程中得到了越来越广泛的应用，解决其校准问题也急需研制更高准确度的测量系统。

激光干涉仪是近期进行长度测量溯源的最佳途径，国际主要计量机构的科学家们对高准确度和高分辨力的干涉技术研究都十分感兴趣。由于法布里-珀罗干涉仪可以突破双光束干涉仪在测量分辨力方面的限制，它在亚纳米及更高分辨力的微位移测量技术研究中倍受重视。通常的基于法布里-珀罗干涉仪的位移测量方法是：将可调激光源的频率锁定在法布里-珀罗干涉仪的谐振频率上，使激光频率随着被测位移发生变化，通过与稳频激光源进行拍频，测量可调激光源的频率变化，从而确定被测位移的大小。利用该方法可以实现高分辨力位移测量，但由于受到仪器原理和相关设备器件水平的制约，如高速光电接收器的测量范围和可调激光源的波长调节范围等限制，这种干涉系统的测量范围一般在微米以下量级。研究扩大法布里-珀罗干涉仪测量范围的方法对满足各种精密微位移传感器的校准需求具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服法布里-珀罗干涉仪在测量范围方面的局限，解决纳米级激光干涉仪和高精度微位移传感器的校准问题，提供了一种采用双可调光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统。

本发明系统采用两套以波长可调激光为光源的法布里-珀罗干涉仪对被测目标的位移进行测量，通过用两个可调光源对法布里-珀罗腔不同谐振模态的频率进行交替跟踪，在保持法布里-珀罗干涉仪高测量分辨力的同时，实现了位移测量范围的扩大。该系统有效地解决了提高干涉仪测量分辨力和扩大测量范围之间的矛盾，可以应用于纳米级准确度微位移测量以及各种高精度微位移量值的可溯源测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种采用双可调光源法布里-珀罗干涉仪的微位移测量系统，包括：稳频激光源、可调激光源A、可调激光源B、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第三偏振分光镜、第四偏振分光镜、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、参考反射镜、测量反射镜、第一光电接收器、第二光电接收器、第一高速光电接收器、第二高速光电接收器、频率计数器A和频率计数器B。

上述各组成部分的连接关系为：可调激光源A的右侧依次为同光轴的第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、参考反射镜、测量反射镜、第三偏振分光镜和第一光电接收器；其中，参考反射镜和测量反射镜组成法布里-珀罗腔；第三偏振分光镜的正上方为第二光电接收器，第二光电接收器与第三偏振分光镜的中心连线垂直于可调激光源A的光轴；可调激光源A的正上方为可调激光源B，可调激光源B的右侧依次为同光轴的第四偏振分光镜和第一平面反射镜；第四偏振分光镜与第二偏振分光镜中心对齐，第一平面反射镜对应的纵向位置介于第二偏振分光镜和参考反射镜之间；可调激光源A的下方为稳频激光源，稳频激光源的右侧依次为同轴的第一分光镜、第二分光镜、第二高速光电接收器和频率计数器B；第一分光镜对应的纵向位置在第一偏振分光镜的左侧，第二分光镜位于第一平面反射镜的正下方，与第一平面反射镜中心对齐；第一分光镜的正下方为第二平面反射镜，第二平面反射镜的右侧依次为同轴的第三分光镜、第一高速光电接收器和频率计数器A；第三分光镜位于第一偏振分光镜的正下方。

频率计数器A和频率计数器B分别连接至外部计算机，计算机与外部控制电路相连，控制电路接收第一光电接收器和第二光电接收器的信号，并输出控制信号至可调激光源A和可调激光源B。

本发明系统的工作过程为：从可调激光源A发出的光束，被第一偏振分光镜分为两束，透射光束经过第二偏振分光镜后射向由参考反射镜和测量反射镜组成的法布里-珀罗腔，透过测量反射镜的光束透过第三偏振分光镜，射向第一光电接收器；被第一偏振分光镜反射的光束，被第三分光镜反射，射向第一高速光电接收器。