[发明专利]基于自混合干涉的高精度振幅实时测量装置和方法

说明书

本发明公开了一种基于自混合干涉的高精度振幅实时测量装置，包括激光光源、分束镜、光电探测器、反射镜、信号处理单元、数据处理显示单元及被测物，所述激光光源、分束镜、光电探测器、被测物及反射镜依次光路连接，所述信号处理单元的输入端与所述光电探测器相连，其输出端与所述数据处理单元相连。本发明还公开了一种基于自混合干涉的高精度实时振幅测量方法。本发明无需传统激光干涉仪的参考臂，其单臂光路具有易准直且减小系统对外界的噪声敏感度。采用自混合干涉原理对激光光源相干性无特定要求，激光器选择自由度大。同时，装置的增益参数可控，可测的最小振幅值可达纳米级；在频域获取信号频谱特征值，无需数条纹，易实现宽范围实时测量。

技术领域

本发明属于光学纳米测量技术领域，具体涉及一种基于自混合干涉的高精度振幅实时测量装置和方法。

背景技术

纳米振动测量在高精密工程技术、精密加工、航空航天等许多应用中具有越来越重要的意义。目前研究学者们提出了一些有意义的微弱振动物体的振幅测量方法。其中，基于光学技术的测量手段具有非接触高精度的优点而倍受重视。常用的光学振动测量方法有几何光学法和光学干涉法。然而，已有报道的光学测量方法大多要求复杂精密的光学调整系统，同时测量范围受限于激光波长的影响，对于极弱振动无法感知；此外对于被测物振动幅度较大时，传统的条纹计数法耗时且容易出错。此前有报道的频谱法【OpticalEngineering,52(5),2013】能够探测的最小振幅值约为0.21λ，其分辨率约为λ/11.94。多次反射法【IEEE Photonics Journal,5(3),2013】虽然随着反射次数的增多其测量精度也相应的变高，但是对于幅值较大时，追求高精度的同时条纹数也随之剧增，给传统的条纹计数法带来了难度。因此，这些对于实现简单测量实时获得纳米级高精度分辨率的应用场合并不适宜。

发明内容

为了高效、简单、精确的测量极弱的纳米级振动物体的振动幅值，本发明设计了一种基于自混合干涉的高精度振幅测量装置和方法；其结构简单紧凑、方法简单高效、使用范围广。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于自混合干涉的高精度振幅测量装置，包括激光光源、分束镜、光电探测器、反射镜、被测物、信号处理单元及数据处理显示单元；所述激光光源、分束镜、被测物及反射镜依次光路连接；所述光电探测器、信号处理单元及数据处理显示单元依次电路连接；

所述分束镜将所述激光光源发出的激光分成两束，其中一束照射在所述被测物表面，经所述被测物反射后再经所述反射镜返回所述激光光源的内腔中以发生激光自混合干涉；另一束输入至所述光电探测器，所述光电探测器检测所述激光光源的输出功率，获得对应的信号；所述信号处理单元对信号进行处理后输送至所述数据处理单元；所述数据处理显示单元对信号进行计算分析，获得被测物的振幅。

进一步地，所述信号处理单元包括电流电压转换放大电路、隔直电路及滤波电路；所述电流电压转换放大电路的输入端连接所述光电探测器的输出端，所述隔直电路的输入端连接所述电流电压转换放大电路的输出端，其输出端连接所述滤波电路的输入端。

进一步地，所述数据处理显示单元包括数据采集卡及计算机，所述数据采集卡连接所述信号处理单元的输出端，并与所述计算机进行通信，所述计算机用于存储所述信号处理单元发出的数据并进行实时分析处理。

本发明还公开了一种基于自混合干涉的高精度振幅测量方法，利用前述的基于自混合干涉的高精度振幅测量装置进行测量，包括以下步骤：

S1、准备被测物，保证该被测物具有一定的反射率，若允许在被测物表面贴镜子，被测物可不具有反射率；

S2、调整被测物与反射镜的位置关系，保证被测物与反射镜形成多光程结构；

S3、开启激光光源，调节反射镜改变多光程结构以适应不同振幅测量需求，并保证激光能够返回激光光源；