[其他]一种微小光程差测量系统

说明书

属于物理学领域中一种光学计量测试装置〔G01J9/00〕。它是一种通过测量双稳频双频激光的光拍相位变化来测量1～一个光波长范围内微小光程差的光电系统。

本发明前，已有一种利用光频和差频均有一定稳定度的双频激光测量光滑表面粗糙度的装置〔Appl.Opt.，1981，20，No4（Feb），610〕。其概要如图1所示。激光器〔1〕输出的二差频光经分束器〔2〕分为一参考光路〔Ⅰ〕和一测量光路〔Ⅱ〕。参考光路中二差频光共程，经光混频器〔4〕得参考差频信号，其相位可由参考光路中由波片组成的光学移相器〔3〕来调节。测量光路中，通过渥拉斯顿棱镜〔5〕将二差频光分开一小角度，经显微物镜〔6〕将二差频光分别聚焦到其焦面上的可旋转被测表面〔7〕的两点上，其中一点与被测表面的旋转中心相重合。利用焦面上对称反射，二差频光返经显微物镜〔6〕和渥拉斯顿棱镜〔5〕重新会合，再经反射镜〔8〕投向光混频器〔9〕，得到测量差频信号。以上二差频信号通过鉴相器〔10〕，得二信号的相位差。当被测表面旋转时，即可测出表面的相对高度差一一可得其表面粗糙度。该装置采用纵向塞曼效应稳频的双频激光，其光频稳定度为2×10〈`;-8;`〉，差频稳定度为5×10〈`;-7;`〉，差频值为2MHz，其测量高度差灵敏度约为1。

上述装置作为测量表面粗糙度的装置是可取的，但其采用的激光光频稳定度较低，测量光路中二差频光分离后的程差允许值较小（约0.1mm），只能采用近共程的光路结构，并因此大大限制了这种方法的应用范围。此外，该装置还存在所用的双频激光频差较大，因而对差频稳定度和电子学系统的频响要求较高等问题。

本发明的目的是突破已有装置在方案和用途上的局限性，并克服其在技术上的某些缺欠，构成一种能测量1～一个光波长范围内微小光程差的、具有多种新用途功能的、技术上要求相对较低又使用方便的高精度测量系统。

本发明的构成，如图2所示。整个测量系统由双频激光源，共程光路，非共程光路，光混频器和信号处理系统组成。

双频激光源〔1〕选用双稳频双频激光器，由它发出的二不同频率光是共线传播的，但具有不同的偏振状态。其光频稳定度可在1×10〈`;-8;`〉～5×10〈`;-11;`〉之间。频差值可在30KHz～150KHz之间，差频稳定度可在1×10〈`;-4;`〉～1×10〈`;-6;`〉之间。共程光路由分束器〔5〕到光混频器〔10〕组成，在光混频器〔10〕的前面放置一适当焦距的会聚透镜〔8〕，而光混频器〔10〕的光敏面与会聚透镜〔8〕的后焦面重合。非共程光路由偏振分束器〔11〕，二平面反射镜组〔13〕、〔14〕和〔17〕、〔18〕以及合束器〔15〕组成一一构成一双臂可调程平行光路。具有一定频差和不同偏振态的二不同频率光经偏振分束器〔11〕分离为成90°角的两个支臂光路：每一支臂光路中的平面反射镜组〔13〕、〔14〕或〔17〕、〔18〕的二反射面互相垂直，且对二不同频率光均为45°入射，合束器〔15〕位于二差频光重新会合处，且其分光面对二不同频率光也都呈45°入射。这样，二不同频率光分别经过二支臂光路在合束器〔15〕上重新会合后，将沿反射镜〔14〕反射光的方向再次共线传播。反射镜组〔13〕、〔14〕可以一起沿反射镜〔14〕的反射光方向前后平移;反射镜组〔18〕和合束器〔15〕也可以沿上述方向一起平移。此外，在二支臂光路中，又分别放置一电光移相器〔16〕和一光程补偿器〔12〕，此二者的光程值是相等的。

由双频激光源〔1〕发出的具有上述性能的双频激光，经分束器〔5〕分成具有适当强度比的两束光。由分束器〔5〕反射的一路，经上述共程光路，由光混频器〔10〕输出频率为双频激光频差值的共程拍频信号，经分束器〔5〕透过的一路，经上述非共程光路，在合束器〔15〕重新会合后，经过有适当焦距的会聚透镜〔21〕，会聚于光敏面与透镜〔21〕后焦面重合的光混频器〔23〕上，得到非共程拍频信号。非共程拍频信号与共程拍频信号具有相同的频率，而其初相位差可由电光移相器〔16〕调节。如果在非共程光路中任一支臂光路内引入被测的微小光程差，则此光程差引起的光相位变化将原本地转变为非共程拍频信号的相位变化。此二拍频信号分别经过放大滤波器〔24〕、〔25〕进行放大、滤波、整形，并送入相位计〔26〕比较其相位，即可测出欲测的微小光程差。根据实际需要，相位计〔26〕的输出信号即可以通过模-数转换器〔27〕，由数字显示器〔28〕给出数字结果;也可以由记录仪〔30〕直接记录;或者接入微型计算机〔29〕进行处理。以上从〔24〕到〔30〕均属信号处理系统。