[发明专利]基于单声光调制和消偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪

说明书

技术领域

本发明属于激光干涉测量领域，主要涉及一种基于单声光调制和消偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪。

背景技术

激光测振仪作为能够将振动量值溯源到激光波长的超精密测量仪器，被广泛应用于位移动态测量、振动测量与监测、超精密装备与系统集成、科学研究与实验等领域。基于激光干涉法的激光测振仪按照原理可分为零差和外差两大类，二者在工作原理、光路结构和技术特点上具有显著区别。零差测量法采用单频激光作为光源，基于经典或改进的迈克尔逊激光干涉原理，通过测量干涉条纹的相位变化直接测位移；而外差测量法一般是采用双频激光作为光源，基于多普勒效应，通过测量多普勒频差测量被测件的运动速度而间接测位移。零差激光测振仪其信号处理本质上是进行光强测量，系统本身是直流系统，具有结构简单、测量精度高、动态范围宽，非线性易于补偿等优点，缺点是抗干扰能力差、测量结果受光强变化影响大。外差激光测振仪(常称多普勒激光测振仪)其信号处理本质上是进行频率测量，系统本身是动态交流系统，具有抗干扰能力强、测量精度高、测量结果受光强变化影响小等特点，因此外差测量法一直受到研究人员的关注而成为本领域的研究热点。

外差干涉测量要求在测振仪两个干涉臂间形成一定的频差。产生频差的方法主要是利用塞曼效应和声光调制。塞曼效应受频差闭锁现象影响，产生的双频频差一般较小，通常最大频差不超过4MHz。声光调制方法得到的频差通常较大，频差达到20MHz以上，而且频率稳定性非常好，可以满足高速、高精度测量的需求。

现有基于声光调制产生频差的外差激光测振仪(1.Martin B,et.al.“High-precision laser vibrometers based on digital Doppler-signal processing”,Proceedings of SPIE,Vol.4827:50-61,2002；2.Stefan Franz,et.al.“Heterodyne interferometer having an optical modulator”.US Patent:US7688451B2；)是以马赫曾德干涉仪为基础，采用稳频激光器作为光源，通过偏振分光镜PBS分光形成两个干涉臂，作为测量臂和参考臂，在至少一个干涉臂上采用声光调制器实现频移，从而使两个干涉臂间形成频差；再采用平面反射镜、偏振分光镜PBS以及消偏振分光镜NBS对光束进行合光。单声光频移技术方案产生的双频激光的频差大，对系统硬件速度要求高，为解决这一问题，可采用双声光调制技术方案产生两路频差相对小的光束，分别作为参考光和测量光，双声光调制方案虽然可减小频差，但增加了光学系统复杂程度。综上，现有技术方案存在的缺点为：1)现有技术方案均是以马赫曾德干涉仪为基础，干涉臂和测量臂整体呈矩形，通过偏振分光镜在矩形的一顶点处分光，再通过额外的偏振分光镜PBS、消偏振分光镜NBS以及反射镜在分光点的对角处合光，该技术方案存在多个偏振分光镜PBS，存在偏振泄漏现象，导致光路非线性误差显著；2)根据声光调制器的工作原理，只有一级衍射光会发生频移，但与入射光束存在一定的夹角，从而使光路合光困难，参考光和测量光难以干涉。

由于声光调制器一级衍射光与入射光不平行、以及光学元件不理想等因素，尤其是偏振分光镜PBS的偏振泄漏，导致现有外差激光测振仪技术方案调整困难，而且受光路结构、原理及光学器件本身特性不理想的限制，存在难以克服的非线性误差，难以满足亚纳米甚至皮米级精度振动测量需求。因此，如何通过光路结构与原理上的创新，提供一种光路调整简单或非线性误差较小的外差激光测振技术方案，意义十分重大。

发明内容

本发明的目的是针对现有马赫曾德外差激光测振技术方案在光路结构和原理上存在的光路调整困难、非线性误差等问题，提供一种基于单声光调制和消偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪，通过光路结构与原理的创新，以迈克尔逊干涉仪为基础，采用较少的光学元件实现外差激光干涉测量，调整简单方便，可有效解决现有技术方案中光路存在偏振泄露与偏振混叠显著、光路调整困难的问题。

本发明的技术解决方案是：