本發(fā)明涉及一種基于雙縱模激光器、光學干涉、電光效應與偏振復用技術的二維非接觸激光自混合干涉儀及其測量方法，屬于應用光學、非線性電光晶體、激光器技術的結合領域。適用于光學計量、傳感器校準、微納米測控、微形貌掃描，特別適合二維測量中對光程靈敏度要求高的研究或工程領域。

背景技術：

光學二維位移的精確測量方法對光刻、集成電路等微納加工領域有重大研究意義，比如掩模版中圖案大小、微電子原件在印刷電路板的定位起到關鍵性的作用；同樣工業(yè)環(huán)境對獨立的雙目標或雙參數同步探測也有較大需求，比如保存危險品的儲物罐往往需要同步檢測形變和溫度，機床振動往往是二維的，先進的MEMS(微機電系統(tǒng))中的掃描微鏡、超聲振子等器件的諧振動也是二維的；在形貌測量、工件結構檢測探傷中，兩個或多個探測點也比單點探測更具應用價值。因此研究具備雙目標同時探測且靈敏度高的非接觸式光學測量系統(tǒng)具有重要意義。

現有的光學檢測技術依賴通過增加激光器和探測通道數量的方法來達成二維檢測效果，比如激光多普勒測速儀在二維測量時用兩個頻移激光器分別在不同方向探測，成本提高，操作更復雜，且要求更多的信號采集處理資料；再比如雙頻干涉儀往往無法單獨完成二維探測，必須用兩臺干涉儀構成二維檢測效果；目前使用單個激光器進行二維探測時由于無法根除光信號之間串擾，測量精度和量程等無法滿足要求。

為解決儀器成本問題，既避免增加激光器和采集信號的數量，同時又消除二維測量中光路串擾的問題，本發(fā)明將現有的偏振復用和相位調制技術結合，實現了無串擾，單激光器，單數據通道的高性價比二維自混合干涉儀。

技術實現要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明旨在公布一種結合了偏振復用與相位調制的二維激光自混合干涉儀及其測量方法，該干涉儀光學結構上只利用單個激光管和探測器，利用偏振復用的原理產生無光學串擾的獨立測量光路，電光調制效應和激光自混合效應在雙縱模激光器內產生光強波動，通過分析光強信號的諧波幅度實現對兩個測量光路待測目標的實時檢測。

技術方案：為實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

偏振復用相位調制型激光自混合二維干涉儀，包括：輸出圓偏振光的雙縱模激光器，將圓偏振光分解為兩個正交偏振的線偏振光的偏振分光棱鏡，放置在第一光路上的第一電光相位調制器、第一光線密度濾波器和第一待測目標，放置在第二光路上的第二電光相位調制器、第二光線密度濾波器和第二待測目標，位于第一光路或第二光路上的普通分光棱鏡，以及用來探測普通分光棱鏡折射出的光強信號并輸出被探測信號波形的光電探測器；所述第一電光相位調制器和第二電光相位調制器的調制頻率不同；所述光電探測器與信號采集和相位計算系統(tǒng)電連接，所述信號采集和相位計算系統(tǒng)用于根據采集的光強信號進行諧波分析和相位解調得出被測目標相位，進而得到位移。

進一步地，所述信號采集和相位計算系統(tǒng)包括：低通濾波放大電路，與光電探測器相連，進行信號濾波與放大；數據采集卡，用于采集濾波放大后的信號實現模數轉換；以及計算機模塊，用于提取所采集到的光強信號中的兩個光路的一次諧波分量和二次諧波分量，基于諧波分量實現相位解調。

進一步地，所述計算機模塊包括：帶通濾波器組單元，包括四個帶通濾波器，分別輸出第一光路的一次諧波分量I_o1和二次諧波分量I_o2，以及第二光路的一次諧波分量I_e1和二次諧波分量I_e2；除法單元，用于根據公式A_o/e1(t)＝I_o/e1/cos(ω_o/et)和A_o/e2(t)＝I_o/e2/cos(2ω_o/et)計算得到兩種諧波分量的幅值曲線，其中ω_o/e為兩個光路的相移角頻率，ω_o≠ω_e；反正切單元，用于根據公式計算得到兩個光路的相位；以及，位移計算單元，用于根據公式計算得到兩個光路的測量位移。

所述偏振復用相位調制型激光自混合二維干涉儀的測量方法，包括如下步驟：

(1)給雙縱模激光器穩(wěn)定供應5mA電流，使其輸出可見的紅色圓偏振光，旋轉激光管使得輸出的兩個偏振態(tài)分別位于水平和垂直方向；

(2)調整偏振分光棱鏡，使得入射光與棱鏡的中間層有45°夾角，o光在水平方向穿過偏振態(tài)同為水平方向的第一電光相位調制器，e光在垂直方向穿過偏振態(tài)垂直的第二電光相位調制；

(3)o光穿過第一光學濾波器到達第一待測目標，被原路反射回激光管；e光穿過第二光學濾波器到達第二待測目標，沿原路返回激光器；在o光路或e光路中的普通分光棱鏡將光強信號折射至光電探測器；

(4)光電探測器輸出的光強信號輸入信號采集和相位計算系統(tǒng)進行處理，經濾波放大、模數轉換、諧波幅值提取、反正切運算和解包裹得到被測物相位和位移。

有益效果：本發(fā)明將圓偏振光源、偏振復用技術引入相位調制型激光自混合干涉儀中，產生雙測量光路的自混合干涉儀。主要的技術特點如下：

雙縱模激光器：雙縱模光頻差大約為40MHz，波長為632.8nm，輸出毫瓦級功率。該類激光器線寬窄，受溫度變化影響低。He-Ne混合氣體作為激光工作介質，受到兩個外腔的反饋光后產生微波段的光強變化，在普通光電探測器的響應范圍內，產生的光電流易于進行模數轉換和信號分析。

正弦相位調制技術：與線偏振光結合，產生的相位調制具備高效率，寬頻帶，無光強擾動的特點。正弦波具備非常尖銳的頻域分布，因此引入相位調制后相當于將自混合信號在頻域進行了重分布，產生頻率中心和相鄰間隔精確可調的諧波分量，和成熟的濾波技術結合，諧波分量易于被提取。

激光自混合效應：激光器的窄線寬使得本系統(tǒng)對同等光學反饋的相應度低于半導體類激光器，適當衰減即可消除條紋的傾斜特征。激光自混合效應與傳統(tǒng)雙光束干涉具備類似的相位敏感度，自混合條紋和被測光程呈線性關系，波長朔源的特性保證了該系統(tǒng)具有納米級精度。

偏正光復用技術：在偏振光學中，兩個正交偏正態(tài)的光束沿同一光軸傳播時與圓偏振光等效。應用偏振分光棱鏡，圓偏振光與兩個正交偏振光可在自混合光路中實現可逆互換，因此一個圓偏振光激光器可以具備兩個獨立偏振的自混合光路，這提高了自混合測量的目標數量，且反饋光之間不可能產生串擾。

與現有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1)設計光路為十字型的結構，兩個測量光路工作在正交偏振態(tài)，無光學串擾，不形成參考關系；兩個測量光路可以同時工作或單獨工作。

2)雙頻激光器短期波長不確定度優(yōu)于10e-6，對溫度的敏感度低于半導體激光器，受直流驅動(5mA)，無需額外泵浦和精密溫控制。

3)采集到的單路數據由諧波分析的方法提取o路和e路的相位變化。

4)激光器收到的光反饋強度必須為弱反饋，反饋光強通過兩個光學濾波器控制，使得產生的條紋不具備明顯的傾斜現象。

5)該系統(tǒng)允許兩個被測物同時發(fā)生位移，其幅度、相位、頻率可以相同也可以不同；允許只有一個被測物運動另一個被測物靜止。可以實現光刻、微納結構、微型電路印刷等行業(yè)需要的二維精密定位，也可以對工業(yè)環(huán)境中二維位移、振動、曲翹、變形、表面輪廓的進行測量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的裝置示意圖；

圖中，1-雙縱模激光器；2-偏振分光棱鏡；3-第一相位調制器；4-第二相位調制器；5-普通分光棱鏡；6-第一光線密度濾波器；7-第二光線密度濾波器；8-第一待測目標；9-第二待測目標；10-光電探測器；11-低通濾波放大電路；12-數據采集卡；13-計算機模塊。

圖2是本發(fā)明實施例中采集的光強信號的頻域特征示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例中自混合光強信號的諧波解調方法流程圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明實施例公開的一種偏振復用相位調制型激光自混合二維干涉儀主要包括雙縱模激光器1，偏振分光棱鏡2，第一相位調制器3，第一相位調制器4，普通分光棱鏡5，第一光線密度濾波器6，第二光線密度濾波器7，第一待測目標8，第二待測目標9，光電探測器10，以及由低通濾波放大電路11，數據采集卡12和計算機模塊13組成的信號采集和相位計算系統(tǒng)。其中：

雙縱模激光器1，典型原子氣體He-Ne激光器，輸出雙縱模，圓偏振態(tài)光，波長為632.8nm,無反饋輸出功率為5mW。

偏振分光棱鏡2，具備快軸、慢軸，可將入射圓偏振光分解為兩個正交偏振的線偏振光(o光和e光)。

第一電光相位調制器3，位于第一光路(o光路)，封裝了摻有氧化鎂的鈮酸鋰晶體，通過外加低頻高壓(<0.25GHz)的電信號改變折射率，對通過晶體的激光束進行相位調制。

第二電光相位調制器4，位于第二光路(e光路)，是與相位調制器3同樣規(guī)格的電光相位調制器，以垂直方向放置在光路中，因此其偏振態(tài)與相位調制器3的偏振態(tài)完全不同。

普通分光棱鏡5，位于任一光路，將一個光路中的光強信號折射至光電探測器，用于產生被探測波形。

第一光線密度濾波器6，可見光強度濾波器，用于控制o光路的光強。

第二光線密度濾波器7，是與濾波器6同規(guī)格器件，用于控制e光路的光強。

第一待測目標8，與o光路軸向垂直的被測物，可以是精密位移平臺、壓電陶瓷、激振器件等。

第二待測目標9，與e光路軸向垂直的被測物。

光電探測器10，硅基的寬波段光電探測器，必須覆蓋632.8nm激光波長，使用中必須與可調電阻相接。

低通濾波放大電路11，預處理硬件電路，濾波截止頻率可調，且具備放大信號幅度的功能。

數據采集卡12，NI系列或同類型數據采集卡，差分方式采集電壓信號。

計算機模塊13，計算機，配備軟件環(huán)境實現解相和結果顯示。

為了實現上述的偏振復用相位調制型激光自混合二維干涉儀對兩個獨立目標或二維位移/振動的實時測量，本發(fā)明的測量方法主要包括以下步驟：

1.給雙縱模氣體激光器1穩(wěn)定供應5mA電流，使其輸出可見的紅色圓偏振光，旋轉激光管使得輸出的兩個偏振態(tài)分別位于水平和垂直方向。

2.調整放置在激光器前段的偏振分光棱鏡2，使得入射光與棱鏡的中間層有45°夾角。o光在水平方向穿過偏振態(tài)同為水平方向的電光相位調制器3；e光在垂直方向穿過偏振態(tài)垂直的電光相位調制器4。

3.o光穿過光學濾波器6到達待測目標8，被原路反射回激光管；e光穿過光學濾波器7到達待測目標9，沿原路返回激光器。普通分光棱鏡5可以放置在o或e光路的任一個，將自混合信號折射至光電探測器10。

4.光電探測器10輸出的光電流經可調電阻轉換為電壓，電壓信號通過低通濾波放大器11去除高頻噪聲，輸出的電壓由數據采集卡12完成模數轉換，再通過USB數據線傳輸至解調計算機13。信號處理在計算機13的軟件環(huán)境(Labview or Matlab)下完成，具體為在時域中提取兩種諧波分量(諧波的分類有諧波的中心頻率決定，中心頻率是o路電光相位調制的整數倍即為o類的諧波，同樣，另一類是e類的諧波)。同類諧波中包含一階和二階諧波，因此總共四個諧波需要提取。當兩個調制引入的相移深度均為1.22rad時，被測物相位由反正切運算和解包裹恢復。

基于諧波分析和相位解調的測量基本原理：發(fā)生自混合效應的雙縱模激光器光強模型為：

下標o/e代表兩個光路,P_o/e是兩個縱模光強，字母E和F是兩個光強的權重系數，C_o和C_e是兩個等效的反射系數，用于描述反射光的強度，兩個光路始終正交偏振，所以數學叉乘恒等于零。在本發(fā)明中使用光線密度濾波器后，兩個反射系數均遠小于1，因此C_o≈C_e＜＜1，式(1)可表示為：

通過高壓交流放大電路給兩個電光晶體施加不同頻率相同深度的驅動電壓，激活電光相位調制器引入相位調制，式(3)中相位被相移：

其中α_o/e表示被相位調制器引入相移的深度，相移角頻率可由相移頻率確定：ω_o/e＝2πf_o/e。解調時僅需一路光強信號即可，以o路光強信號為例，光強按貝塞爾函數展開后表示如下：

式(5)中關于o路相位的一次和二次諧波可表示如下：

式(5)中關于e路相位的一次和二次諧波可表示如下：

式(6a)-(7b)中波幅度測量中為呈現動態(tài)變化，可表示為：

為確保兩種諧波分量在頻域無混疊，因此兩個相位調制的角頻率必須不同ω_o≠ω_e因次，按式(9)的除法運算提取幅度曲線(8a)和(8b)：

相位由如下關系式得到：

當兩個電光相位調制的調制深度均設為α_o/e＝1.22rad時,則關于α_o/e的一階和二階貝塞爾函數相等，即J₁(α_o/e)＝J₂(α_o/e),這樣式(8a)和(8b)中正弦相位與余弦相位的系數相等可消除，解得的相位解包裹后由如下關系式得到對應的二維位移曲線：

對e路光強同樣可按照式(5)-(11)獲得兩路相位和位移曲線。

下面結合圖2進一步說明o光路或e光路采集的自混合信號的頻域特征：

1)自混合信號做FFT變換后是一個多諧波成分的微波段信號。

2)如圖所示(兩個相位調制頻率分別為39KHz和98KHz),兩種諧波的中心和調制頻率一致，同種諧波的相鄰間隔等于調制頻率。

3)兩種諧波的譜寬等于所在光路中被測物引入的激光多普勒頻率。

4)諧波之間保持必要的間隔，因此各諧波被提取時不會出現混疊現象。

下面結合圖3說明本發(fā)明計算機模塊的信號處理單元及處理流程。軟件部分主要包括帶通濾波器組單元，包括四個帶通濾波器，分別輸出o光路的兩種諧波分量I_o1和I_o2，以及e光路的兩種諧波分量I_e1和I_e2；除法單元，根據公式A_o/e1(t)＝I_o/e1/cos(ω_o/et)和A_o/e2(t)＝I_o/e2/cos(2ω_o/et)計算得到兩種諧波分量的幅值曲線；反正切單元，根據公式計算得到兩個光路的相位；位移計算單元，根據公式計算得到兩個光路的測量位移。

Labview環(huán)境下處理流程為：

1)配置A/D卡以差分方式采集和存儲數據，其參數輸入數據解調流程，適當調節(jié)放大倍數。

2)設置四個帶通濾波器的截止頻率確保：1.四個帶寬沒有重復；2.中心頻率大小分別為兩個相位調制頻率f_o/e和雙倍2f_o/e。

3)f_o和2f_o中心的兩個濾波器輸出與生成的cos(ω_ot)和cos(2ω_ot)數組相除，然后輸入至反正切運算，另兩個濾波器做相同操作。

4)將所得相位解包裹并繪圖顯示。

單個光路預計可以測量的位移或速度上限如表1：

表1偏振復用相位調制型激光自混合二維干涉儀任意單通道測量范圍

注:二維測量過程中，兩個測量通道可同時工作或單獨工作。

本發(fā)明使用單個激光管和單個探測器檢測兩個獨立運動物體的位移，偏振復用產生的光路的偏振態(tài)正交，不引入光學串擾；雙縱模氣體激光器的兩個縱模在自混合過程相互作用，單個縱模的光強變化體現為兩個相位的余弦函數差；相位調制技術只帶來純相位變化，不帶來額外光強變化；由于相位調制頻差使得兩種諧波的頻域分布間隔大，易于提?。粩祿幚砗臅r短，獲得的精度高；同步檢測二維位移/振動可廣泛應用于非接觸式的光刻機/電路印刷工藝的精密實時定位。相比而言，目前科學工程和工業(yè)領域中二維精密位移測量的方式大多是用至少2個干涉儀或雙頻激光器，系統(tǒng)復雜，成本較高，且操作并不方便。本發(fā)明提出采用偏振復用相位調制結構，將兩個待測信息調制到不同的諧波分量上，信號處理根據諧波的分布特性，從諧波幅度中提取相位信息，相對精度優(yōu)于10e-3，抗散斑噪聲能力強。同時，本發(fā)明可以靈活選擇調制頻率，因此兩個測量光路中精度動態(tài)可調，相比單光路自混合干涉儀提高了更好的靈活性，應用前景很好。