本發(fā)明涉及一種基于雙縱模激光器、光學(xué)干涉、電光效應(yīng)與偏振復(fù)用技術(shù)的二維非接觸激光自混合干涉儀及其測(cè)量方法，屬于應(yīng)用光學(xué)、非線性電光晶體、激光器技術(shù)的結(jié)合領(lǐng)域。適用于光學(xué)計(jì)量、傳感器校準(zhǔn)、微納米測(cè)控、微形貌掃描，特別適合二維測(cè)量中對(duì)光程靈敏度要求高的研究或工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光學(xué)二維位移的精確測(cè)量方法對(duì)光刻、集成電路等微納加工領(lǐng)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(guān)鍵性的作用；同樣工業(yè)環(huán)境對(duì)獨(dú)立的雙目標(biāo)或雙參數(shù)同步探測(cè)也有較大需求，比如保存危險(xiǎn)品的儲(chǔ)物罐往往需要同步檢測(cè)形變和溫度，機(jī)床振動(dòng)往往是二維的，先進(jìn)的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))中的掃描微鏡、超聲振子等器件的諧振動(dòng)也是二維的；在形貌測(cè)量、工件結(jié)構(gòu)檢測(cè)探傷中，兩個(gè)或多個(gè)探測(cè)點(diǎn)也比單點(diǎn)探測(cè)更具應(yīng)用價(jià)值。因此研究具備雙目標(biāo)同時(shí)探測(cè)且靈敏度高的非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)具有重要意義。

現(xiàn)有的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)依賴通過增加激光器和探測(cè)通道數(shù)量的方法來達(dá)成二維檢測(cè)效果，比如激光多普勒測(cè)速儀在二維測(cè)量時(shí)用兩個(gè)頻移激光器分別在不同方向探測(cè)，成本提高，操作更復(fù)雜，且要求更多的信號(hào)采集處理資料；再比如雙頻干涉儀往往無法單獨(dú)完成二維探測(cè)，必須用兩臺(tái)干涉儀構(gòu)成二維檢測(cè)效果；目前使用單個(gè)激光器進(jìn)行二維探測(cè)時(shí)由于無法根除光信號(hào)之間串?dāng)_，測(cè)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(hào)的數(shù)量，同時(shí)又消除二維測(cè)量中光路串?dāng)_的問題，本發(fā)明將現(xiàn)有的偏振復(fù)用和相位調(diào)制技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了無串?dāng)_，單激光器，單數(shù)據(jù)通道的高性價(jià)比二維自混合干涉儀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明旨在公布一種結(jié)合了偏振復(fù)用與相位調(diào)制的二維激光自混合干涉儀及其測(cè)量方法，該干涉儀光學(xué)結(jié)構(gòu)上只利用單個(gè)激光管和探測(cè)器，利用偏振復(fù)用的原理產(chǎn)生無光學(xué)串?dāng)_的獨(dú)立測(cè)量光路，電光調(diào)制效應(yīng)和激光自混合效應(yīng)在雙縱模激光器內(nèi)產(chǎn)生光強(qiáng)波動(dòng)，通過分析光強(qiáng)信號(hào)的諧波幅度實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)測(cè)量光路待測(cè)目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

偏振復(fù)用相位調(diào)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(gè)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(diào)制器、第一光線密度濾波器和第一待測(cè)目標(biāo)，放置在第二光路上的第二電光相位調(diào)制器、第二光線密度濾波器和第二待測(cè)目標(biāo)，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(cè)普通分光棱鏡折射出的光強(qiáng)信號(hào)并輸出被探測(cè)信號(hào)波形的光電探測(cè)器；所述第一電光相位調(diào)制器和第二電光相位調(diào)制器的調(diào)制頻率不同；所述光電探測(cè)器與信號(hào)采集和相位計(jì)算系統(tǒng)電連接，所述信號(hào)采集和相位計(jì)算系統(tǒng)用于根據(jù)采集的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行諧波分析和相位解調(diào)得出被測(cè)目標(biāo)相位，進(jìn)而得到位移。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)采集和相位計(jì)算系統(tǒng)包括：低通濾波放大電路，與光電探測(cè)器相連，進(jìn)行信號(hào)濾波與放大；數(shù)據(jù)采集卡，用于采集濾波放大后的信號(hào)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換；以及計(jì)算機(jī)模塊，用于提取所采集到的光強(qiáng)信號(hào)中的兩個(gè)光路的一次諧波分量和二次諧波分量，基于諧波分量實(shí)現(xiàn)相位解調(diào)。

進(jìn)一步地，所述計(jì)算機(jī)模塊包括：帶通濾波器組單元，包括四個(gè)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(jù)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(jì)算得到兩種諧波分量的幅值曲線，其中ω_o/e為兩個(gè)光路的相移角頻率，ω_o≠ω_e；反正切單元，用于根據(jù)公式計(jì)算得到兩個(gè)光路的相位；以及，位移計(jì)算單元，用于根據(jù)公式計(jì)算得到兩個(gè)光路的測(cè)量位移。

所述偏振復(fù)用相位調(diào)制型激光自混合二維干涉儀的測(cè)量方法，包括如下步驟：

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

(2)調(diào)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(diào)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(diào)制；

(3)o光穿過第一光學(xué)濾波器到達(dá)第一待測(cè)目標(biāo)，被原路反射回激光管；e光穿過第二光學(xué)濾波器到達(dá)第二待測(cè)目標(biāo)，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(qiáng)信號(hào)折射至光電探測(cè)器；

(4)光電探測(cè)器輸出的光強(qiáng)信號(hào)輸入信號(hào)采集和相位計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行處理，經(jīng)濾波放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、諧波幅值提取、反正切運(yùn)算和解包裹得到被測(cè)物相位和位移。

有益效果：本發(fā)明將圓偏振光源、偏振復(fù)用技術(shù)引入相位調(diào)制型激光自混合干涉儀中，產(chǎn)生雙測(cè)量光路的自混合干涉儀。主要的技術(shù)特點(diǎn)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(jí)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(zhì)，受到兩個(gè)外腔的反饋光后產(chǎn)生微波段的光強(qiáng)變化，在普通光電探測(cè)器的響應(yīng)范圍內(nèi)，產(chǎn)生的光電流易于進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)分析。

正弦相位調(diào)制技術(shù)：與線偏振光結(jié)合，產(chǎn)生的相位調(diào)制具備高效率，寬頻帶，無光強(qiáng)擾動(dòng)的特點(diǎn)。正弦波具備非常尖銳的頻域分布，因此引入相位調(diào)制后相當(dāng)于將自混合信號(hào)在頻域進(jìn)行了重分布，產(chǎn)生頻率中心和相鄰間隔精確可調(diào)的諧波分量，和成熟的濾波技術(shù)結(jié)合，諧波分量易于被提取。

激光自混合效應(yīng)：激光器的窄線寬使得本系統(tǒng)對(duì)同等光學(xué)反饋的相應(yīng)度低于半導(dǎo)體類激光器，適當(dāng)衰減即可消除條紋的傾斜特征。激光自混合效應(yīng)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(cè)光程呈線性關(guān)系，波長朔源的特性保證了該系統(tǒng)具有納米級(jí)精度。

偏正光復(fù)用技術(shù)：在偏振光學(xué)中，兩個(gè)正交偏正態(tài)的光束沿同一光軸傳播時(shí)與圓偏振光等效。應(yīng)用偏振分光棱鏡，圓偏振光與兩個(gè)正交偏振光可在自混合光路中實(shí)現(xiàn)可逆互換，因此一個(gè)圓偏振光激光器可以具備兩個(gè)獨(dú)立偏振的自混合光路，這提高了自混合測(cè)量的目標(biāo)數(shù)量，且反饋光之間不可能產(chǎn)生串?dāng)_。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)設(shè)計(jì)光路為十字型的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)測(cè)量光路工作在正交偏振態(tài)，無光學(xué)串?dāng)_，不形成參考關(guān)系；兩個(gè)測(cè)量光路可以同時(shí)工作或單獨(dú)工作。

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

3)采集到的單路數(shù)據(jù)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(qiáng)度必須為弱反饋，反饋光強(qiáng)通過兩個(gè)光學(xué)濾波器控制，使得產(chǎn)生的條紋不具備明顯的傾斜現(xiàn)象。

5)該系統(tǒng)允許兩個(gè)被測(cè)物同時(shí)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(gè)被測(cè)物運(yùn)動(dòng)另一個(gè)被測(cè)物靜止。可以實(shí)現(xiàn)光刻、微納結(jié)構(gòu)、微型電路印刷等行業(yè)需要的二維精密定位，也可以對(duì)工業(yè)環(huán)境中二維位移、振動(dòng)、曲翹、變形、表面輪廓的進(jìn)行測(cè)量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)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(diào)制器；4-第二相位調(diào)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(cè)目標(biāo)；9-第二待測(cè)目標(biāo)；10-光電探測(cè)器；11-低通濾波放大電路；12-數(shù)據(jù)采集卡；13-計(jì)算機(jī)模塊。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例中采集的光強(qiáng)信號(hào)的頻域特征示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中自混合光強(qiáng)信號(hào)的諧波解調(diào)方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)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(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例公開的一種偏振復(fù)用相位調(diào)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(diào)制器3，第一相位調(diào)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(cè)目標(biāo)8，第二待測(cè)目標(biāo)9，光電探測(cè)器10，以及由低通濾波放大電路11，數(shù)據(jù)采集卡12和計(jì)算機(jī)模塊13組成的信號(hào)采集和相位計(jì)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(gè)正交偏振的線偏振光(o光和e光)。

第一電光相位調(diào)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(hào)改變折射率，對(duì)通過晶體的激光束進(jìn)行相位調(diào)制。

第二電光相位調(diào)制器4，位于第二光路(e光路)，是與相位調(diào)制器3同樣規(guī)格的電光相位調(diào)制器，以垂直方向放置在光路中，因此其偏振態(tài)與相位調(diào)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(gè)光路中的光強(qiáng)信號(hào)折射至光電探測(cè)器，用于產(chǎn)生被探測(cè)波形。

第一光線密度濾波器6，可見光強(qiáng)度濾波器，用于控制o光路的光強(qiáng)。

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(qiáng)。

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

第二待測(cè)目標(biāo)9，與e光路軸向垂直的被測(cè)物。

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

低通濾波放大電路11，預(yù)處理硬件電路，濾波截止頻率可調(diào)，且具備放大信號(hào)幅度的功能。

數(shù)據(jù)采集卡12，NI系列或同類型數(shù)據(jù)采集卡，差分方式采集電壓信號(hào)。

計(jì)算機(jī)模塊13，計(jì)算機(jī)，配備軟件環(huán)境實(shí)現(xiàn)解相和結(jié)果顯示。

為了實(shí)現(xiàn)上述的偏振復(fù)用相位調(diào)制型激光自混合二維干涉儀對(duì)兩個(gè)獨(dú)立目標(biāo)或二維位移/振動(dòng)的實(shí)時(shí)測(cè)量，本發(fā)明的測(cè)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(yīng)5mA電流，使其輸出可見的紅色圓偏振光，旋轉(zhuǎn)激光管使得輸出的兩個(gè)偏振態(tài)分別位于水平和垂直方向。

2.調(diào)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(diào)制器3；e光在垂直方向穿過偏振態(tài)垂直的電光相位調(diào)制器4。

3.o光穿過光學(xué)濾波器6到達(dá)待測(cè)目標(biāo)8，被原路反射回激光管；e光穿過光學(xué)濾波器7到達(dá)待測(cè)目標(biāo)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(gè)，將自混合信號(hào)折射至光電探測(cè)器10。

4.光電探測(cè)器10輸出的光電流經(jīng)可調(diào)電阻轉(zhuǎn)換為電壓，電壓信號(hào)通過低通濾波放大器11去除高頻噪聲，輸出的電壓由數(shù)據(jù)采集卡12完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過USB數(shù)據(jù)線傳輸至解調(diào)計(jì)算機(jī)13。信號(hào)處理在計(jì)算機(jī)13的軟件環(huán)境(Labview or Matlab)下完成，具體為在時(shí)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(diào)制的整數(shù)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(gè)諧波需要提取。當(dāng)兩個(gè)調(diào)制引入的相移深度均為1.22rad時(shí)，被測(cè)物相位由反正切運(yùn)算和解包裹恢復(fù)。

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

下標(biāo)o/e代表兩個(gè)光路,P_o/e是兩個(gè)縱模光強(qiáng)，字母E和F是兩個(gè)光強(qiáng)的權(quán)重系數(shù)，C_o和C_e是兩個(gè)等效的反射系數(shù)，用于描述反射光的強(qiáng)度，兩個(gè)光路始終正交偏振，所以數(shù)學(xué)叉乘恒等于零。在本發(fā)明中使用光線密度濾波器后，兩個(gè)反射系數(shù)均遠(yuǎn)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(gè)電光晶體施加不同頻率相同深度的驅(qū)動(dòng)電壓，激活電光相位調(diào)制器引入相位調(diào)制，式(3)中相位被相移：

其中α_o/e表示被相位調(diào)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(diào)時(shí)僅需一路光強(qiáng)信號(hào)即可，以o路光強(qiáng)信號(hào)為例，光強(qiáng)按貝塞爾函數(shù)展開后表示如下：

式(5)中關(guān)于o路相位的一次和二次諧波可表示如下：

式(5)中關(guān)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(cè)量中為呈現(xiàn)動(dòng)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(gè)相位調(diào)制的角頻率必須不同ω_o≠ω_e因次，按式(9)的除法運(yùn)算提取幅度曲線(8a)和(8b)：

相位由如下關(guān)系式得到：

當(dāng)兩個(gè)電光相位調(diào)制的調(diào)制深度均設(shè)為α_o/e＝1.22rad時(shí),則關(guān)于α_o/e的一階和二階貝塞爾函數(shù)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(shù)相等可消除，解得的相位解包裹后由如下關(guān)系式得到對(duì)應(yīng)的二維位移曲線：

對(duì)e路光強(qiáng)同樣可按照式(5)-(11)獲得兩路相位和位移曲線。

下面結(jié)合圖2進(jìn)一步說明o光路或e光路采集的自混合信號(hào)的頻域特征：

1)自混合信號(hào)做FFT變換后是一個(gè)多諧波成分的微波段信號(hào)。

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

3)兩種諧波的譜寬等于所在光路中被測(cè)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(shí)不會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。

下面結(jié)合圖3說明本發(fā)明計(jì)算機(jī)模塊的信號(hào)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(gè)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(jù)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(jì)算得到兩種諧波分量的幅值曲線；反正切單元，根據(jù)公式計(jì)算得到兩個(gè)光路的相位；位移計(jì)算單元，根據(jù)公式計(jì)算得到兩個(gè)光路的測(cè)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(chǔ)數(shù)據(jù)，其參數(shù)輸入數(shù)據(jù)解調(diào)流程，適當(dāng)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。

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

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

4)將所得相位解包裹并繪圖顯示。

單個(gè)光路預(yù)計(jì)可以測(cè)量的位移或速度上限如表1：

表1偏振復(fù)用相位調(diào)制型激光自混合二維干涉儀任意單通道測(cè)量范圍

注:二維測(cè)量過程中，兩個(gè)測(cè)量通道可同時(shí)工作或單獨(dú)工作。

本發(fā)明使用單個(gè)激光管和單個(gè)探測(cè)器檢測(cè)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)物體的位移，偏振復(fù)用產(chǎn)生的光路的偏振態(tài)正交，不引入光學(xué)串?dāng)_；雙縱模氣體激光器的兩個(gè)縱模在自混合過程相互作用，單個(gè)縱模的光強(qiáng)變化體現(xiàn)為兩個(gè)相位的余弦函數(shù)差；相位調(diào)制技術(shù)只帶來純相位變化，不帶來額外光強(qiáng)變化；由于相位調(diào)制頻差使得兩種諧波的頻域分布間隔大，易于提?。粩?shù)據(jù)處理耗時(shí)短，獲得的精度高；同步檢測(cè)二維位移/振動(dòng)可廣泛應(yīng)用于非接觸式的光刻機(jī)/電路印刷工藝的精密實(shí)時(shí)定位。相比而言，目前科學(xué)工程和工業(yè)領(lǐng)域中二維精密位移測(cè)量的方式大多是用至少2個(gè)干涉儀或雙頻激光器，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，且操作并不方便。本發(fā)明提出采用偏振復(fù)用相位調(diào)制結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)待測(cè)信息調(diào)制到不同的諧波分量上，信號(hào)處理根據(jù)諧波的分布特性，從諧波幅度中提取相位信息，相對(duì)精度優(yōu)于10e-3，抗散斑噪聲能力強(qiáng)。同時(shí)，本發(fā)明可以靈活選擇調(diào)制頻率，因此兩個(gè)測(cè)量光路中精度動(dòng)態(tài)可調(diào)，相比單光路自混合干涉儀提高了更好的靈活性，應(yīng)用前景很好。