一种应用于激光外差干涉仪的基于声光调制的2μm偏振正交激光发射系统

摘要

一种应用于激光外差干涉仪的基于声光调制的2μm偏振正交激光发射系统，它涉及一种偏振正交的激光光源发射系统。它解决了现有的正交偏振光源发射系统因偏振混合误差而导致激光外差干涉仪测量精度低的问题，本发明包括2μm激光器、多个光纤准直器、偏振片、光纤分束器、两个声光移频器、偏振控制器、偏振分束棱镜和多个光纤，2μm激光器的激光经光纤准直器和偏振片后进入光纤分束器，其将输入的激光分为两束P光，一束P光经光纤进入一个声光移频器移频后进入偏振分束棱镜，另一束P光移频后进入偏振控制器，该偏振控制器将P光变为S光输出给偏振分束棱镜，该P光和S光在该偏振分束棱镜出射端口形成正交偏振光束发射。本发明适用于激光外差干涉仪的光源系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种偏振正交的激光光源发射系统，具体涉及一种应用于激光外差干涉仪的基于声光调制的2μm偏振正交激光发射系统。

背景技术

传统的激光外差干涉仪系统中都是采用自由空间光路结构，这种系统结构庞大，由于采用了大量的光学元件，其成本高，调节困难，并且需要反复的校准调节。其次，传统的激光干涉仪光源虽然也可以产生出偏振正交的激光光束，但是这些光束的波长处于可见光波段，对于人眼是不安全的，并且其应用领域已不能满足对于超光滑光学元件表面的测量要求。

随着激光技术和光通讯技术的发展，特别是光纤技术的迅速发展，给激光外差干涉仪系统的优化带来了契机。因此，很多国内外科研工作者们都把目光逐渐转移到光纤技术和其他波段的激光器方面，希望通过降低成本，利用高光束传输质量的光纤器件以及性能优良的激光器来解决传统外差干涉仪系统结构存在的问题，弥补和丰富传统外差干涉仪的不足。

直到现在，国内外关于激光外差干涉仪的偏振正交光源系统的研究，还停留在采用可见光波段的阶段。比较常见的是基于塞曼效应的He-Ne激光器，其正交偏振光的频率差为100KHz，这种基于塞曼效应的正交偏振光发射系统，虽然可以达到发射正交偏振光的目的，但是由于外加磁场的不理想作用，所产生的正交光并不是完全理想正交的，这样就引入了偏振混和误差，这种误差在外差干涉测量系统中对测量结果会产生不可忽略的影响。外差干涉是通过两束干涉光波产生一个频差，使原来的以光频为载波的被检信息转移到以这一频差为载波的视频信号，从而使光电探测器后的前置放大器可用交流放大器来代替原先的直流放大器，使信号的直流漂移及大部分随机信号得到有效的抑制，提高了检测精度及重复性。因此我们希望激光外差干涉仪的正交偏振光的频差尽可能的低。

近十几年来，2μm激光器得到了飞速发展。它的主要特点是：系统无需制冷，泵浦能量耦合效率高，稳定性强，光束质量好，寿命长，结构紧凑。这些特点对于弥补传统干涉起到了一定的积极作用。但是目前2μm光纤器件的发展比较落后，没有跟上2μm激光器技术发展的步伐。因此，目前报道的近红外干涉仪还是以波长为1550nm为主的。对于波长为1550nm的激光外差干涉仪，虽然处于常用的光通讯波段，但是这种技术的激光器件不太成熟，效率低。使得处于这一波段的近红外外差干涉仪未能得到广泛的应用。

总之，现有激光外差干涉仪的光源发射系统主要有以下几方面的问题：一，工作波长集中在可见光波段之内，这限制了干涉仪的应用领域；二，已有的正交偏振光源发射系统的频率差不够低，给高精度的相位信号提取带来了一定的误差；三，偏振正交光束的功率分束比是不可调的。对于以上三点问题，目前市面上所见到的外差干涉仪都不能同时解决和克服。

发明内容

为了解决现有的正交偏振光源发射系统因偏振混合误差而导致激光外差干涉仪测量精度低的问题，本发明提供一种应用于激光外差干涉仪的基于声光调制的2μm偏振正交激光发射系统。

本发明的一种应用于激光外差干涉仪的基于声光调制的2μm偏振正交激光发射系统，所述发射系统包括2μm激光器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、偏振片、光纤分束器、第一声光移频器、第二声光移频器、偏振控制器、偏振分束棱镜、第一光纤、第二光纤和第三光纤，

所述2μm激光器输出波长为2μm的激光至第一光纤准直器的信号接收端，所述第一光纤准直器输出2μm的准直激光至偏振片的信号接收端，所述偏振片输出P光至第二光纤准直器的信号接收端，所述第二光纤准直器输出准直P光至光纤分束器的信号接收端，所述光纤分束器将所述准直P光按照分束比x:y分成两束，其中，

一束准直P光通过第一光纤输入至第一声光移频器的信号接收端，所述第一声光移频器将接收的所述准直P光移频uMHZ后输出至第三光纤的信号接收端，所述第三光纤输出所述被移频uMHZ的准直P光至偏振分束棱镜的第一信号接收端，所述偏振分束棱镜将所述被移频uMHZ的准直P光透射输出至所述偏振分束棱镜的出射端口，

另一束准直P光通过第二光纤输入至第二声光移频器的信号接收端，所述第二声光移频器将接收的所述准直P光移频vMHZ后输出至偏振控制器的信号接收端，所述偏振控制器将接收的所述被移频vMHZ的准直P光的振动方向旋转90°变换为准直S光输出至偏振分束棱镜的第二信号接收端，所述偏振分束棱镜将所述被移频vMHZ的准直S光反射输出至所述偏振分束棱镜的出射端口，

所述P光和S光在出射端口形成振动方向相互垂直且频率差为MHZ的正交偏振光束发射，且0.05<<0.2。

本发明的一种应用于激光外差干涉仪的基于声光调制的2μm偏振正交激光发射系统还提供另外一种结构：所述发射系统包括2μm激光器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第五光纤准直器、第六光纤准直器、偏振片、第二偏振片、光纤分束器、第一声光移频器、第二声光移频器、偏振分束棱镜、第一光纤、第二光纤和第三光纤，

所述2μm激光器输出波长为2μm的激光至光纤分束器的信号接收端，所述光纤分束器将所述激光按照分束比x:y分成两束，其中，

一束激光通过第一光纤输入至第一声光移频器的信号接收端，所述第一声光移频器将接收的所述激光移频uMHZ后输出至第一光纤准直器的信号接收端，所述第一光纤准直器将移频uMHZ的激光准直后输出至偏振片的信号接收端，所述偏振片将移频uMHZ的准直激光变换为偏振方向与偏振分束棱镜的光轴方向相同的线偏振光输出至第二光纤准直器的信号接收端，所述第二光纤准直器输出所述被移频uMHZ的准直线偏振光至第三光纤的信号接收端，所述第三光纤输出所述被移频uMHZ的准直线偏振光至偏振分束棱镜的第一信号接收端，所述偏振分束棱镜将所述被移频uMHZ的准直线偏振光的P光透射输出至所述偏振分束棱镜的出射端口，

另一束激光通过第二光纤输入至第二声光移频器的信号接收端，所述第二声光移频器将接收的所述激光移频vMHZ后输出至第五光纤准直器的信号接收端，所述第五光纤准直器将移频vMHZ的激光准直后输出至第二偏振片的信号接收端，所述第二偏振片将移频vMHZ的准直激光变换为偏振方向与所述偏振分束棱镜的光轴方向垂直的线偏振光输出至第六光纤准直器的信号接收端，所述第六光纤准直器输出所述被移频vMHZ的准直线偏振光至偏振分束棱镜的第二信号接收端，所述偏振分束棱镜将所述被移频vMHZ的准直线偏振光的S光反射输出至所述偏振分束棱镜的出射端口，

所述P光和S光在出射端口形成振动方向相互垂直且频率差为MHZ的正交偏振光束发射，且0.05<<0.2。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种近红外波段(2μm)的偏振正交激光发射系统，该偏振正交发射系统采用了两路独立的光路来产生正交偏振的2μm激光光束，避免了现有的正交偏振光源发射系统(he-Ne激光器通过塞曼效应来实现偏振正交光源发射系统)所存在的偏振混合误差问题,能够提高激光外差干涉仪的测量精度；本发明中光纤分束器的分束比可以根据需要进行调整，进而能够获得所需要的任意功率比的偏振正交光束；本发明引入多个光纤准直器，最大限度地提高了光束的传播效率，避免了不必要的光束能量损失。

附图说明

 图1是本发明的具体实施方式一中所述的一种应用于激光外差干涉仪的基于声光调制的2μm偏振正交激光发射系统的结构示意图，图2是本发明的具体实施方式二中所述的一种应用于激光外差干涉仪的基于声光调制的2μm偏振正交激光发射系统的结构示意图，图3是现有的光纤准直器的结构示意图；图4是现有的光纤分束器的结构示意图，图5是现有的偏振控制器的示意图；图6是现有的偏振分束棱镜的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：根据说明书附图1、2、3、4、5和6具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种应用于激光外差干涉仪的基于声光调制的2μm偏振正交激光发射系统，所述发射系统包括2μm激光器1、第一光纤准直器2-1、第二光纤准直器2-2、偏振片3、光纤分束器4、第一声光移频器5、第二声光移频器6、偏振控制器7、偏振分束棱镜8、第一光纤9-1、第二光纤9-2和第三光纤9-3，

所述2μm激光器1输出波长为2μm的激光至第一光纤准直器2-1的信号接收端，所述第一光纤准直器2-1输出2μm的准直激光至偏振片3的信号接收端，所述偏振片3输出P光至第二光纤准直器2-2的信号接收端，所述第二光纤准直器2-2输出准直P光至光纤分束器4的信号接收端，所述光纤分束器4将所述准直P光按照分束比x:y分成两束，其中，

一束准直P光通过第一光纤9-1输入至第一声光移频器5的信号接收端，所述第一声光移频器5将接收的所述准直P光移频uMHZ后输出至第三光纤9-3的信号接收端，所述第三光纤9-3输出所述被移频uMHZ的准直P光至偏振分束棱镜8的第一信号接收端8-1，所述偏振分束棱镜8将所述被移频uMHZ的准直P光透射输出至所述偏振分束棱镜8的出射端口8-3，

另一束准直P光通过第二光纤9-2输入至第二声光移频器6的信号接收端，所述第二声光移频器6将接收的所述准直P光移频vMHZ后输出至偏振控制器7的信号接收端，所述偏振控制器7将接收的所述被移频vMHZ的准直P光的振动方向旋转90°变换为准直S光输出至偏振分束棱镜8的第二信号接收端8-2，所述偏振分束棱镜8将所述被移频vMHZ的准直S光反射输出至所述偏振分束棱镜8的出射端口8-3，

所述P光和S光在出射端口8-3形成振动方向相互垂直且频率差为MHZ的正交偏振光束发射，且0.05<<0.2。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：本实施方式所述的发射系统还包括第三光纤准直器2-3和第四光纤准直器2-4，所述第三光纤准直器2-3的信号接收端与第三光纤9-3的信号输出端连接，所述第三光纤准直器2-3的信号输出端与偏振分束棱镜8的第一信号接收端8-1连接；所述第四光纤准直器2-4的信号接收端与偏振控制器7的信号输出端连接，所述第四光纤准直器2-4的信号输出端与偏振分束棱镜8的第二信号接收端8-2连接。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同之处在于：本实施方式所述的光纤分束器4的分束比x:y=50：50

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三的不同之处在于：本实施方式所述的=0.1。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二、三或四的不同之处在于：本实施方式所述的，。

本实施方式中，各光纤为单模保偏光纤，长度为半米，采用光纤传输光束，使光束不易受大气扰动，同时可以在一定程度上缩小系统结构，使系统结构更加紧凑。

本实施方式中，P光为垂直纸面的光，S光为平行纸面的光。

本实施方式中，2μm激光器1的发射波长为2μm的激光光束，该激光器连续输出光束，输出光为线偏振的P光，消光比为22dB，输出波长为2050.015nm，输出功率为1.22W，输出的光斑直径为4.56mm。

本实施方式中，利用偏振片3可以将2μm激光器1输出的光束变换为更为理想的线偏振的P光。

本实施方式中的各光纤准直器的结构如图3所示，所述光纤准直器由带有FC适配器接头的单模光纤和一个透镜组成，通过调整两者之间的间距，使得单模光纤的出射端面处于透镜的焦平面处。

本实施方式中的偏振片3具有对入射光遮蔽或透过的功能，可使纵向或横向光一种透过，一种遮蔽，所述的偏振片3是由偏振膜、内保护膜、压敏胶层及外保护膜层压而成的复合材料，通过旋转偏振片3，就可以使通过的光束改变其偏振状态。

本实施方式中的各声光移频器是一种改变输入信号光频率的一种声光器件，它是利用布拉格效应来实现光束频率的改变，本实施方式中所用的各声光移频器是Brimrose公司的产品，该产品移频的中心频率是100MHz，移频带宽是10MHz。声光移频器器件一般有三个端口，一个输入端口，两个输出端口，输出端口分别是未移频的零级光和移频的一级光。这两束光的布拉格角为82mrad。本实施方式的发射系统中所用的就是1级光的输出端口，该输出端口比相应的输入端口的频率增加了100MHz。

本实施方式中的偏振控制器7的结构原理如图5所示，偏振控制器7一般由两个1/4波片和一个1/2波片组成，其中各波片的延迟量固定，相对角度是可变的，它的控制原理是：第一个1/4波片7-1把任意的输入偏振光转变为线偏振光，1/2波片7-2把此线偏振光准到任意期望得到的偏振方向，最终第二个1/4波片7-3再将该偏振光转变成任何希望得到的输出偏振态。

本实施方式中，通过偏振控制器7来把光束振动方向改变90⁰，然后再通过第四光纤准直器2-4，以平行光的方式进入到偏振分束棱镜8的第二信号接收端8-2，传输进入到偏振分束棱镜8的内部；而经过第一声光移频器5后的光束直接通过第三光纤9-3和第三光纤准直器2-3后，通过第一信号接收端8-1而进入到偏振分束棱镜8的内部。由于光束在通过偏振片3时， 通过旋转偏振片3的光轴方向，使得偏振片3的光轴方向刚好跟偏振分束棱镜8的光轴方向重合，因此，通过第一信号接收端8-1进入到偏振分束棱镜8的光束的振动方向和偏振分束棱镜8的方向重合，因此所述光束直接透射进出射端口8-3。而通过第二信号接收端8-2进入到偏振分束棱镜8的光束的振动方向和偏振分束棱镜8的振动方向垂直，因此所述光束直接反射到出射端口8-3，最终在出射端口8-3就获得了频差为100KHZ的正交偏振混合光束。

具体实施方式六：根据说明书附图1、2、3、4、5和6具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种应用于激光外差干涉仪的基于声光调制的2μm偏振正交激光发射系统，所述发射系统包括2μm激光器1、第一光纤准直器2-1、第二光纤准直器2-2、第五光纤准直器2-5、第六光纤准直器2-6、偏振片3、第二偏振片3-1、光纤分束器4、第一声光移频器5、第二声光移频器6、偏振分束棱镜8、第一光纤9-1、第二光纤9-2和第三光纤9-3，

所述2μm激光器1输出波长为2μm的激光至光纤分束器4的信号接收端，所述光纤分束器4将所述激光按照分束比x:y分成两束，其中，

一束激光通过第一光纤9-1输入至第一声光移频器5的信号接收端，所述第一声光移频器5将接收的所述激光移频uMHZ后输出至第一光纤准直器2-1的信号接收端，所述第一光纤准直器2-1将移频uMHZ的激光准直后输出至偏振片3的信号接收端，所述偏振片3将移频uMHZ的准直激光变换为偏振方向与偏振分束棱镜8的光轴方向相同的线偏振光输出至第二光纤准直器2-2的信号接收端，所述第二光纤准直器2-2输出所述被移频uMHZ的准直线偏振光至第三光纤9-3的信号接收端，所述第三光纤9-3输出所述被移频uMHZ的准直线偏振光至偏振分束棱镜8的第一信号接收端8-1，所述偏振分束棱镜8将所述被移频uMHZ的准直线偏振光的P光透射输出至所述偏振分束棱镜8的出射端口8-3，

另一束激光通过第二光纤9-2输入至第二声光移频器6的信号接收端，所述第二声光移频器6将接收的所述激光移频vMHZ后输出至第五光纤准直器2-5的信号接收端，所述第五光纤准直器2-5将移频vMHZ的激光准直后输出至第二偏振片3-1的信号接收端，所述第二偏振片3-1将移频vMHZ的准直激光变换为偏振方向与所述偏振分束棱镜8的光轴方向垂直的线偏振光输出至第六光纤准直器2-6的信号接收端，所述第六光纤准直器2-6输出所述被移频vMHZ的准直线偏振光至偏振分束棱镜8的第二信号接收端8-2，所述偏振分束棱镜8将所述被移频vMHZ的准直线偏振光的S光反射输出至所述偏振分束棱镜8的出射端口8-3，

所述P光和S光在出射端口8-3形成振动方向相互垂直且频率差为MHZ的正交偏振光束发射，且0.05<<0.2。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六的不同之处在于：本实施方式所述的发射系统还包括第三光纤准直器2-3和第四光纤准直器2-4，所述第三光纤准直器2-3的信号接收端与第三光纤9-3的信号输出端连接，所述第三光纤准直器2-3的信号输出端与偏振分束棱镜8的第一信号接收端8-1连接；所述第四光纤准直器2-4的信号接收端与第六光纤准直器2-6的信号输出端连接，所述第四光纤准直器2-4的信号输出端与偏振分束棱镜8的第二信号接收端8-2连接。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七的不同之处在于：本实施方式所述的光纤分束器4的分束比x:y=50：50

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六、七或八的不同之处在于：本实施方式所述的=0.1。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六、七、八或九的不同之处在于：本实施方式所述的，。