阅读说明：本技术 一种利用干涉原理完成激光波长测量的装置与方法 (Device and method for measuring laser wavelength by using interference principle ) 是由 张白 杨来龙 高洋 周春艳 刘杰 于 2019-12-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用干涉原理完成激光波长测量的装置,包括待测激光源、分光镜、反光镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、透镜、光电探测器、处理器,待测激光源向分光镜发射待测激光束,分光镜将待测激光束反射/透射至反光镜,以及将待测激光束透射/反射至第二平面反射镜,反光镜将接收到的待测激光束反射至第一平面反射镜；第一平面反射镜将接收到的待测激光束反射至透镜,第二平面反射镜将接收到的待测激光束反射至透镜；透镜将接收到的两束待测激光束透射至光电探测器,与光电探测器电连接的处理器检测光电探测器上产生的干涉现象,并计算待测激光束的波长。(The invention relates to a device for measuring laser wavelength by utilizing an interference principle, which comprises a laser source to be measured, a spectroscope, a reflector, a first plane reflector, a second plane reflector, a lens, a photoelectric detector and a processor, wherein the laser source to be measured emits a laser beam to be measured to the spectroscope, the spectroscope reflects/transmits the laser beam to be measured to the reflector and transmits/reflects the laser beam to be measured to the second plane reflector, and the reflector reflects the received laser beam to be measured to the first plane reflector; the first plane reflector reflects the received laser beam to be measured to the lens, and the second plane reflector reflects the received laser beam to be measured to the lens; the lens transmits the two received laser beams to be detected to the photoelectric detector, and the processor electrically connected with the photoelectric detector detects an interference phenomenon generated on the photoelectric detector and calculates the wavelength of the laser beams to be detected.)

一种利用干涉原理完成激光波长测量的装置与方法

技术领域

本发明涉及激光波长测量技术领域，特别涉及一种利用干涉原理完成激光波长测量的装置与方法。

背景技术

激光波长的精确测量对于光学精密测量领域至关重要，以激光干涉仪为例，其测量精度与激光波长的精度直接相关，如何提高激光波长的测量精度，降低激光波长测量装置的复杂度与成本，成了相关领域的重要研究内容。

发明内容

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供一种利用干涉原理完成激光波长测量的装置与方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种利用干涉原理完成激光波长测量的装置，包括：

待测激光源，用于发射待测激光束；

分光镜，用于接收待测激光束，并将待测激光束反射/透射至反光镜，以及透射/反射至第二平面反射镜；

反光镜，用于接收分光镜反射/透射的待测激光束，并将接收到的待测激光束反射至第一平面反射镜；

第一平面反射镜，用于接收反光镜反射的待测激光束，并将接收到的待测激光束反射至透镜；

第二平面反射镜，与所述第一平面反射镜相对固定连接，用于接收分光镜透射/反射的待测激光束，并将接收到的待测激光束反射至透镜；

透镜，用于接收第一平面反射镜和第二平面反射镜反射的待测激光束，并将接收到的待测激光束透射至光电探测器；

光电探测器，用于接收透镜透射的待测激光束；

处理器，与光电探测器电连接，用于检测光电探测器上产生的干涉现象，并计算待测激光束的波长。

待测激光源向分光镜发射待测激光束，分光镜将待测激光束分为两束激光束，分光镜将待测激光束反射/透射至反光镜，将待测激光束透射/反射至第二平面反射镜，反光镜将接收到的待测激光束反射至第一平面反射镜。第一平面反射镜将接收到的待测激光束反射至透镜，第二平面反射镜将接收到的待测激光束反射至透镜。透镜将接收到的两束待测激光束透射至光电探测器，与光电探测器电连接的处理器检测光电探测器上产生的干涉现象。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述第一平面反射镜或第二平面反射镜连接有精密位移装置，用于带动第一平面反射镜和第二平面反射镜在第一平面反射镜和第二平面反射镜的水平方向或竖直方向上移动。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述精密位移装置为无导轨的压电陶瓷电机，避免了导轨加工误差对波长测量的影响，提高了波长测量结果的精度。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述透镜为凸透镜。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述光电探测器设置于所述凸透镜的焦点处。

所述透镜采用凸透镜，根据凸透镜的透射原理可知，垂直射入凸透镜的光线都会通过凸透镜的焦点，以便于光电探测器设置于凸透镜的焦点处时，能通过射入的待测激光束产生干涉现象。

更进一步地，为了更好的实现本发明，还包括壳体，所述利用干涉原理完成激光波长测量的装置设置于壳体内，且所述待测激光源、分光镜、反光镜、透镜、光电探测器、精密位移装置分别相对于壳体固定设置。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述第一平面反射镜包括第一反射面，所述反光镜反射至第一平面反射镜的待测激光束射入所述第一反射面；所述第二平面反射镜包括第二反射面，所述分光镜透射/反射至第二平面反射镜的待测激光束射入所述第二反射面。

所述第一平面反射镜的第一反射面与水平面平行，所述第二平面反射镜的第二反射面与水平面存在夹角，且第一反射面与第二反射面之间的夹角为钝角。

作为另一种可实施方式，所述第一平面反射镜的第一反射面与水平面垂直，所述第二平面反射镜的第二反射面与水平面存在夹角，且第一反射面与第二反射面之间的夹角为钝角。

一种利用干涉原理完成激光波长测量的方法，包括以下步骤：

步骤S1：开启待测激光源，将待测激光源、分光镜、反光镜、透镜、光电探测器、精密位移装置分别固定设置于壳体内，使得光电探测器上能接收到待测激光束；

步骤S2：控制精密位移装置带动第一平面反射镜和第二平面反射镜在第一平面反射镜和第二平面反射镜的水平方向或竖直方向上移动，使得光电探测器上接收的待测激光束能产生相消干涉或相长干涉的现象；并且处理器记录本次移动第一平面反射镜和第二平面反射镜移动的位移量X1；

步骤S3：继续控制精密位移装置带动第一平面反射镜和第二平面反射镜在第一平面反射镜和第二平面反射镜的水平方向或竖直方向上移动，直到光电探测器上产生下一个或第N个相消干涉或相长干涉的现象，N为正整数；并且处理器记录两次移动第一平面反射镜和第二平面反射镜的总位移量X2；

步骤S4：处理器根据第一平面反射镜和第二平面反射镜两次水平方向或竖直方向的位移量计算出待测激光束的波长。

更进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S1-1：开启待测激光源，将待测激光源、分光镜、反光镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、精密位移装置设置于壳体内，使得第一平面反射镜能接收到反光镜反射的待测激光束，以及第二平面反射镜能接收到分光镜透射/反射的待测激光束；

步骤S1-2：调整分光镜和反光镜的角度，使得第一平面反射镜反射出去的待测激光束与第二平面反射镜反射出去的待测激光束平行；

步骤S1-3：将透镜设置于壳体内，使得第一平面反射镜和第二平面反射镜反射至透镜的待测激光束能垂直射入透镜；

步骤S1-4：将光电探测器设置于透镜的焦点处，使得光电探测器能接收到透镜透射的待测激光束。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明中测量的装置所使用的光学器件简单，无需加入标准波长激光束参与测量，大大降低了测量装置的复杂度，并且也提高了装置对待测激光束波长的测量精度；

本发明的精密位移装置为无导轨的压电陶瓷电机，避免了导轨加工误差对波长测量的影响，提高了波长测量结果的精度；

本发明不仅对测量装置在水平方向上移动时，能测量待测激光束的光程差变化量，当测量装置在竖直方向上移动，或因重力影响在竖直方向上产生位移时，也能对竖直方向上因位移产生的光程差变化量进行补偿，进一步提高了对待测激光束波长的测量精度和准确性，并且参与测量的装置没有增加任何光学器件即可完成对待测激光束波长的测量；

本发明引入了一个第一平面反射镜在干涉光路中，当测量装置在运动过程中存在垂直于位移方向的震动或其它因素引起的误差时，由于第二平面反射镜与第一平面反射镜同时发生垂直于位移方向的运动，则干涉光路光程差变化量实现了补偿，提高了激光波长的测量精度；当第二平面反射镜与第一平面反射镜的夹角越接近180度，即越趋近于平行，那么垂直于位移方向的误差对激光波长测量精度的影响越小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为本发明测量装置的另一种结构示意图；

图3为本发明测量装置中可移动反射镜在其水平方向上移动后的示意图；

图4为本发明第二平面反射镜的角度示意图；

图5为本发明可移动反射镜在其水平方向上移动后光程差变化量计算方法示意图；

图6为本发明测量装置中可移动反射镜在其竖直方向上移动后的示意图；

图7为本发明可移动反射镜在其竖直方向上移动后光程差变化量计算方法示意图；

图8为本发明测量装置中可移动反射镜在其垂直方向上移动的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，如图1与图2所示，一种利用干涉原理完成激光波长测量的装置，包括一个待测激光源100、一个分光镜200、一个反光镜300、一个透镜600、一个光电探测器700、一组可移动反射镜。所述可移动反射镜包括相互固定连接的第一平面反射镜400、第二平面反射镜500，因此移动任一反射镜，另一反射镜也随之移动，且移动的位移量相同。其中：

待测激光源100，用于向分光镜200发射待测激光束。

分光镜200，用于接收待测激光源100发射的待测激光束，并将接收到的待测激光束反射/透射至反光镜300，以及透射/反射至第二平面反射镜500。为了便于区分，将分光镜200反射的待测激光束定义为待测反射激光束，将分光镜200透射的待测激光束定义为待测透射激光束。

反光镜300，用于接收分光镜200反射/透射的待测反射激光束/待测透射激光束，并将接收到的待测反射激光束/待测透射激光束反射至第一平面反射镜400。

第一平面反射镜400，用于接收反光镜300反射的待测反射激光束/待测透射激光束，并将接收到的待测反射激光束/待测透射激光束反射至透镜600。具体来说，所述第一平面反射镜400包括第一反射面，反光镜300向第一平面反射镜400反射的待测反射激光束/待测透射激光束射入第一平面反射镜400的第一反射面，待测反射激光束/待测透射激光束再经第一反射面反射至透镜600。

第二平面反射镜500，用于接收分光镜200透射/反射的待测激光束，并将接收到的待测透射激光束/待测反射激光束反射至透镜600。具体来说，所述第二平面反射镜500包括第二反射面，分光镜200向第二平面反射镜500透射/反射的待测透射激光束/待测反射激光束射入第二平面反射镜500的第二反射面，待测透射激光束/待测反射激光束再经第二反射面反射至透镜600。

透镜600，用于接收第一平面反射镜400反射的待测激光束和第二平面反射镜500反射的待测激光束，并将两束待测激光束透射至光电探测器700。

光电探测器700，用于接收透镜600透射的待测激光束。

所述第一平面反射镜400或第二平面反射镜500连接有精密位移装置800，用于带动第一平面反射镜400和第二平面反射镜500移动。由于第一平面反射镜400和第二平面反射镜500为相互固定连接，因此精密位移装置800可以与第一平面反射镜400连接，也可以与第二平面反射镜500连接，当精密位移装置800带动任一反射镜移动时，另一反射镜也会随之移动，且移动的位移量相等。所述精密位移装置800为无导轨的压电陶瓷电机，使精密位移装置800带动可移动反射镜移动时为无导轨移动，避免了导轨加工误差对波长测量的影响，提高了波长测量结果的精度。

处理器，与光电探测器700电连接，用于记录精密位移装置800带动第一平面反射镜400和第二平面反射镜500移动的位移量，以及检测光电探测器700上产生的干涉现象，并计算出待测激光束的波长。

更进一步地，所述透镜600为凸透镜，根据凸透镜的透射原理可知，垂直射入凸透镜的光线都会通过凸透镜的焦点处，因此将光电探测器700设置于透镜600的焦点处，以便能够使透镜600透射的两束待测激光束射入光电探测器700上同一点处。但是如果当射入透镜600的光线不与透镜600垂直时，则将光电探测器700设置在透镜600的副焦点处，以便不垂直射入透镜600的两束激光束通过透镜600后能够落在光电探测器700的同一点处。为方便理解和分析，本实施例仅以待测反射激光束和待测透射激光束垂直射入透镜600为例进行说明。

本发明中测量的装置所使用的光学器件简单，无需加入标准波长激光束参与测量，大大降低了测量装置的复杂度，并且也提高了装置对待测激光束波长的测量精度。所述光学器件即包括待测激光源100、分光镜200、反光镜300、第一平面反射镜400、第二平面反射镜500、透镜600、光电探测器700、精密位移装置800。

要使待测反射激光束和待测透射激光束均垂直射入透镜600，那么射入透镜600时的待测反射激光束和待测透射激光束即为相互平行。由于第一反射面与第二反射面不平行，因此在进行测量前，需要调整分光镜200和反光镜300的角度，使得从第一反射面射出的待测反射激光束/待测透射激光束与从第二反射面反射出的待测透射激光束/待测反射激光束平行。再调整透镜600的角度，使得透镜600能垂直接收相互平行的待测反射激光束和待测透射激光束。最后将光电探测器700设置在透镜600的焦点处，即完成装置的初步设置。

所述利用干涉原理完成激光波长测量的装置设置于壳体内，且所述待测激光源100、分光镜200、反光镜300、透镜600、光电探测器700、精密位移装置800分别相对于壳体固定设置。

如图1所示，待测激光源100向分光镜200发射待测激光束，分光镜200将待测激光束分为待测反射激光束和待测透射激光束，分光镜200将待测反射激光束入射至反光镜300，将待测透射激光束入射至第二平面反射镜500的第二反射面，反光镜300将接收到的待测反射激光束反射至第一平面反射镜400的第一反射面。第一反射面将接收到的待测反射激光束反射至透镜600，第二反射面将接收到的待测透射激光束反射至透镜600。透镜600将接收到的待测反射激光束和待测透射激光束透射至光电探测器700，与光电探测器700电连接的处理器检测光电探测器700上产生的干涉现象。

作为另一种可实施方式，如图2所示，待测激光源100向分光镜200发射待测激光束，分光镜200将待测激光束分为待测反射激光束和待测透射激光束，分光镜200将待测透射激光束入射至反光镜300，将待测反射激光束入射至第二平面反射镜500的第二反射面，反光镜300将接收到的待测透射激光束反射至第一平面反射镜400的第一反射面。第一反射面将接收到的待测透射激光束反射至透镜600，第二反射面将接收到的待测反射激光束反射至透镜600。透镜600将接收到的待测反射激光束和待测透射激光束透射至光电探测器700，与光电探测器700电连接的处理器检测光电探测器700上产生的干涉现象。

本实施例后续部分，以图1的实施方式进行说明：

测量开始前，微调本装置各光学器件的位置，使得光电探测器700上能接收到待测反射激光束和待测透射激光束。测量开始时，控制精密位移装置800带动第一平面反射镜400和第二平面反射镜500在水平方向或竖直方向上移动，使得光电探测器700上产生相长干涉或相消干涉的现象，需要说明的是，如图3所示，本实施例以控制精密位移装置800带动第一平面反射镜400和第二平面反射镜500在其水平方向上移动，以及使光电探测器700上产生相长干涉为例进行说明。处理器记录本次光电探测器700上产生相长干涉时，第一平面反射镜400和第二平面反射镜500在其水平方向上的位移量X1。继续控制精密位移装置800带动第一平面反射镜400和第二平面反射镜500往相同的方向上移动，直到光电探测器700上产生下一个或第N个相长干涉的现象，N为正整数，处理器记录精密位移装置800带动第一平面反射镜400和第二平面反射镜500两次同方向水平移动的总位移量X2。处理器根据两次记录的位移量差值X＝X2-X1，以及一些相关参数，即可计算出两次移动后两束待测激光束的光程差相对于一次移动后两束待测激光束的光程差的增量或减量。根据激光干涉原理可知，光程差等于波长的整数倍，那么本实施例处理器检测光电探测器上间隔的相长干涉个数，即可通过光程差计算出待测激光束的波长。

下面对计算待测激光束波长所需的相关参数及计算方法进行说明：

如图4所示，虚线为第二平面反射镜500移动前的位置，实线为第二平面反射镜500移动后的位置，第二平面反射镜500的第二反射面与平面的夹角为β，射入第二反射面的待测透射激光束与第二反射面的夹角为α。假设精密位移装置800带动第一平面反射镜400和第二平面反射镜500在水平方向上向左移动了位移量为X的距离，从图3中可以看出，第一平面反射镜400和第二平面反射镜500在水平方向上移动后，从分光镜200发出的待测反射激光束的光程不会变化，但从分光镜200发出的待测透射激光束的光程会变化，因此两束激光束的光程差变化量即为第二平面反射镜500移动前后待测透射激光束的光程变化量，根据该光程变化量即可求得待测激光束的波长。

那么详细来说，如图5所示，移动第二平面反射镜500前，待测透射激光束射入第二平面反射镜500的的O点处，O点与水平面的竖直距离为h2；移动第二平面反射镜500后，待测透射激光束射入第二反射面的O`点处，O`点与第二反射面和水平面的顶点之间的水平距离为L，O`点与水平面的竖直距离为h1。那么移动后，待测透射激光束的光程增加了，其增加量为O点和O`点之间的距离，加上O`点和D点之间的距离，即线段L1和线段L2的长度，计算过程为：

h1＝Ltan(β)

即：

L2＝cos(180°-2α)

光程差变化量为：

根据光程差变化量ΔL即可求得待测激光束的波长。

实施例2：

如图6所示，当精密位移装置800由于加工误差或震动因素带动第一平面反射镜400和第二平面反射镜500在第一平面反射镜400和第二平面反射镜500的竖直方向上移动，或因为第一平面反射镜400和第二平面反射镜500的重力影响，使第一平面反射镜400和第二平面反射镜500在竖直方向上有移动误差时，也可计算出移动后待测激光束的光程差变化量。

如图7所示，虚线为第一平面反射镜400和第二平面反射镜500移动前的位置，实线为移动后的位置，第二平面反射镜500的第二反射面与水平面的夹角为β，射入第二反射面的待测透射激光束与第二反射面的夹角为α，射入第一平面反射镜400的第一反射面的待测反射激光束与第一反射面的夹角为θ，则α＝β+θ。

如图7所示，假设精密位移装置800带动第一平面反射镜400和第二平面反射镜500在其竖直方向上向下移动了位移量Y，此时不仅待测透射激光束的光程发生了变化，待测反射激光束的光程也发生了变化。其中待测反射激光束的光程变化量为L3+L4，待测透射激光束的光程变化量为L1+L2，计算过程为：

L1＝Y×sin(90°+β)×sin(α)

L2＝L1×cos(180°-2θ)

L4＝L3+cos(180°-2α)

光程差变化量为：

根据光程差变化量ΔL即可求得待测激光束的波长。

本发明不仅对测量装置在水平方向上移动时，能测量待测激光束的光程差变化量，当测量装置在竖直方向移动，或因重力影响在竖直方向上产生位移时，也能对竖直方向上位移产生的光程差变化量进行补偿，进一步提高了对待测激光束波长的测量精度和准确性，并且参与测量的装置没有增加任何光学器件即可完成对待测激光束波长的测量。本发明由于引入了一个第一平面反射镜在干涉光路中，当测量装置在运动过程中存在垂直于位移方向的震动或其它因素引起的误差时，由于第二平面反射镜与第一平面反射镜同时发生垂直于位移方向的运动，则干涉光路光程差变化量实现了补偿，提高了激光波长的测量精度。当第一反射面与第二反射面越趋近于平行，垂直于位移方向的误差对激光波长测量精度的影响越小。

基于上述装置，提出一种利用干涉原理完成激光波长测量的方法，包括以下步骤：

步骤S1：开启待测激光源，将待测激光源、分光镜、反光镜、透镜、光电探测器、精密位移装置分别固定设置于壳体内，使得光电探测器上能接收到待测激光束；

所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S1-1：开启待测激光源，将待测激光源、分光镜、反光镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、精密位移装置设置于壳体内，使得第一平面反射镜能接收到反光镜反射的待测激光束，以及第二平面反射镜能接收到分光镜透射/反射的待测激光束；

步骤S1-2：调整分光镜和反光镜的角度，使得第一平面反射镜反射出去的待测激光束与第二平面反射镜反射出去的待测激光束平行；

步骤S1-3：将透镜设置于壳体内，使得第一平面反射镜和第二平面反射镜反射至透镜的待测激光束能垂直射入透镜；

步骤S1-4：将光电探测器设置于透镜的焦点处，使得光电探测器能接收到透镜透射的待测激光束；

步骤S2：控制精密位移装置带动第一平面反射镜和第二平面反射镜在第一平面反射镜和第二平面反射镜的水平方向或竖直方向上移动，使得光电探测器上接收的待测激光束能产生相消干涉或相长干涉的现象；并且处理器记录本次移动第一平面反射镜和第二平面反射镜移动的位移量X1；

步骤S3：继续控制精密位移装置带动第一平面反射镜和第二平面反射镜在第一平面反射镜和第二平面反射镜的水平方向或竖直方向上移动，直到光电探测器上产生下一个或第N个相消干涉或相长干涉的现象，N为正整数；并且处理器记录两次移动第一平面反射镜和第二平面反射镜的总位移量X2；

步骤S4：处理器根据第一平面反射镜和第二平面反射镜两次水平方向或竖直方向的位移量计算出待测激光束的波长。

实施例3：

如图8所示，待测激光源100向分光镜200发射待测激光束，分光镜200将待测激光束分为待测反射激光束和待测透射激光束，分光镜200将待测反射激光束反射至反光镜300，将待测透射激光束透射至第二平面反射镜500的第二反射面，反光镜300将接收到的待测反射激光束反射至第一平面反射镜400的第一反射面。第一反射面将接收到的待测反射激光束反射至透镜600，第二反射面将接收到的待测透射激光束反射至透镜600。透镜600将接收到的待测反射激光束和待测透射激光束透射至光电探测器700，与光电探测器700电连接的处理器检测光电探测器700上产生的干涉现象。

本实施例将第一平面反射镜与第二平面反射镜的运动方向设置在垂直方向，避免了由于重力作用对测量精度的影响，可以进一步提高激光波长测量精度。

本实施列的其他部分与上述实施列相同，故不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。