一种外差干涉测量系统及方法

本发明涉及外差干涉测量，特别是涉及一种外差干涉测量系统及方法。

背景技术：

1、外差干涉测量技术凭借其高灵敏度、宽动态范围和非接触测量等优势，在精密计量、半导体制造、光学检测等众多领域有着广泛应用。近年来，随着空间引力波探测等前沿科学任务的推进，对外差干涉仪的测量精度提出了极为严苛的要求，尤其是在低频段，需要将位移测量精度提升至皮米（10-12米）量级。在这一精度水平上，系统中原本被视为次要的噪声源开始成为制约测量极限的关键因素。

2、声光调制器（acousto-optic modulator‌，aom）是外差干涉仪的核心器件之一，用于产生具有稳定频差的参考光和测量光。在实际系统中，aom的驱动信号会不可避免地通过电磁耦合、电源纹波、杂散电容等路径串扰进入干涉信号链路。这种aom驱动信号串扰会引入一种典型的周期非线性误差，表现为位移测量值中叠加了一个与干涉光波长同周期的波动误差。该误差的大小和相位随被测位移的变化而呈周期性变化，严重劣化了外差干涉仪在皮米量级的测量精度。

3、为了抑制这种周期非线性误差的影响，现有技术通常采取两方面的措施。其一，是进行光路共模抑制设计，即通过构建参考光路和测量光路尽可能对称的干涉仪结构，使两路光在传播过程中经历共模的干扰，从而在干涉信号差分检测时抵消掉部分共模噪声。其二，是实施光程控制策略，通过主动或被动方式精密控制参考臂与测量臂的光程差，使系统工作在aom串扰噪声较小的特定状态，从而降低噪声的等效位移影响。

4、上述现有技术方案在实际应用中存在以下问题：首先，在外差干涉仪的实际光路布局中，参考光路和测量光路在空间上总是存在一定程度的分离，无法做到理想的完全重合。这种空间分离使得两条光路所感知的aom驱动信号串扰路径和强度无法达到完全一致，导致共模抑制的效果始终是有限的，难以将串扰噪声完全消除。其次，通过光程控制来抑制aom驱动信号串扰噪声的方法，其抑制效果直接依赖于光程差的精密设定与维持，但该方法的有效性受到系统热漂移、机械不稳定等因素的制约，且抑制能力本身也存在一个由残余共模噪声决定的上限。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种能够实现较好的共模抑制效果、测量精度高的外差干涉测量系统及方法。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种外差干涉测量系统，包括激光器laser、第一声光调制器aom1、第二声光调制器aom2、第一分束器bs1、第二分束器bs2、第一偏振分束棱镜pbs1、第二偏振分束棱镜pbs2、第一反射镜m1、第二反射镜m2、第三反射镜m3、第四反射镜m4、第一侧向位移分束棱镜ldb1、第二侧向位移分束棱镜ldb2、第一光电探测器pd1、第二光电探测器pd2、第三光电探测器pd3和第四光电探测器pd4；

3、所述激光器laser用于产生激光；所述第一分束器bs1用于将所述激光分为两束，形成第一束激光和第二束激光；

4、所述第一声光调制器aom1用于对所述第一束激光进行移频，出射第一衍射光，所述第一衍射光经由所述第一反射镜m1反射至所述第一偏振分束棱镜pbs1；所述第一偏振分束棱镜pbs1用于将所述第一衍射光分离为第一偏振分量和第二偏振分量，其中所述第一偏振分量作为本底光入射至所述第一光电探测器pd1，以用于光强基准测量；所述第二偏振分量经所述第三反射镜m3反射后逆向回传至所述第一偏振分束棱镜pbs1，且经所述第一偏振分束棱镜pbs1导向所述第二侧向位移分束棱镜ldb2；所述第二侧向位移分束棱镜ldb2将入射的光束分为空间上相互平行的第二上层光束和第二下层光束，所述第二上层光束入射至所述第三光电探测器pd3，所述第二下层光束入射至所述第四光电探测器pd4；

5、所述第二束激光经由所述第二反射镜m2反射至所述第二声光调制器aom2，所述第二声光调制器aom2用于对所述第二束激光进行移频，出射第二衍射光，所述第一侧向位移分束棱镜ldb1将所述第二衍射光分为空间上相互平行的第一上层光束和第一下层光束，所述第二偏振分束棱镜pbs2用于将所述第一上层光束分离为第三偏振分量和第四偏振分量、将所述第一下层光束分离为第五偏振分量和第六偏振分量，其中所述第三偏振分量作为参考光直接入射至所述第二光电探测器pd2；所述第四偏振分量和所述第六偏振分量分别经由所述第四反射镜m4和第五反射镜m5反射后逆向回传至所述第二偏振分束棱镜pbs2且分别与第三偏振分量、第五偏振分量分别汇合形成第一上排光束、第一下排光束，所述第一上排光束经所述第二分束器bs2均分为第一上排分量和第二上排分量，所述第一上排分量由所述第三光电探测器pd3接收以形成第一外差信号，所述第一下排光束经所述第二分束器bs2均分为第一下排分量和第二下排分量，所述第二下排分量由所述第四光电探测器pd4接收以形成第四外差信号。

6、另外，本发明还提供一种外差干涉测量方法，基于上述的外差干涉测量系统，包括：

7、分别对第一光电探测器pd1、第三光电探测器pd3、第四光电探测器pd4，以及第二光电探测器pd2、第三光电探测器pd3、第四光电探测器pd4进行标定，获取标定结果，标定结果为各光电探测器之间的光强比例关系和相位延迟量关系；

8、以第四反射镜m4为测试镜、第五反射镜m5为参考镜，启动激光器，使激光进入外差干涉测量系统，并获取第一光电探测器pd1、第二光电探测器pd2、第三光电探测器pd3和第四光电探测器pd4测得的信号；

9、将第一光电探测器pd1测得的信号经带通滤波提取后获得第一串扰干涉信号，根据标定结果对第一串扰干涉信号进行调整后获得第一补偿信号；

10、将第二光电探测器pd2测得的信号经带通滤波提取后获得第二串扰干涉信号，根据标定结果对第二串扰干涉信号进行调整后获得第二补偿信号；

11、获取第三光电探测器pd3测得的第一外差信号以及第四光电探测器pd4测得的第二外差信号；

12、根据第一补偿信号和第二补偿信号对第一外差信号、第二外差信号进行补偿，得到补偿后的第一外差信号和补偿后的第二外差信号；

13、根据补偿后的第一外差信号和补偿后的第二外差信号获得位移测试结果。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

15、本发明通过在系统中设置第一光电探测器和第二光电探测器对声光调制器衍射光光强噪声的同步获取，基于第一光电探测器和第二光电探测器测得的信号对第三光电探测器和第四光电探测器测得的信号进行补偿，从而对串扰干涉信号进行的抑制，即可抑制声光调制器驱动信号串扰对外差干涉测量的影响，提高测量精度。并且本发明采用高度相似的双层光路结构，能够在硬件层面最大限度地实现光路的共模抑制，有效衰减到达光电探测器的共模噪声水平，从源头上降低声光调制器串扰等噪声的引入，显著提升共模抑制效果。本发明还设置了压电促动器，使得光程可调可控，使得系统能够主动、精密地补偿光程差的漂移，使双层光路始终保持在共模抑制效果最优的工作点，并具备在不同工作模式下灵活调整光程以适应不同测量需求的能力。