双端反射激光干涉测量装置的制作方法

本发明涉及激光干涉测量，尤其涉及一种双端反射激光干涉测量装置。

背景技术：

1、在航空航天、微纳制造等行业及领域，对物体受环境变化引起的微小变形的测量是十分关键的，直接关乎相关质量性能和工艺水平的评价。传统的顶杆法、精密仪器直接观测法、激光传感器法等虽然能够实现被测对象线膨胀与变形的一般准确度测量，但其分辨力和准确度均远不及基于激光干涉测量技术的相关方法。因此，国内外许多机构的线膨胀系数测量装置都使用了激光干涉测量技术，如中国计量科学研究院、北京长城计量测试技术研究院、德国联邦物理技术研究院等。

2、激光干涉测量技术基于多普勒原理，通过对激光干涉条纹进行计数从而解算出位移信息，是一种高分辨力、高准确度非接触测量技术。但是，对于激光干涉测量技术而言，空气折射率的补偿一直是时下研究的难点和热点问题。激光波长的空气折射率会因受到空气温度、湿度、大气压力、二氧化碳浓度等环境参数的影响而发生改变，因此空气折射率的计算和补偿直接影响着激光干涉测量的准确性。目前，使用最多的方法是在测得空气温度、湿度、大气压力等环境参数的基础上，使用经验公式计算出空气折射率的数值，再将激光干涉测量结果进行补偿。这种方式可以一定程度上减小空气折射率对测量结果的影响，但难以对激光传播路径上的折射率进行实时地整体评价和计算，一旦测量环境出现扰动或者始终处于不稳定的状态，利用经验公式进行补偿的效果就十分有限。

3、现有应用最广的线膨胀测量方法主要为顶杆法、激光传感器法和激光干涉法。顶杆法为接触式的测量方法，测量分辨力不高，且易损伤被测物表面；激光传感器法虽然为非接触测量方式，但本质是基于几何光学原理反算，空气湍流和其他环境的变化都会极大影响其测量准确度；而现有的基于激光干涉的线膨胀测量装置存在以下缺点：1.采用传统的迈克尔逊干涉光路，参考光路和测量光路处于完全不同的空间位置和环境条件，两光路的空气折射率有明显差异，但仍使用同一空气折射率修正测量结果，空气折射率对测量结果的影响不能得到有效补偿，环境敏感度高；2、大多装置仅能测量单端，或者用两套系统分别测量双端的方式对线膨胀和变形进行测量，系统的测量“死程”较大，且测量原理和方式上很难准确反映物体或材料在某一线性方向上的膨胀和变形特性，双端测量时光路的余弦误差也无法得到有效抑制；3、现有装置均无法基于双波长激光干涉技术，均无法实现对空气折射率影响的实时有效补偿。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种双端反射激光干涉测量装置，可以提供一种光路具有结构紧凑以及对称性良好的特点，参考光路与测量光路所处的测量空间小，且两光束在装置中走过的光程差相近，本发明装置的“死程”只会由被测物引入，本发明装置对测量环境的敏感度低，具有较好的抗干扰能力；同时，本发明装置以双端反射的形式直接保证了单一线性方向上的膨胀变形量的测量，能够有效避免单端测量或者双系统双端测量时无法避免的余弦误差；另外，本发明装置采用的双波长共光路结构，能够基于双波长激光干涉测量技术，实现对测量路径上空气折射率引入误差的有效抑制。

2、本发明实施例提供一种双端反射激光干涉测量装置，所述双端反射激光干涉测量装置包括采集模块、出射入射模块以及干涉模块，所述出射入射模块的第一出射端对准所述干涉模块的入射端设置，所述出射入射模块的第二出射端对准所述采集模块的入射端设置，所述出射入射模块的第一出射端为出射入射模块相对于干涉模块的入射端，所述干涉模块的入射端为干涉模块相对于出射入射模块的出射端；

3、其中，所述干涉模块包括参考光光路和测量光光路，所述参考光光路与所述测量光光路具有共同的一段共用子光路，所述参考光光路由所述共用子光路和参考光子光路首尾端对准设置构成，所述测量光光路由所述共用子光路和测量光子光路首尾端对准设置构成。

4、可选的，所述出射入射模块包括：宽带1/2波片、第一宽带直角反射镜，所述第一宽带直角反射镜位于宽带1/2波片和所述干涉模块的出射端之间，所述干涉模块的出射端对准所述第一宽带直角反射镜的斜面设置，所述宽带1/2波片位于所述出射入射模块的第一出射端。

5、可选的，所述采集模块包括：二向色镜以及第一光电探测光路和第二光电探测光路，所述第一光电探测光路的入射端和第二光电探测光路入射端分别对准所述二向色镜的第一出射侧和第二出射侧，所述二向色镜的入射侧与所述出射入射模块的第二出射端对准。

6、可选的，所述第一光电探测光路包括第一光电探测器、第一偏振片、第一滤光片，所述第二光电探测光路包括第二光电探测器、第二偏振片、第二滤光片，所述第一滤光片、所述第一偏振片以及所述第一光电探测器从左至右一侧对中准直排列在所述二向色镜的第一出射侧，所述第二滤光片、所述第二偏振片以及所述第二光电探测器从下至上依次对中准直排列在所述二向色镜的第二出射侧，且所述二向色镜、所述第二滤光片、第二偏振片以及第二光电探测器均位于第一宽带直角反射镜之上，所述二向色镜位于所述采集模块入射端。

7、可选的，所述共用子光路包括第一宽带偏振分光镜、第二宽带偏振分光镜、第一宽带直角棱镜、第二宽带直角棱镜、宽带角锥棱镜，所述第一宽带偏振分光镜的第一分光面对准所述第一宽带直角棱镜的第一直角侧以及所述测量光子光路首端设置，所述第一宽带直角棱镜的第二直角侧对准所述第二宽带直角棱镜的第二直角侧设置，所述第二宽带偏振分光镜的第一分光面对准所述第二宽带直角棱镜的第一直角侧以及所述测量光子光路尾端设置，所述第一宽带偏振分光镜的第二分光面对准所述出射入射模块的第一出射端以及所述参考光子光路首端设置，所述第二宽带偏振分光镜的第二分光面对准所述宽带角锥棱镜的入射面以及所述参考光子光路尾端设置。

8、可选的，所述参考光子光路包括第四宽带1/4波片、第四宽带直角棱镜、第三宽带直角棱镜、第三宽带1/4波片，所述第四宽带1/4波片的一侧对准所述第一宽带偏振分光镜的第二分光面设置，所述第四宽带1/4波片的另一侧对准所述第四宽带直角棱镜的第一直角面设置，所述第四宽带直角棱镜的第二直角面对准所述第三宽带直角棱镜的第二直角面设置，所述第三宽带直角棱镜的第一直角面对准所述第三宽带1/4波片的一侧设置，所述第三宽带1/4波片的另一侧对准所述第二宽带偏振分光镜的第二分光面设置。

9、可选的，所述测量光子光路包括第一宽带1/4波片、试件、第二宽带1/4波片，所述第一宽带1/4波片的一侧对准所述第一宽带偏振分光镜的第二分光面设置，所述第一宽带1/4波片的另一侧对准所述试件的第一侧设置，所述试件的第二侧对准所述第二宽带1/4波片的一侧设置，所述第二宽带1/4波片的另一侧对准所述第二宽带偏振分光镜的第一分光面设置。

10、可选的，所述出射入射模块的入射光为波长为λ2和波长为λ1的共束形式的激光。

11、可选的，所述第一光电探测光路接收所述参考光光路中波长成分为λ1的激光与所述测量光光路中波长成分为λ1的激光，所述第二光电探测光路接收所述参考光光路中波长成分为λ2的激光与所述测量光光路中波长成分为λ2的激光。

12、第二方面，本发明实施例还提供一种双端反射激光干涉测量方法，所述双端反射激光干涉测量方法应用于如本发明实施例任一项所述的双端反射激光干涉测量装置，所述光路测量方法包括：

13、在常温条件下，所述参考光光路的中波长成分为λ1的激光和所述测量光光路中波长成分为λ1的激光在第一宽带偏振分光镜处相遇，经过二向色镜、第一滤光片、第一偏振片后发生干涉，干涉信号由第一光电探测器接收，通过对干涉信号进行处理，得到空气环境干扰下λ1激光测得的与试件的变形量对应的光程l1；

14、参考光光路的中波长成分为λ2的激光和测量光光路中波长成分为λ2的激光在第一宽带偏振分光镜处相遇，经过二向色镜、第二滤光片、第二偏振片后发生干涉，干涉信号由第二光电探测器接收，通过对干涉信号进行处理，得到空气环境干扰下λ2激光测得的与试件的变形量对应的光程l2；

15、根据待测位移l与两波长的光程变化量的数学关系如下式所示：

16、l＝l1-a(l2-l1)

17、其中，色散系数a是波长λ1、λ2和空气湿度的函数；

18、通过待测位移l与两波长的光程变化量的数学关系，对光程l1和光程l2进行计算，得到试件的实际变形量l。

19、本发明实施例中，通过集成了采集模块、出射入射模块以及干涉模块，所述出射入射模块的第一出射端对准所述干涉模块的入射端设置，所述出射入射模块的第二出射端对准所述采集模块的入射端设置，所述出射入射模块的第一出射端为出射入射模块相对于干涉模块的入射端，所述干涉模块的入射端为干涉模块相对于出射入射模块的出射端；所述干涉模块包括参考光光路和测量光光路，所述参考光光路与所述测量光光路具有共同的一段共用子光路，所述参考光光路由所述共用子光路和参考光子光路首尾端对准设置构成，所述测量光光路由所述共用子光路和测量光子光路首尾端对准设置构成，本发明可以有效减小空气折射率对测量结果的影响，最终可有效提高测量结果的准确性和可靠性。