光纤超外差干涉测量系统的研究

　　一、引言

　　基于在小数重合法上的绝对距离干涉测量是计量学的重要研究课题之一。目前外差干涉测量已经取得了很大的进展,但是由于外差干涉测量方案中存在纵模耦合等误差的影响,从而限制了其精度的进一步提高[1]。

　　本文提出了光纤超外差绝对距离干涉测量方案(ADI),该方案采用0·633μm He-Ne双纵模激光器作为光源,采用声光调制器(AOM)分别对两偏振光进行频移,一级衍射光耦合进入光纤作为参考光束,而零级衍射光作为测量光束,在光电探测器中形成超外差信号,通过比较测量信号与参考信号的相位,即可计算得到被测绝对距离。该方案是在外差干涉测量原理的基础上发展起来的,它克服了外差干涉测量中模耦合误差的影响;而且,采用光纤作为传光元件可以克服光源的漂移及其热的影响,容易实现小型化的测量仪器。目前,这一方面的研究工作开展地比较有限[2~4]。

　　文章简述了系统的原理和信号处理的方法。初步实验发现,光纤超外差干涉系统可以克服外差方案中模耦合的影响,但由于光强较弱等原因,很难达到较高的测量精度。系统的主要误差包括:光学元件的非理想特性引入的误差,测量信号与参考信号之间的耦合以及工频干扰的影响等几个方面。文章最后对超外差干涉测量方案进行了总结。

　　二、超外差干涉测量原理

　　如图1所示,采用0.6328μm的He-Ne激光器作为光源,激光器发出频差(v1-v2)约1080MHz相互正交的线偏振光。经BS分束,一路耦合进入光纤中;另一路经过PBS,两正交线偏振光分开后经声光调制器AOM1、AOM2分别频移(f1=40MHz,f2=41MHz),然后耦合到单模保偏光纤。两光电探测器PD1、PD2分别接收到作为基准与测量的超外差信号[5]。光电探测器(PD1、PD2)接收到的光信号的合成光强为

　　式中Ev1,z、Ev2,z为测量光中v1、v2部分在PD处的电场强度;Ev1+f1,L、Ev2+f2,L为参考光中v1+f1、v2+f2部分在PD处的电场强度;f1、f2为频移量;Z、L为参考光与测量光达到PD处的光程。

　　将信号隔直、乘方,并去除高频载波信号,得到测量信号与参考信号分别为如下形式(简化处理,假设电场E的幅值均为A)

　　干涉仪系统的合成波长为λS=277·8mm,因而相位测量与距离的关系为0·77mm/1°(277·8mm/360°)。所以要达到0·1mm的绝对距离测量精度相应的相位测量精度应为0·1°

　　三、信号处理电路

　　根据前面的分析,要实现相位0.1度的测量精度,电路的设计是十分重要的,不仅选择噪声小的器件,还要合理地布线与屏蔽。这是因为在光纤超外差干涉测量方案中由于光纤的使用使光强变弱,接收到的信号较小,信噪比(S/N)差的原因。超外差干涉系统的有关参数见表1。