基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置

摘要

本专利公开了一种基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置。它包括三片反射镜，四块不同形状和大小的特殊棱镜，四分之一波片，三角棱镜，一维压电位移台，两块沃拉斯顿偏振器，两片会聚透镜，四个单元探测器组成，能够将先后两次入射的有微小频率差的单纵模或多纵模平行激光束分成四束相对能量依入射光频率不同而不同的出射光，再用四个单元探测器同时探测每束出射光的能量，把两次入射光对应的四个通道能量探测出来就可以反演出两入射光的频率差。本系统的优点在于：结构紧凑，光程差可粗调也可精细扫描，探测精度高，能够使用多纵模激光入射，对探测器要求较低，特别适合于车载、机载等基于移动平台的各种多普勒激光雷达鉴频系统。

主权项

一种基于马赫曾德干涉仪的激光鉴频装置，包括第一反射镜(1)，第二反射镜(4)，第三反射镜(7)，第一特殊棱镜(2)，第二特殊棱镜(3)，第三特殊棱镜(8)，第四特殊棱镜(9)，三角棱镜(6)，一维压电位移台(5)，四分之一波片(10)，第一沃拉斯顿偏振器(11)，第二沃拉斯顿偏振器(12)，第一会聚透镜(13)，第二会聚透镜(14)，第一单元探测器(15)，第二单元探测器(16)，第三单元探测器(17)和第四单元探测器(18)；其特征在于：所述的第一反射镜(1)、第二反射镜(4)、第三反射镜(7)、三角棱镜(6)、四分之一波片(10)的高度不超过第一特殊棱镜(2)、第二特殊棱镜(3)、第三特殊棱镜(8)、第四特殊棱镜(9)中最低高度的一半；所述的三角棱镜(6)下方装有用以精确控制和扫描激光鉴频装置光程差的一维压电位移台(5)；平行入射的参考激光或被检激光光束经与入射光轴成45°放置的第一反射镜(1)反射后垂直入射进入第一特殊棱镜(2)，在第一特殊棱镜(2)的紧挨第二特殊棱镜(3)的且被部分镀以半透半反膜的面上，含有参考激光或被检激光50％光能量的光束透过此面直达四分之一波片(10)并透过四分之一波片(10)，而另外含有参考激光或被检激光50％光能量的光在此反射回第一特殊棱镜(2)内部，并在与被部分镀以半透半反膜的面平行的另一个面再次被反射，反射光再透过第一特殊棱镜(2)和第二特殊棱镜(3)，到达与此处光轴成45°角放置的反射镜(4)并被反射到三角棱镜(6)，在三角棱镜(6)中经历两次内反射后出射到与此处光轴成45°放置的第三反射镜(7)，被第三反射镜(7)反射的光遭遇并透过第三特殊棱镜(8)到达第四特殊棱镜(9)，这时从四分之一波片(10)出射的含有50％参考激光或被检激光能量的光束与从第三特殊棱镜出射的同样含有50％参考激光或被检激光能量的光束相互平行，它们垂直入射到特殊棱镜(9)，被第四特殊棱镜(9)抬升一定高度后沿入射光轴出射，出射方向与入射方向相反，出射的两束光位置高于四分之一波片(10)、第一反射镜(1)、第二反射镜(4)和第三反射镜(7)的最高高度而低于第三特殊棱镜(8)、第二特殊棱镜(3)、第一特殊棱镜(2)的最高高度，因此两束光经特殊棱镜(9)出射后其中一束将通过四分之一波片(10)的上方直接到达第二特殊棱镜(3)，另一束将经历第三特殊棱镜(8)到达第二特殊棱镜(3)；从四分之一波片(10)上方入射到第二特殊棱镜(3)的光束穿过第二特殊棱镜(3)后到达第一特殊棱镜(2)的被部分镀了半透半反膜的面后被再次分光，含有参考激光或被检激光25％的能量的光透过此面并经历第一特殊棱镜(2)再到达第二沃拉斯顿偏振器(12)，被第二沃拉斯顿偏振器(12)分成两束出射方向不一样的含有不同偏振分量的平行光，一束斜向上另一束斜向下，两平行光经过第二会聚透镜(14)被聚焦到其焦平面上的两点，以上下对齐的第二单元探测器(16)和第四单元探测器(18)接收焦平面上的光斑能量；在第一特殊棱镜(2)的部分镀有半透半反膜的面上，含有参考光或被检光25％的能量的光从该面反射后，经历第二特殊棱镜(3)，被其与第一特殊棱镜(2)紧挨的面平行的另一个面反射并再次经历第二特殊棱镜(3)，出射到第一沃拉斯顿偏振器(11)前，被第一沃拉斯顿偏振器(11)分成两束斜出射的含有不同偏振分量的平行光，这两束光被第一会聚透镜(13)会聚到达第一会聚透镜(13)的焦平面上，光斑落在上下对齐放置的第一单元探测器(15)和第三单元探测器(17)上；经历第三特殊棱镜(8)到达第二特殊棱镜(3)的光束穿过第二特殊棱镜(3)，在第一特殊棱镜(2)的与两特殊棱镜接合面平行的另一面处反射一次到达第一特殊棱镜(2)的部分镀有半透半反膜的面上，在此面上含有参考激光或被检激光25％光能量的光透过此面到达与两棱镜接合面平行的第二特殊棱镜(3)的一面并被反射，反射光束出射第二特殊棱镜(3)到达第一沃拉斯顿偏振器(11)，它也会被分成两束方向不同含有不同偏振光分量的斜出射平行光束并被第一会聚透镜(13)聚焦到其焦平面的第一单元探测器(15)和第三单元探测器(17)上；在第一特殊棱镜(2)的部分镀有半透半反膜的面处还有含有参考激光或被检激光25％光能量的光被反射并出射第一特殊棱镜(2)到达第二沃拉斯顿偏振器(12)，被第二沃拉斯顿偏振器(12)分成两束方向不同的含有不同偏振分量的斜出射平行光，这两束平行光再经第二会聚透镜(14)分别到达其焦平面上的第二单元探测器(16)和第四单元探测器(18)上；激光鉴频装置的光程差L为进入三角棱镜(6)并两次透过第三特殊棱镜(8)的一束光与经过四分之一波片(10)一次的一束光之间的光程差，前者光程为第一特殊棱镜(2)和第二特殊棱镜(3)接合面处反射的含有50％入射光能量的光束依次经历第一特殊棱镜(2)、第二特殊棱镜(3)、第二反射镜(4)、三角棱镜(6)、第三反射镜(7)、第三特殊棱镜(8)、第四特殊棱镜(9)、第三特殊棱镜(8)、第二特殊棱镜(3)、第一特殊棱镜(2)后再次到达前述接合面处的光程，后者光程为在前述分界面处透射的含有50％入射光能量的一束平行光，经历四分之一波片(10)、第四特殊棱镜(9)、第二特殊棱镜(3)再次到达前述接合面处的光程，上述所有在棱镜中的光程要乘以棱镜材料的折射率计入总光程中；单纵模激光鉴频时，首先向所述的激光鉴频装置发射一束已知频率的参考单纵模激光束，由四个单元探测器获取四个光强对应的电压值；然后向所述的激光鉴频装置发射一束与参考光频率相差不到一个激光鉴频装置自由光谱范围的被检单纵模激光束，其中c为真空中的光速，由四个单元探测器获取四个光强对应的电压值；在四个参考光光强检测过程中，扫描参考光频率，这四个参考光光强电压值会形成四条彼此相隔π/2相位的四条正弦曲线，根据四个探测器得到的参考光和被检光对应的8个电压值在四条正弦曲线中的相对位置关系，可以推算出两者间的光频率差，进而获得被检光的频率；多纵模激光鉴频时，当入射的参考激光和被检激光是多纵模激光时，若此多纵模激光的自由光谱范围FSR_laser和本激光鉴频装置的FSR_sys相同，则仍然可以用本装置检测多纵模激光的频移，鉴频方法不变，若此多纵模激光的自由光谱范围和本激光鉴频装置的FSR_sys不同，则可以通过调节压电位移台来改变激光鉴频装置的光程差L，从而使FSR_sys变得与FSR_laser相同，这样仍然可以使用本激光鉴频装置鉴频。