一种双波长共光路激光干涉测量装置及方法与流程

1.本发明属于激光测量技术领域，具体涉及一种双波长共光路激光干涉测量装置，还涉及一种双波长共光路激光干涉测量方法。


背景技术：

2.激光干涉测量技术由于高测量准确性且可溯源至激光波长，分辨力高等特点，已被广泛用于测量物体或材料的线膨胀与变形。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、德国联邦物理技术研究院等。在进行激光干涉测量时，激光波长会受到空气折射率的影响而产生误差。激光波长的空气折射率主要受空气温度、湿度、大气压力、二氧化碳浓度等参数的影响。由于无法保证上述空气参数在激光传播路径上的均匀一致，所以准确测量激光干涉时的空气折射率难以实现。在激光干涉测量技术领域，如何减少甚至克服空气折射率的影响一直是国内外研究者非常重视的问题。
3.双波长激光干涉测量技术是用于实时修正空气折射率对激光干涉测量结果影响一种方法。该方法同时使用两种不同波长λ1和λ2的激光进行干涉测量，获得实时位移测量值l1和l2，通过引入色散系数a来获得空气折射率的实时补偿，待测位移l与两种波长的位移测量值有以下关系：
4.l＝l1-a(l2-l1)
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(1)
5.式(1)中的色散系数a与波长λ1和λ2有关，且主要受湿度影响，但通常测量条件下这个影响并不显著，所以在测量过程中可以被假定为一个常数。通过双波长激光干涉测量技术，在已知色散系数a的条件下，可以降低空气折射率对激光干涉测量结果的影响。
6.而现有的激光干涉测量装置，如迈克尔逊干涉仪、斐索干涉仪等，在测量物体或材料的线膨胀与变形时存在以下缺点：1.测量臂光束与参考臂光束在空间上分布错位，两者受空气湍流的影响差别较大，使空气折射率引入的激光干涉测量误差显著，装置抗干扰性差；2.无法适用于双波长激光同时进行干涉测量，即无法使用双波长激光干涉测量技术来提升测量准确性。
7.为了解决上述缺点，本发明提出了一种抗空气环境干扰的双波长激光干涉测量装置和方法。该测量装置和方法可适用于两种不同波长同时进行干涉测量，且具有准共光路和对称分布式的系统结构，使测量臂光束和参考臂光束受空气湍流的影响基本一致，从而降低空气环境干扰，提高干涉测量精度。


技术实现要素：

8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
9.一种双波长共光路激光干涉测量装置，包括宽带平面反射镜、第一宽带偏振分束镜、第一宽带直角棱镜、宽带1/2波片、第二宽带偏振分束镜、第二宽带直角棱镜、第一宽带1/4波片、第二宽带1/4波片、第三宽带直角棱镜、第三宽带偏振分束镜、宽带角锥棱镜、第四
宽带偏振分束镜、第四宽带直角棱镜、第三宽带1/4波片、第四宽带1/4波片、第五宽带直角棱镜、第五宽带偏振分束镜、第一光电探测器、第一偏振片、第一滤光片、第二光电探测器、第二偏振片、第二滤光片、二向色镜、激光器；
10.以长方体待测试样为中心说明各部分位置关系：与长方体待测试样右端面平行上下并排设置第三宽带1/4波片和第二宽带1/4波片，在第三宽带1/4波片和第二宽带1/4波片右侧且与第三宽带1/4波片和第二宽带1/4波片右侧面平行从上到下并排放置第四宽带直角棱镜、第四宽带偏振分束镜、第三宽带偏振分束镜和第三宽带直角棱镜，所述第四宽带直角棱镜直角边与第四宽带偏振分束镜上侧面、第四宽带偏振分束镜下侧面、第三宽带直角棱镜直角边平行；在第四宽带偏振分束镜和第三宽带偏振分束镜的右侧并排设置有宽带角锥棱镜，所述宽带角锥棱镜的斜边与第四宽带偏振分束镜和第三宽带偏振分束镜的右侧面平行；
11.与长方体待测试样左端面平行上下并排设置第四宽带1/4波片和第一宽带1/4波片，在第四宽带1/4波片和第一宽带1/4波片左侧且与第四宽带1/4波片和第一宽带1/4波片左侧面平行从上到下并排放置第五宽带直角棱镜、第五宽带偏振分束镜、第二宽带偏振分束镜和第二宽带直角棱镜，所述第五宽带直角棱镜直角边与第五宽带偏振分束镜上侧面、第二宽带偏振分束镜下侧面、第二宽带直角棱镜直角边平行；在第二宽带偏振分束镜左侧设置有宽带1/2波片，所述第二宽带偏振分束镜左侧面与宽带1/2波片右侧面平行，所述宽带1/2波片左侧从上到下并排设置有第一宽带偏振分束镜、第一宽带直角棱镜，所述第一宽带直角棱镜一直角边与宽带1/2波片左侧面平行，所述第一宽带直角棱镜另一直角边与第一宽带偏振分束镜下侧面平行；
12.所述第五宽带直角棱镜与所述第四宽带直角棱镜左右并排且镜像设置，所述第一宽带偏振分束镜、第五宽带偏振分束镜、第四宽带1/4波片、第三宽带1/4波片、第四宽带偏振分束镜左右并排排列，其中所述第五宽带偏振分束镜、第四宽带1/4波片和第三宽带1/4波片、第四宽带偏振分束镜左右镜像设置；所述第一宽带直角棱镜、宽带1/2波片、第二宽带偏振分束镜、第一宽带1/4波片、第二宽带1/4波片、第三宽带偏振分束镜左右并排排列，其中第二宽带偏振分束镜、第一宽带1/4波片和第二宽带1/4波片、第三宽带偏振分束镜左右镜像设置；所述第二宽带直角棱镜、第三宽带直角棱镜左右并排且镜像设置；所述第一宽带偏振分束镜左侧设置有宽带平面反射镜，所述宽带平面反射镜上侧依次设置有二向色镜、第二滤光片、第二偏振片、第二光电探测器，所述二向色镜右侧依次设置有第一滤光片、第一偏振片、第一光电探测器；
13.所述宽带平面反射镜、第一宽带偏振分束镜、第一宽带直角棱镜、宽带1/2波片、第二宽带偏振分束镜、第二宽带直角棱镜、第一宽带1/4波片、第二宽带1/4波片、第三宽带直角棱镜、第三宽带偏振分束镜、宽带角锥棱镜、第四宽带偏振分束镜、第四宽带直角棱镜、第三宽带1/4波片、第四宽带1/4波片、第五宽带直角棱镜、第五宽带偏振分束镜能够同时满足λ1和λ2两种激光成分的传输；
14.具体光路连接如下：
15.激光器共光路发射包含波长为λ1和λ2的激光光束，激光光束经第一宽带偏振分束镜分为两束，透过所述第一宽带偏振分束镜的光束为测量光束，被所述第一宽带偏振分束镜反射的光束为参考光束；
16.所述测量光束依次透过第五宽带偏振分束镜、第四宽带1/4波片，被长方体待测试样左端面反射，然后再次透过第四宽带宽带1/4波片，所述测量光束偏振方向旋转90
°
，所述测量光束被第五宽带偏振分束镜反射，然后测量光束依次被第五宽带直角棱镜、第四宽带直角棱镜、第四宽带偏振分束镜反射后透过第三宽带1/4波片，被长方体待测试样右端面反射后再次透过第三宽带1/4波片，所述测量光束偏振方向旋转90
°
，测量光束透过第四宽带偏振分束镜，所述测量光束进入宽带角锥棱镜后被转折反射回来，依次透过第三宽带偏振分束镜、第二宽带1/4波片，被长方体待测试样右端面反射后再次透过第二宽带1/4波片，测量光束偏振方向旋转90
°
，所述测量光束被第三宽带偏振分束镜反射；然后依次被第三宽带直角棱镜、第二宽带直角棱镜、第二宽带偏振分束镜反射后透过第一宽带1/4波片，被长方体待测试样左端面反射回来再次透过第一宽带1/4波片，测量光束偏振方向旋转90
°
，所述测量光束依次透过第二宽带偏振分束镜、宽带1/2波片，所述测量光束偏振方向再次旋转90
°
，然后依次被第一宽带直角棱镜、第一宽带偏振分束镜、宽带平面反射镜反射到二向色镜；在二向色镜处，测量光束中波长成分为λ1的激光被反射，然后依次透过第一滤光片、第一偏振片，进入第一光电探测器；在二向色镜处，所述测量光束中波长成分为λ2的激光透过二向色镜，然后依次透过第二滤光片、第二偏振片，进入第二光电探测器；
17.所述参考光束被第一宽带直角棱镜反射后透过宽带1/2波片，所述参考光束偏振方向旋转90
°
，然后依次透过第二宽带偏振分束镜、第一宽带1/4波片和第二宽带1/4波片，所述参考光束偏振方向旋转90
°
，参考光束被第三宽带偏振分束镜反射，然后所述参考光束依次被第三宽带直角棱镜、第二宽带直角棱镜、第二宽带偏振分束镜反射后，再次透过第一宽带1/4波片和第二宽带1/4波片，所述参考光束偏振方向旋转90
°
，参考光束透过第三宽带偏振分束镜进入角锥棱镜后被转折反射回来，然后所述参考光束依次透过第四宽带偏振分束镜、第三宽带1/4波片、第四宽带1/4波片，所述参考光束偏振方向旋转90
°
，参考光束被第五宽带偏振分束镜反射；然后参考光束依次被第五宽带直角棱镜、第四宽带直角棱镜、第四宽带偏振分束镜反射，然后所述参考光束再次透过第三宽带1/4波片和第四宽带1/4波片，偏振方向旋转90
°
，参考光束依次透过第五宽带偏振分束镜、第一宽带偏振分束镜；然后参考光束被宽带平面反射镜反射到二向色镜；在二向色镜处，所述参考光束中波长成分为λ1的激光被反射，然后依次透过第一滤波片、第一偏振片，进入第一光电探测器；在二向色镜处，所述参考光束中波长成分为λ2的激光透过二向色镜，然后依次透过第二滤波片、第二偏振片，进入第二光电探测器；
18.所述测量光束中波长成分为λ1的激光与所述参考光束中波长成分为λ1的激光在第一宽带偏振分束镜处相遇，经过第一偏振片后发生干涉，干涉信号由第一光电探测器接收。
19.所述测量光束中波长成分为λ2的激光与所述参考光束中波长成分为λ2的激光在第一宽带偏振分束镜处相遇，经过第二偏振片后发生干涉，干涉信号由第二光电探测器接收。
20.优选的，所述宽带角锥棱镜可替换成宽带中空回射器或两个垂直摆放的宽带平面反射镜。
21.优选的，所述的第一宽带直角棱镜、第二宽带直角棱镜、第三宽带直角棱镜、第四宽带直角棱镜、第五宽带直角棱镜可由宽带平面反射镜替代。
22.优选的，所述的宽带1/2波片可由满足λ1和λ2两种激光成分传输的多阶1/2波片替
代。
23.优选的，所述第一宽带1/4波片、第二宽带1/4波片、第三宽带1/4波片、第四宽带1/4波片可由满足λ1和λ2两种激光成分传输的多阶1/4波片替代。
24.本发明还在于提供一种基于双波长共光路激光干涉测量方法，包括以下步骤：
25.步骤(1)：打开激光器，使激光器共光路发出包含波长为λ1和λ2的激光光束；
26.步骤(2)：第一光电探测器接收波长为λ1的激光干涉信号，计算空气环境干扰下λl激光测得的长方体待测样品长度变化l1，第二光电探测器接收λ2干涉信号，计算空气环境干扰下λ2激光测得的长方体待测样品长度变化l2；
27.步骤(3)：将l1和l2代入公式l＝l
1-a(l
2-l1)计算长方体待测样品长度变化量l。
28.本发明的有益效果：本发明所述测量装置和测量方法通过优化光路设计，实现两种不同波长的λ1和λ2激光共光路发射和测量光束与参考光束空间上相对于长方体待测试样的对称布置，其中测量光束在长方体待测样品的两个端面各反射4次，参考光束在被测试样的旁边经过6次，使两者受空气湍流的影响基本一致，在一定程度上消除了测试环境的影响，因此装置的抗空气环境干扰性较好。
附图说明
29.图1波长共光路激光干涉测量装置；
30.图2测量光束光路设计；
31.图3参考光束光路设计；
32.图中：1.宽带平面反射镜2.第一宽带偏振分束镜3.第一宽带直角棱镜4.宽带1/2波片5.第二宽带偏振分束镜6.第二宽带直角棱镜7.第一宽带1/4波片8.长方体待测试样9.第二宽带1/4波片10.第三宽带直角棱镜11.第三宽带偏振分束镜12.宽带角锥棱镜13.第四宽带偏振分束镜14.第四宽带直角棱镜15.第三宽带1/4波片16.第四宽带1/4波片17.第五宽带直角棱镜18.第五宽带偏振分束镜19.第一光电探测器20.第一偏振片21.第一滤光片22.第二光电探测器23.第二偏振片24.第二滤光片25.二向色镜26.激光器。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明做详细说明。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.实施例
35.该实施例测试环境为：20
±
3℃一般实验环境，测试对象为：100mm的二等不锈钢量块。使用的激光器是能共光路发射λ1＝1064nm和λ2＝532nm的激光器。
36.该实施例中的双波长共光路激光干涉测量装置，包括宽带平面反射镜1、第一宽带偏振分束镜2、第一宽带直角棱镜3、宽带1/2波片4、第二宽带偏振分束镜5、第二宽带直角棱镜6、第一宽带1/4波片7、第二宽带1/4波片9、第三宽带直角棱镜10、第三宽带偏振分束镜
11、宽带角锥棱镜12、第四宽带偏振分束镜13、第四宽带直角棱镜14、第三宽带1/4波片15、第四宽带1/4波片16、第五宽带直角棱镜17、第五宽带偏振分束镜18、第一光电探测器19、第一偏振片20、第一滤光片21、第二光电探测器22、第二偏振片23、第二滤光片24、二向色镜25、激光器26；
37.以100mm的二等不锈钢量块作为长方体待测试样8。以该长方体待测试样8为中心说明各部分位置关系：在长方体待测试样8右端面平行上下并排设置第三宽带1/4波片15和第二宽带1/4波片9，在第三宽带1/4波片15和第二宽带1/4波片9右侧且与第三宽带1/4波片15和第二宽带1/4波片9右侧面平行从上到下并排放置第四宽带直角棱镜14、第四宽带偏振分束镜13、第三宽带偏振分束镜11和第三宽带直角棱镜10，第四宽带直角棱镜14直角边与第四宽带偏振分束镜13上侧面、第四宽带偏振分束镜13下侧面、第三宽带直角棱镜10直角边平行；在第四宽带偏振分束镜13和第三宽带偏振分束镜11的右侧并排设置有宽带角锥棱镜12，宽带角锥棱镜12的斜边与第四宽带偏振分束镜13和第三宽带偏振分束镜11的右侧面平行；
38.与长方体待测试样8左端面平行上下并排设置第四宽带1/4波片16和第一宽带1/4波片7，在第四宽带1/4波片16和第一宽带1/4波片7左侧且与第四宽带1/4波片16和第一宽带1/4波片7左侧面平行从上到下并排放置第五宽带直角棱镜17、第五宽带偏振分束镜18、第二宽带偏振分束镜5和第二宽带直角棱镜6，第五宽带直角棱镜17直角边与第五宽带偏振分束镜18上侧面、第二宽带偏振分束镜5下侧面、第二宽带直角棱镜6直角边平行；在第二宽带偏振分束镜5左侧设置有宽带1/2波片4，第二宽带偏振分束镜5左侧面与宽带1/2波片4右侧面平行，在宽带1/2波片4左侧从上到下并排设置有第一宽带偏振分束镜2、第一宽带直角棱镜3，第一宽带直角棱镜3一直角边与宽带1/2波片4左侧面平行，第一宽带直角棱镜3另一直角边与第一宽带偏振分束镜2下侧面平行；
39.第五宽带直角棱镜17与第四宽带直角棱镜14左右并排且镜像设置，第一宽带偏振分束镜2、第五宽带偏振分束镜18、第四宽带1/4波片16、第三宽带1/4波片15、第四宽带偏振分束镜13左右并排排列，其中第五宽带偏振分束镜18、第四宽带1/4波片16和第三宽带l/4波片15、第四宽带偏振分束镜13左右镜像设置；第一宽带直角棱镜3、宽带1/2波片4、第二宽带偏振分束镜5、第一宽带1/4波片7、第二宽带1/4波片9、第三宽带偏振分束镜11左右并排排列，其中第二宽带偏振分束镜5、第一宽带1/4波片7和第二宽带1/4波片9、第三宽带偏振分束镜11左右镜像设置；第二宽带直角棱镜6、第三宽带直角棱镜10左右并排且镜像设置；
40.第一宽带偏振分束镜2左侧设置有宽带反射镜1，所述宽带反射镜1上侧依次设置有二向色镜25、第二滤光片24、第二偏振片23、第二光电探测器22，所述二向色镜25右侧依次设置有第一滤光片21、第一偏振片20、第一光电探测器19；
41.宽带反射镜1、第一宽带偏振分束镜2、第一宽带直角棱镜3、宽带1/2波片4、第二宽带偏振分束镜5、第二宽带直角棱镜6、第一宽带1/4波片7、第二宽带1/4波片9、第三宽带直角棱镜10、第三宽带偏振分束镜11、宽带角锥棱镜12、第四宽带偏振分束镜13、第四宽带直角棱镜14、第三宽带1/4波片15、第四宽带1/4波片16、第五宽带直角棱镜17、第五宽带偏振分束镜18能够同时满足λ1和λ2两种激光成分的传输；
42.具体光路连接为：
43.激光器26共光路发射包含波长为λ1和λ2的激光光束，激光光束经第一宽带偏振分
束镜2分为两束，其中透过第一宽带偏振分束镜2的光束为测量光束，被第一宽带偏振分束镜2反射的光束为参考光束；
44.测量光束依次透过第五宽带偏振分束镜18、第四宽带1/4波片16，被长方体待测试样8左端面反射，然后再次透过第四宽带1/4波片16，测量光束偏振方向旋转90
°
，测量光束被第五宽带偏振分束镜18反射，然后测量光束依次被第五宽带直角棱镜17、第四宽带直角棱镜14、第四宽带偏振分束镜13反射后透过第三宽带1/4波片15，被长方体待测试样8右端面反射后再次透过第三宽带1/4波片15，测量光束偏振方向旋转90
°
，测量光束透过第四宽带偏振分束镜13，测量光束进入宽带角锥棱镜12后被转折反射回来，依次透过第三宽带偏振分束镜11、第二宽带1/4波片9，被长方体待测试样8右端面反射后再次透过第二宽带1/4波片9，测量光束偏振方向旋转90
°
，测量光束被第三宽带偏振分束镜11反射；然后依次被第三宽带直角棱镜10、第二宽带直角棱镜6、第二宽带偏振分束镜5反射后透过第一宽带1/4波片7，被长方体待测试样8左端面反射回来再次透过第一宽带1/4波片7，测量光束偏振方向旋转90
°
，测量光束依次透过第二宽带偏振分束镜5、宽带1/2波片4，测量光束偏振方向再次旋转90
°
，然后依次被第一宽带直角棱镜3、第一宽带偏振分束镜2、宽带平面反射镜1反射到二向色镜25；在二向色镜25处，测量光束中波长成分为λ1的激光被反射，然后依次透过第一滤光片21、第一偏振片20，进入第一光电探测器19；在二向色镜25处，测量光束中波长成分为λ2的激光透过二向色镜25，然后依次透过第二滤光片24、第二偏振片23，进入第二光电探测器22；
45.参考光束被第一宽带直角棱镜3反射后透过宽带l/2波片4，参考光束偏振方向旋转90
°
，然后依次透过第二宽带偏振分束镜5、第一宽带1/4波片7和第二宽带1/4波片9，参考光束偏振方向旋转90
°
，参考光束被第三宽带偏振分束镜11反射，然后参考光束依次被第三宽带直角棱镜10、第二宽带直角棱镜6、第二宽带偏振分束镜5反射后，再次透过第一宽带1/4波片7和第二宽带1/4波片9，参考光束偏振方向旋转90
°
，参考光束透过第三宽带偏振分束镜11进入角锥棱镜12后被转折反射回来，然后参考光束依次透过第四宽带偏振分束镜13、第三宽带1/4波片15、第四宽带1/4波片16，参考光束偏振方向旋转90
°
，参考光束被第五宽带偏振分束镜18反射；然后参考光束依次被第五宽带直角棱镜17、第四宽带直角棱镜14、第四宽带偏振分束镜13反射，然后参考光束再次透过第三宽带1/4波片15和第四宽带1/4波片16，偏振方向旋转90
°
，参考光束依次透过第五宽带偏振分束镜18、第一宽带偏振分束镜2；然后参考光束被宽带平面反射镜1反射到二向色镜25；在二向色镜25处，参考光束中波长成分为λ1的激光被反射，然后依次透过第一滤波片21、第一偏振片20，进入第一光电探测器19；在二向色镜25处，参考光束中波长成分为λ2的激光透过二向色镜25，然后依次透过第二滤波片24、第二偏振片23，进入第二光电探测器22；
46.测量光束中波长成分为λ1的激光与参考光束中波长成分为λ1的激光在第一宽带偏振分束镜2处相遇，经过第一偏振片20后发生干涉，干涉信号由第一光电探测器19接收。
47.测量光束中波长成分为λ2的激光与参考光束中波长成分为λ2的激光在第一宽带偏振分束镜2处相遇，经过第二偏振片23后发生干涉，干涉信号由第二光电探测器22接收。
48.其中，宽带角锥棱镜12替换成宽带中空回射器或两个垂直摆放的宽带平面反射镜。第一宽带直角棱镜3、第二宽带直角棱镜6、第三宽带直角棱镜10、第四宽带直角棱镜14、第五宽带直角棱镜17可由宽带平面反射镜替代。宽带1/2波片4可由满足λ1和λ2两种激光成
分传输的多阶1/2波片替代。第一宽带1/4波片7、第二宽带1/4波片9、第三宽带1/4波片15、第四宽带1/4波片16可由满足λ1和λ2两种激光成分传输的多阶1/4波片替代。
49.基于该双波长共光路激光干涉测量装置的测量方法为：
50.步骤(1)：打开激光器26，使激光器26共光路发出包含波长为λ1和λ2的激光光束；
51.步骤(2)：第一光电探测器19接收波长为λ1的激光干涉信号，计算空气环境干扰下λ1激光测得的长方体待测样品8长度变化l1，第二光电探测器19接收λ2干涉信号，计算空气环境干扰下λ2激光测得的长方体待测样品8长度变化l2；
52.步骤(3)：将l1和l2代入公式l＝l
1-a(l
2-l1)计算长方体待测样品8长度变化量l。
53.该100mm的二等不锈钢量块使用传统迈克尔逊激光干涉装置(keysight 5517b)进行测量，在空气湍流的影响下，由试验得到的测量结果在1小时内变化为8.5μm。本发明采用两种波长的激光共光路测量：λ1为1064nm，λ2为532nm，其中λ1激光的测量结果在1小时内变化为5.4μm，λ2激光的测量结果在1小时内变化为5.2μm，使用公式(1)所描述双波长激光干涉技术实时处理后的测量结果在1小时内变化为1.1μm，结果表明，本发明能够有效减少使用激光干涉测量物体线膨胀与变形时空气环境的干扰。

技术特征：
1.一种双波长共光路激光干涉测量装置，其特征在于，包括宽带平面反射镜(1)、第一宽带偏振分束镜(2)、第一宽带直角棱镜(3)、宽带1/2波片(4)、第二宽带偏振分束镜(5)、第二宽带直角棱镜(6)、第一宽带1/4波片(7)、第二宽带1/4波片(9)、第三宽带直角棱镜(10)、第三宽带偏振分束镜(11)、宽带角锥棱镜(12)、第四宽带偏振分束镜(13)、第四宽带直角棱镜(14)、第三宽带1/4波片(15)、第四宽带1/4波片(16)、第五宽带直角棱镜(17)、第五宽带偏振分束镜(18)、第一光电探测器(19)、第一偏振片(20)、第一滤光片(21)、第二光电探测器(22)、第二偏振片(23)、第二滤光片(24)、二向色镜(25)、激光器(26)；以长方体待测试样(8)为中心说明各部分位置关系：与长方体待测试样(8)右端面平行上下并排设置第三宽带1/4波片(15)和第二宽带1/4波片(9)，在第三宽带1/4波片(15)和第二宽带1/4波片(9)右侧且与第三宽带1/4波片(15)和第二宽带1/4波片(9)右侧面平行从上到下并排放置第四宽带直角棱镜(14)、第四宽带偏振分束镜(13)、第三宽带偏振分束镜(11)和第三宽带直角棱镜(10)，所述第四宽带直角棱镜(14)直角边与第四宽带偏振分束镜(13)上侧面、第四宽带偏振分束镜(13)下侧面、第三宽带直角棱镜(10)直角边平行；在第四宽带偏振分束镜(13)和第三宽带偏振分束镜(11)的右侧并排设置有宽带角锥棱镜(12)，所述宽带角锥棱镜(12)的斜边与第四宽带偏振分束镜(13)和第三宽带偏振分束镜(11)的右侧面平行；与长方体待测试样(8)左端面平行上下并排设置第四宽带1/4波片(16)和第一宽带1/4波片(7)，在第四宽带1/4波片(16)和第一宽带1/4波片(7)左侧且与第四宽带1/4波片(16)和第一宽带1/4波片(7)左侧面平行从上到下并排放置第五宽带直角棱镜(17)、第五宽带偏振分束镜(18)、第二宽带偏振分束镜(5)和第二宽带直角棱镜(6)，所述第五宽带直角棱镜(17)直角边与第五宽带偏振分束镜(18)上侧面、第二宽带偏振分束镜(5)下侧面、第二宽带直角棱镜(6)直角边平行；在第二宽带偏振分束镜(5)左侧设置有宽带1/2波片(4)，所述第二宽带偏振分束镜(5)左侧面与宽带1/2波片(4)右侧面平行，所述宽带1/2波片(4)左侧从上到下并排设置有第一宽带偏振分束镜(2)、第一宽带直角棱镜(3)，所述第一宽带直角棱镜(3)一直角边与宽带1/2波片(4)左侧面平行，所述第一宽带直角棱镜(3)另一直角边与第一宽带偏振分束镜(2)下侧面平行；所述第五宽带直角棱镜(17)与所述第四宽带直角棱镜(14)左右并排且镜像设置，所述第一宽带偏振分束镜(2)、第五宽带偏振分束镜(18)、第四宽带1/4波片(16)、第三宽带1/4波片(15)、第四宽带偏振分束镜(13)左右并排排列，其中所述第五宽带偏振分束镜(18)、第四宽带1/4波片(16)和第三宽带1/4波片(15)、第四宽带偏振分束镜(13)左右镜像设置；所述第一宽带直角棱镜(3)、宽带1/2波片(4)、第二宽带偏振分束镜(5)、第一宽带1/4波片(7)、第二宽带1/4波片(9)、第三宽带偏振分束镜(11)左右并排排列，其中第二宽带偏振分束镜(5)、第一宽带1/4波片(7)和第二宽带1/4波片(9)、第三宽带偏振分束镜(11)左右镜像设置；所述第二宽带直角棱镜(6)、第三宽带直角棱镜(10)左右并排且镜像设置；所述第一宽带偏振分束镜(2)左侧设置有宽带平面反射镜(1)，所述宽带平面反射镜(1)上侧依次设置有二向色镜(25)、第二滤光片(24)、第二偏振片(23)、第二光电探测器(22)，所述二向色镜(25)右侧依次设置有第一滤光片(21)、第一偏振片(20)、第一光电探测器(19)；所述宽带平面反射镜(1)、第一宽带偏振分束镜(2)、第一宽带直角棱镜(3)、宽带1/2波
片(4)、第二宽带偏振分束镜(5)、第二宽带直角棱镜(6)、第一宽带1/4波片(7)、第二宽带1/4波片(9)、第三宽带直角棱镜(10)、第三宽带偏振分束镜(11)、宽带角锥棱镜(12)、第四宽带偏振分束镜(13)、第四宽带直角棱镜(14)、第三宽带1/4波片(15)、第四宽带1/4波片(16)、第五宽带直角棱镜(17)、第五宽带偏振分束镜(18)能够同时满足λ1和λ2两种激光成分的传输。2.根据权利要求1所述双波长共光路激光干涉测量装置，其特征在于，具体光路连接如下：激光器(26)共光路发射包含波长为λ1和λ2的激光光束，激光光束经第一宽带偏振分束镜(2)分为两束，透过所述第一宽带偏振分束镜(2)的光束为测量光束，被所述第一宽带偏振分束镜(2)反射的光束为参考光束；所述测量光束依次透过第五宽带偏振分束镜(18)、第四宽带1/4波片(16)，被长方体待测试样(8)左端面反射，然后再次透过第四宽带宽带1/4波片(16)，所述测量光束偏振方向旋转90
°
，所述测量光束被第五宽带偏振分束镜(18)反射，然后测量光束依次被第五宽带直角棱镜(17)、第四宽带直角棱镜(14)、第四宽带偏振分束镜(13)反射后透过第三宽带1/4波片(15)，被长方体待测试样(8)右端面反射后再次透过第三宽带1/4波片(15)，所述测量光束偏振方向旋转90
°
，测量光束透过第四宽带偏振分束镜(13)，所述测量光束进入宽带角锥棱镜(12)后被转折反射回来，依次透过第三宽带偏振分束镜(11)、第二宽带1/4波片(9)，被长方体待测试样(8)右端面反射后再次透过第二宽带1/4波片(9)，测量光束偏振方向旋转90
°
，所述测量光束被第三宽带偏振分束镜(11)反射；然后依次被第三宽带直角棱镜(10)、第二宽带直角棱镜(6)、第二宽带偏振分束镜(5)反射后透过第一宽带1/4波片(7)，被长方体待测试样(8)左端面反射回来再次透过第一宽带1/4波片(7)，测量光束偏振方向旋转90
°
，所述测量光束依次透过第二宽带偏振分束镜(5)、宽带1/2波片(4)，所述测量光束偏振方向再次旋转90
°
，然后依次被第一宽带直角棱镜(3)、第一宽带偏振分束镜(2)、宽带平面反射镜(1)反射到二向色镜(25)；在二向色镜(25)处，测量光束中波长成分为λl的激光被反射，然后依次透过第一滤光片(21)、第一偏振片(20)，进入第一光电探测器(19)；在二向色镜(25)处，所述测量光束中波长成分为λ2的激光透过二向色镜(25)，然后依次透过第二滤光片(24)、第二偏振片(23)，进入第二光电探测器(22)；所述参考光束被第一宽带直角棱镜(3)反射后透过宽带1/2波片(4)，所述参考光束偏振方向旋转90
°
，然后依次透过第二宽带偏振分束镜(5)、第一宽带1/4波片(7)和第二宽带1/4波片(9)，所述参考光束偏振方向旋转90
°
，参考光束被第三宽带偏振分束镜(11)反射，然后所述参考光束依次被第三宽带直角棱镜(10)、第二宽带直角棱镜(6)、第二宽带偏振分束镜(5)反射后，再次透过第一宽带1/4波片(7)和第二宽带1/4波片(9)，所述参考光束偏振方向旋转90
°
，参考光束透过第三宽带偏振分束镜(11)进入角锥棱镜(12)后被转折反射回来，然后所述参考光束依次透过第四宽带偏振分束镜(13)、第三宽带1/4波片(15)、第四宽带1/4波片(16)，所述参考光束偏振方向旋转90
°
，参考光束被第五宽带偏振分束镜(18)反射；然后参考光束依次被第五宽带直角棱镜(17)、第四宽带直角棱镜(14)、第四宽带偏振分束镜(13)反射，然后所述参考光束再次透过第三宽带1/4波片(15)和第四宽带1/4波片(16)，偏振方向旋转90
°
，参考光束依次透过第五宽带偏振分束镜(18)、第一宽带偏振分束镜(2)；然后参考光束被宽带平面反射镜(1)反射到二向色镜(25)；在二向色镜(25)处，所述
参考光束中波长成分为λ1的激光被反射，然后依次透过第一滤波片(21)、第一偏振片(20)，进入第一光电探测器(19)；在二向色镜(25)处，所述参考光束中波长成分为λ2的激光透过二向色镜(25)，然后依次透过第二滤波片(24)、第二偏振片(23)，进入第二光电探测器(22)；所述测量光束中波长成分为λ1的激光与所述参考光束中波长成分为λ1的激光在第一宽带偏振分束镜(2)处相遇，经过第一偏振片(20)后发生干涉，干涉信号由第一光电探测器(19)接收。所述测量光束中波长成分为λ2的激光与所述参考光束中波长成分为λ2的激光在第一宽带偏振分束镜(2)处相遇，经过第二偏振片(23)后发生干涉，干涉信号由第二光电探测器(22)接收。3.根据权利要求2所述双波长共光路激光干涉测量装置，其特征在于，宽带角锥棱镜(12)替换成宽带中空回射器或两个垂直摆放的宽带平面反射镜。4.根据权利要求2所述双波长共光路激光干涉测量装置，其特征在于，所述的第一宽带直角棱镜(3)、第二宽带直角棱镜(6)、第三宽带直角棱镜(10)、第四宽带直角棱镜(14)、第五宽带直角棱镜(17)可由宽带平面反射镜替代。5.根据权利要求2所述双波长共光路激光干涉测量装置，其特征在于，所述的宽带1/2波片(4)可由满足λ1和λ2两种激光成分传输的多阶1/2波片替代。6.根据权利要求2所述双波长共光路激光干涉测量装置，其特征在于，所述第一宽带1/4波片(7)、第二宽带1/4波片(9)、第三宽带1/4波片(15)、第四宽带1/4波片(16)可由满足λ1和λ2两种激光成分传输的多阶1/4波片替代。7.一种基于权利要求1～6任意一项所述装置的双波长共光路激光干涉测量方法，包括以下步骤：步骤(1)：打开激光器(26)，使激光器(26)共光路发出包含波长为λ1和λ2的激光光束；步骤(2)：第一光电探测器(19)接收波长为λ1的激光干涉信号，计算空气环境干扰下λ1激光测得的长方体待测样品(8)长度变化l1，第二光电探测器(19)接收λ2干涉信号，计算空气环境干扰下λ2激光测得的长方体待测样品(8)长度变化l2；步骤(3)：将l1和l2代入公式l＝l
1-a(l
2-l1)计算长方体待测样品(8)长度变化量l。

技术总结
针对现有迈克尔逊干涉仪、斐索干涉仪等测量装置进行线膨胀与变形测量时因测量臂光束与参考臂光束在空间上错位分布受空气折射率影响误差大，且无法进行双波长共光路激光干涉测量，本发明提出了一种抗空气环境干扰的双波长激光干涉测量装置和测量方法。该测试装置和测试方法通过科学的光路设计，对称布置测量臂光束与参考臂光束，优选光学元器件实现双波长共光路激光干涉测量，从而大幅度降低了空气环境折射率的影响，提高了线膨胀与变形测量的精度。度。度。


技术研发人员：彭希锋 邓文 樊寅斌
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院计量测试中心
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8