专利名称：单频偏振激光干涉仪及光程倍增高激光应变仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种激光干涉仪及主要由激光干涉仪构成的激光应变仪。具体涉及的是一种用于地学观测技术领域中的一种激光干涉仪的光路结构布局及机械固定安装结构。
背景技术：
伸缩测量仪是一种精密测量地壳岩体两点间距离相对变化的仪器，在观测地壳应变和固体潮汐，以及研究地震孕育过程和地震前兆获取等领域中有着重要应用。自1935年美国地震学家贝尼奥夫(H.Benioff)研制成第一台有价值的石英伸缩仪后，美、英、前苏联、日、比、德等国都相继研制了高灵敏度的伸缩仪。仪器的灵敏度一般都在10_8以上，能清晰记录到固体潮汐。我国开展这方面的研究较晚，20世纪80年代初中国地震局地震研究所蔡帷鑫等人才研制出较为实用的伸缩仪——SSY-II型水平石英伸缩仪(蔡帷鑫，谭适龄，SSY-II型石英伸缩仪的研制与试验，大地测量与地球动力学，Vol. 5(1) :31-41，1985)。仪器的测量基线采用熔融石英管，其基线长度为10米以上，一般为30 50米；应变观测分辨率优于3X IO-9,能清晰地记录到固体潮汐。20世纪90年代末期，中国地震局地震研究所吕宠江等人发明了一种新的应变观测仪器——SS-Y型短基线伸缩仪(专利申请号99116620. 5)，它选用特种铟钢棒作为基线，并垂直自由悬挂，选用电涡流传感器或差动变压器作为位移传感器，标定器启用斜楔位移传感原理构成的精密超微量位移标定平台，仪器的应变分辨率优于10Λ该仪器在保持高灵敏度高稳定性的同时缩短了基线长度达到小于10米。在此基础上，2006年吕宠江发明了差分式短基线伸缩仪(专利申请号200610018250. 3)，目的是提高伸缩仪对震动、电源波动等有较强的抗共模干扰能力，可进一步缩短基线的长度，但其基线长度仍然大于5米。2007年，中国地震局地震研究所李家明等人发明了超短基线伸缩仪(专利申请号200710053069. 0)，该装置采用位移分辨率为O. Inm的电容传感器，使测量基线长度减小到I米的同时，应变分辨率还能保持在1X10_1(I。但电容传感器的防潮和密封问题是伸缩仪能否成功实现的难点，并且电容传感器极易受到强电磁干扰，不适合于在电磁污染严重的环境中使用。综上所述，在提高伸缩仪测量精度的同时，缩短其测量基线长度，成为伸缩仪研制的主要方向。小型化的优点是一方面可以降低开凿硐体的难度，降低环境建设成本；另一方面小型化后可以便携，有利于地震应急快速布设，甚至于井下岩层布设。目前发明的伸缩仪中位移传感器主要采用电涡流位移传感器、差动变压器位移传感器，或者电容位移传感器，其中前两者最好的位移分辨率Inm左右；而电容位移传感器虽然有较好的分辨率，可以达到O. Olnm，但是缺点是寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响大、输出具有非线性、联接电路复杂，以及受潮湿、电磁干扰严重等缺点，不是十分适合伸缩仪可靠性、稳定性要求高，需要长期工作等实用场合。因此，需要研制新的位移传感器，以满足伸缩仪提高测量精度和小型化的要求。近年来，激光干涉技术发展迅速，广泛应用于地壳伸缩应变研究。单频偏振激光干涉仪具有共光路、倍光程的特点，使环境影响大大降低，同时提高了系统测量分辨力。相比电学类传感器，它具有灵敏度高(皮米、亚皮米级位移分辨率)、动态范围大、测量频带宽的优点。本发明采用单频偏振激光干涉原理，实现了一种光程倍增激光应变仪，主要用于地壳应变和固体潮汐观测，以及地震前兆信息获取。

发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效地提高整机的测量精度，并降低误差干扰的单频偏振激光干涉仪。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的单频偏振激光干涉仪的光程倍增高激光应变仪。本发明的目的是这样实现的本发明的单频偏振激光干涉仪的组成为激光器101A、光隔离器102A、偏转反射镜103A、偏振分光棱镜104A、第11/4波片105A、第21/4波片106A、第11/2波片107A、第I消偏振分光棱镜108A、第2偏振分光棱镜109A、第31/4波片IlOA以及第3偏振分光棱镜IllA固化在光路底座118A上，光路底座118A与折叠反射镜112A、参考反射镜113A、四个光电探测器114A 117A —起安装在光路封装箱119A中。基于单频偏振激光干涉仪的光程倍增高激光应变仪包括第I单频偏振激光干涉仪1A、第2单频偏振激光干涉仪1B、悬吊系统3、测量基线杆4、测量反射镜、反射镜限位装置5、信号记录与处理系统6、标定与限位装置7，固定在第I基岩21上的第I单频激光干涉仪IA与第I测量反射镜703构成一个完整的单频偏振激光干涉仪；第I测量反射镜703通过标定与限位装置7与测量基线4的首端41连接；测量基线4的末端42安装反射镜限位装置5，反射镜限位装置5安装第2测量反射镜503，第2测量反射镜503与固定在第2基岩22上的第2单频偏振激光干涉仪IB构成一个完整的单频偏振激光干涉仪，第2单频偏振激光干涉仪IB固定在第2基岩22上；测量基线4的中间安装有悬挂系统3 ;第I、第2单频偏振激光干涉仪1A、1B和标定与限位装置7通过信号连接线与信号记录与处理系统6连接。本发明的光程倍增高激光应变仪还可以包括I、所述的标定与限位装置7包含第I柔性铰链701、第I反射镜基座702、第I测量反射镜703、标定支架704以及压电陶瓷位移发生器705，第I测量反射镜703安装在第I反射镜基座702上，第I反射镜基座702与第I限位柔性铰链701的一端固定，第I柔性铰链701另一端与测量基线4的一端41连接；压电陶瓷位移发生器705固化在标定支架上、其位置与测量基线首端41的突出梁B01、B02分别对应；标定与限位装置7有两个工作状态标定状态时，压电陶瓷位移发生器705与突出梁B01、B02紧密接触，通过信号线63施加标定信号；测量状态时，压电陶瓷位移发生器705与突出梁B01、B02脱离。2、所述反射镜限位装置5由第2柔性铰链501、第2反射镜基座502以及第2测量反射镜503组成，第2测量反射镜503安装在第2反射镜基座502上，第2反射镜基座502与限位柔性铰链501的一端固定，第2柔性铰链501另一端与测量基线4的末端42连接。3、第I出射光LlA在第I测量反射镜703和第I折叠反射镜112A之间，来回反射，最终沿原路返回，构成折叠光路；第I出射光LlA的传播平面与x、y平面平行，第I测量反射镜703与第I折叠反射镜112A的镜面都垂直于X、y平面。如图4所示，单频偏振激光干涉仪1A，光路传播路径上，第I激光器IOlA之后即为第I隔离器102A ;第I隔离器102A通光方向与光束传播方向一致；光束通过第I隔离器102A之后是第I偏转反射镜103A，第I隔离器102A的通光轴方向与第I偏转反射镜103A镜面夹角为45°，第I偏转反射镜103A镜面垂直于x、y平面；光束经其偏转进入集成光路；参考反射镜113A安装在集成光路参考光出射端口 Port2A，镜面方向与出射光束垂直；出射端口 PortlA的出射光束方向与测量端镜面703呈特定角度；折叠反射镜112A与PortlA的出射光束方向呈特定角度；光电探测器114A 117A分别安装在集成光路的各出射端口Port3A Port6A ;光电探测器114A 117A与信号记录与处理系统6连接。集成光路包含第I偏振分光棱镜104A、第11/4波片105A、第21/4波片106A、第11/2波片107A、第I消偏振分光棱镜108A、第2偏振分光棱镜109A、第31/4波片IlOA以及第3偏振分光棱镜111A，与“单频激光偏振干涉仪在线调试装置”(专利申请号201010296976.x)中的待测单频激光偏振干涉仪集成光路结构相同第I偏振分光棱镜104A的底面在x、y平面内；第11/4波片105A位于在y、z平面内，初始固定在第I偏振分光棱镜104A的侧面，快轴的初始位置与z轴顺时针旋转呈45. 0° ;第21/4波片106A位于在X、z平面内，初始固定在偏第I偏振分光棱镜104A与入射光相对的侧面上，快轴的初始位置与z轴逆时针旋转呈45.0° ;第11/2波片107A位于y、z平面内，初始固定在第I偏振分光棱镜104A与第11/4波片105A相对的侧面上，快轴的初始位置与z轴顺时针旋转呈22.5° ;第I消偏振分光棱镜108A底面在x、y平面内，初始固定在第11/2波片107A的侧面上，底面与第I偏振分光棱镜104A共面；第2偏振分光棱镜109A底面在x、y平面内，初始固定在第I消偏振分光棱镜108A上，底面与第I偏振分光棱镜104A共面；第31/4波片IlOA位于y、z平面内，初始固定在第I消偏振分光棱镜108A与入射光相对的侧面上,快轴初始位置与z轴顺时针旋转呈45. 0° ;第3偏振分光棱镜IllA的底面在x、y平面内，初始固定在第31/4波片IlOA上，底面与第I偏振分光棱镜104A共面。
的信号处理方法就能得到位相差Φ。米用正切信号处理方法
5
根据偏振光学原理，可知光电探测器接收的出射光强，114A接收光强为
PDl=-[l - sin(病-#2)]Cl)
4
115A接收光强为
j'2
PD2=111111^'"" [I + sin {φ' )](2 )
116Α接收光强为
/.* ~
PD3= — [I cos(病 )](3)
4
117Α接收光强为
pt
PD4=-^-[l + cos(#, -#2)](4)
根据得到的四路光强信号可知，四路信号的相位差依次相差η/2，我们使用相CN 102927900 A
书
明
说
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PDl — PD2 J
权利要求
1.一种单频偏振激光干涉仪，其特征是激光器(101A)、光隔离器(102A)、偏转反射镜(103A)、偏振分光棱镜(104A)、第11/4波片(105A)、第21/4波片(106A)、第11/2波片(107A)、第I消偏振分光棱镜(108A)、第2偏振分光棱镜(109A)、第31/4波片(110A)以及第3偏振分光棱镜(111A)固化在光路底座(118A)上，光路底座(118A)与折叠反射镜(112A)、参考反射镜(113A)、四个光电探测器(114A 117A) —起安装在光路封装箱(119A)中。
2.一种基于权利要求I所述的单频偏振激光干涉仪的光程倍增高激光应变仪，其特征是包括第I单频偏振激光干涉仪(1A)、第2单频偏振激光干涉仪(1B)、悬吊系统(3)、测量基线杆(4)、测量反射镜、反射镜限位装置(5)、信号记录与处理系统(6)、标定与限位装置(7)，固定在第I基岩(21)上的第I单频激光干涉仪(IA)与第I测量反射镜(703)构成一个完整的单频偏振激光干涉仪；第I测量反射镜(703)通过标定与限位装置(7)与测量基线(4 )的首端(41)连接；测量基线(4 )的末端(42 )安装反射镜限位装置(5 )，反射镜限位装置(5 )安装第2测量反射镜(503 )，第2测量反射镜(503 )与固定在第2基岩(22 )上的第2单频偏振激光干涉仪(IB)构成一个完整的单频偏振激光干涉仪，第2单频偏振激光干涉仪(IB)固定在第2基岩(22)上；测量基线(4)的中间安装有悬挂系统(3);第I、第2单频偏振激光干涉仪(1A、1B)和标定与限位装置(7)通过信号连接线与信号记录与处理系统(6)连接。
3.根据权利要求2所述的光程倍增高激光应变仪，其特征是所述的标定与限位装置(7)包含第I柔性铰链(701)、第I反射镜基座(702)、第I测量反射镜(703)、标定支架(704)以及压电陶瓷位移发生器(705)，第I测量反射镜(703)安装在第I反射镜基座(702)上，第I反射镜基座(702)与第I限位柔性铰链(701)的一端固定，第I柔性铰链(701)另一端与测量基线(4)的一端(41)连接；压电陶瓷位移发生器(705)固化在标定支架上、其位置与测量基线首端(41)的突出梁(B01、B02)分别对应；标定与限位装置(7)有两个工作状态标定状态时，压电陶瓷位移发生器(705)与突出梁(B01、B02)紧密接触，通过信号线(63)施加标定信号；测量状态时，压电陶瓷位移发生器(705)与突出梁(B01、B02)脱离。
4.根据权利要求2或3所述的光程倍增高激光应变仪，其特征是所述反射镜限位装置(5)由第2柔性铰链(501)、第2反射镜基座(502)以及第2测量反射镜(503)组成，第2测量反射镜(503)安装在第2反射镜基座(502)上，第2反射镜基座(502)与限位柔性铰链(501)的一端固定，第2柔性铰链(501)另一端与测量基线(4)的末端(42)连接。
5.根据权利要求2或3所述的光程倍增高激光应变仪，其特征是第I出射光(LlA)在第I测量反射镜(703)和第I折叠反射镜(112A)之间，来回反射，最终沿原路返回，构成折叠光路；第I出射光(LlA)的传播平面与x、y平面平行，第I测量反射镜(703)与第I折叠反射镜(112A)的镜面都垂直于x、y平面。
6.根据权利要求4所述的光程倍增高激光应变仪，其特征是第I出射光(LlA)在第I测量反射镜(703)和第I折叠反射镜(112A)之间，来回反射，最终沿原路返回，构成折叠光路；第I出射光(LlA)的传播平面与x、y平面平行，第I测量反射镜(703)与第I折叠反射镜(112A)的镜面都垂直于x、y平面。
全文摘要
本发明涉及的是一种单频偏振激光干涉仪及光程倍增高激光应变仪。固定在第1基岩上的第1单频激光干涉仪与第1测量反射镜构成一个完整的单频偏振激光干涉仪；第1测量反射镜通过标定与限位装置与测量基线的首端连接；测量基线的末端安装反射镜限位装置，反射镜限位装置安装第2测量反射镜，第2测量反射镜与固定在第2基岩上的第2单频偏振激光干涉仪构成一个完整的单频偏振激光干涉仪，第2单频偏振激光干涉仪固定在第2基岩上；测量基线的中间安装有悬挂系统；第1、第2单频偏振激光干涉仪和标定与限位装置通过信号连接线与信号记录与处理系统连接。本发明测量精度高，结构简单，可以广泛用于观测地壳应变和固体潮汐、获取地震前兆信息等地球物理学研究领域。
文档编号G01B9/02GK102927900SQ201210381909
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月10日 优先权日2012年10月10日
发明者杨军, 彭峰, 吴冰, 苑勇贵, 苑立波 申请人:哈尔滨工程大学