CN100386596C - 基于频率闭锁双频激光器的激光回馈位移传感器 - Google Patents

Abstract

基于频率闭锁双频激光器的激光回馈位移传感器，属于激光位移测量技术领域，其特征在于：将带有0°～2.8°楔角的石英晶体楔固定于激光器腔内，构成一个频率闭锁双频激光器，应用该激光器与外部反射或散射物体构成激光回馈系统来测量物体的位移。当物体沿激光轴线每移动半个光波长位移时，激光器光强变化一个条纹，即可以通过计数电路得到物体的位移量；当物体移动方向变化时，原振荡的光熄灭，偏振态与之正交的另一频率线偏振光开始振荡，由判向电路很容易实现对物体的移动方向进行识别。本发明具有结构简单紧凑，测量精度和性价比高，测量范围大的特点，并且对被测物体表面要求低，抗干扰能力强，属于非接触测量。

Description

基于频率闭锁双频激光器的激光回馈位移传感器

技术领域

本发明属于激光位移测量技术领域。

背景技术

激光位移传感器在工业测量和计量领域中应用非常广泛，其中基于干涉现象的位移传感器，如干涉式光纤位移传感器、激光干涉仪等，具有测量范围大、精度高、线形度好等特点，可以应用于许多对测量精度要求高的场合。但是，这类系统结构非常复杂，体积大，不便于携带，准直性要求很高，各组成部分精度要求也高，维护起来比较困难，整个系统价格昂贵。而近年来兴起的激光回馈干涉仪相比于传统的激光干涉仪具有结构简单、紧凑、易准直、性价比高等优点，成为成功解决传统激光干涉仪系统光路复杂、昂贵、不易准直等问题的最佳方案。基于激光回馈效应的测量技术在工业测量和计量领域中的这种优良的性价比成为其发展的强大推动力。

所谓激光回馈效应是指在激光应用系统中，激光器输出光被外部物体反射或散射后，其中一部分光回馈到激光器谐振腔，回馈光携带外部物体信息，与腔内光相互作用后，调制激光器的输出。外部反射物体或镜面每移动半个光波波长的位移，激光功率变化一个条纹，激光输出功率波动的相位灵敏度和深度与传统双光束干涉系统相当。因此激光回馈也被称为自混合干涉。激光回馈系统的光学部分仅有一个光学通道，一支激光器和外部反射物，并且可以做到非接触测量。

目前世界各科技大国都开展了对激光回馈效应及其应用的研究，但是仍有一个重要的问题没有得到很好解决，就是对被测物体的位移方向进行识别，这将严重影响激光回馈系统进入实际的应用。激光回馈位移测量技术的研究主要集中于半导体激光器中的激光回馈现象和应用的研究。研究中发现在弱回馈水平和中等回馈水平下，半导体激光器的回馈信号为非对称的类锯齿波形状，锯齿波的倾斜方向与外部反射物的位移方向有关。一些学者试图用此现象来解决半导体激光回馈干涉仪测量位移的方向判断问题。锯齿波的倾斜方向在感观上容易判断位移方向，但在硬件上不易于实现，且在中等回馈水平下，回馈信号会出现迟滞的现象，给计数带来误差，严重影响了系统测量的精度和线形度。为了判断位移方向，激光回馈水平要求为弱回馈或中等回馈，对被测物体的表面反射或散射特性就有要求，或者需要靶镜，但不能实现非接触测量。同时，对回馈水平有要求也意味着对系统的准直性要求较高，否则对于反射率较高的物体，由于未完全对准，只有少量光反射回激光器谐振腔，从而使激光器工作在很弱光回馈水平区，引起激光回馈信号为余弦波形状，系统对于对称的余弦信号不能实现判向。另一方面，由于半导体激光器的相干性很差，相干长度较小，限制了被测物体与激光回馈测量系统之间的距离，即以半导体激光器为光源的激光回馈系统不能够对远距离目标物体进行位移测量。这些问题限制了以半导体激光器为光源的激光回馈位移测量系统的应用化发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以识别被测物体移动方向，大测量范围，高性价比，不需要控制激光回馈水平，对被测物体表面要求低，结构简单的属于非接触测量的激光回馈位移传感器。

本发明的特征在于，它含有：

光源部分，是一个频率闭锁的He-Ne双频激光器，能够输出偏振态正交的两种频率的线偏振光，两偏振光的频率之差小于40MHz，每一频率的偏振光工作时处于激光增益曲线的中部位置，能够获得较大增益而形成振荡；该频率闭锁双频激光器包括：

激光增益管，内充有He、Ne混合气体；

石英晶体楔，固定于上述激光增益管的一侧；该石英晶体楔具有0°～2.8°楔角，并且两面都镀有增透膜；

激光谐振腔，包括主光束输出镜和尾光束输出镜；主光束输出镜位于上述石英晶体楔的外侧，该输出镜内表面镀有增透膜，外表面镀有高反射膜；尾光束输出镜固定在上述激光增益管的另一侧，其内表面镀有高反射膜；

位移测量部分，包括：

激光回馈外腔反射镜，是外部具有反射或散射能力的被测物体；所述激光回馈外腔反射镜的入射光束是上述频率闭锁双频激光器主光束输出镜输出的单一频率偏振光；激光回馈外腔反射镜将上述入射光束反射回激光器谐振腔，与腔内光束相混合，调制激光器的输出强度；

位移驱动装置，固定在上述激光回馈外腔反射镜上，在电压的驱动下，推动上述激光回馈外腔反射镜沿激光轴线方向移动；所述的位移驱动装置是压电陶瓷PZT，或者是电控微动平移台；

信号探测与处理部分，包括：

偏振分光镜，位于上述尾光束输出镜的外侧，用于将尾光束输出镜输出的偏振态正交的两频率的光在空间上分开；

光电探测器，共两个，都位于上述偏振分光镜的外侧，用于分别探测尾光束输出镜输出的两频率光的光强；当上述的激光回馈外腔反射镜移动方向改变时，偏振态与之正交的另一频率的偏振光开始振荡，原来振荡的线偏振光熄灭，两频率的偏振光所携带的具有不同移动方向的位移信号分别由上述的两个光电探测器进行探测，其中一个用于接收远离上述频率闭锁双频激光器方向的位移信号，另一个接收靠近上述频率闭锁双频激光器方向的位移信号；

放大和滤波电路，输入端分别与上述两个光电探测器的输出端相连，对上述光电探测器探测到的信号进行放大和滤波；

判向和计数电路，包括两个计数器和一个减法器；两个计数器输入端分别与上述放大和滤波电路的输出端相连；当上述的激光回馈外腔反射镜沿激光轴线方向移动时，根据激光强度的变化进行脉冲计数；减法器的两输入端分别与上述两个计数器的输出端相连，两路位移信号相减，得出物体位移大小和方向；

显示装置，输入端与上述判向和计数电路的输出端相连，用于显示上述激光回馈外腔反射镜沿激光轴线方向的位移大小和方向。

本发明提供的基于频率闭锁双频激光器的激光回馈位移传感器，分辨率为二分之一光波长，测量范围可以达到100mm，能够很容易实现对被测物体移动的方向进行识别，具有测量范围大，性价比高的特点，并且不需要控制激光回馈水平，对被测物体表面要求低，抗干扰能力强，属于非接触测量。

附图说明

图1：本发明所述激光回馈位移传感器实施实例之一。

图2：本发明所述石英晶体楔的示意图。

图3：本发明所述激光回馈位移传感器实施实例之二。

图4：一般回馈水平下激光回馈引起的激光光强变化曲线图。(a)实验曲线；(b)沿时间轴展开图形。

图5：较高回馈水平下激光回馈引起的激光光强变化曲线图。

图6：较远回馈距离下激光回馈引起的激光光强变化曲线图。

图7：激光回馈光强随内腔调谐变化曲线图。

图8：激光回馈光强随内腔长抖动变化曲线图。

具体实施方式

本发明提出了一种可以识别被测物体移动方向，测量范围大，抗干扰能力强，性价比高的位移传感器。其特性是将带有一定楔角的石英晶体楔固定于激光器腔内，构成只能输出一个频率的频率闭锁双频激光器，应用该激光器与外部反射或散射物体构成激光回馈系统来测量外部被测物体的位移。当被测物体沿激光轴线每移动半个光波波长位移时，激光器的光强变化一个条纹，即系统分辨率为二分之一个光波长，直接对激光回馈系统的光强波动周期计数就可以得到物体移动的位移量；当被测物体的移动方向变化时，原振荡的光熄灭，偏振态与之正交的另一频率的线偏振光开始振荡，两频率的偏振光所携带的具有不同移动方向的位移信号分别由两个光电探测器进行探测，可以很容易实现对被测物体移动方向的识别。由此可以得到外部被测物体的位移信息。

本发明的实验装置(实例一)如图1所示。图1中，1为激光器的尾光束输出镜，其反射率一般为99.5％；2为激光增益管，内部充有He、Ne混合气体，比例一般为7∶1；11为激光器的主光束输出镜，其内表面镀有增透膜，外表面镀有高反射膜，反射率一般为99.0％；12为带有一定楔角θ的晶体石英楔，其两面都镀有增透膜；尾光束输出镜1和晶体石英楔12，分别固定在上述激光增益管2的两端，主光束输出镜11位于上述晶体石英楔的另一侧，1和11构成激光器谐振腔，1、2、11和12共同构成频率闭锁双频激光器的主体。3为激光回馈外腔反射镜，在实际应用中为外部具有一定反射或散射能力的被测物体，3和11构成了系统的回馈外腔；4为位移驱动装置压电陶瓷，固定在上述外腔反射镜3上，在电压的驱动下用来推动外腔反射镜3沿着激光轴线方向移动；3和4组成了激光回馈测量系统的位移测量部分。物体运动引起激光光强的变化，通过在激光器尾光束输出镜端1放置偏振分光镜5，偏振态正交的两频率光的光强分别被两个光电探测器6和7接收，输入到放大和滤波电路8中，对探测到的信号进行放大和滤波后输入到判向和计数电路9中，信号经处理后得到被测物体的位移信息，用显示装置10显示物体位移。5、6、7、8、9和10构成激光回馈测量系统的信号探测与处理部分。

本发明的原理如下。

激光束在激光器谐振腔往返一次后的电矢量为：

$E_1\left(t\right)=r_1{r}_2\exp (j4\mathrm{\πv}\frac{\mathrm{nL}}{c}+2\mathrm{gL})E_0\left(t\right),---\left(1\right)$

激光束在激光回馈外腔往返一次后的电矢量为：

$E_2\left(t\right)=r_1{t}_2{r}_3\mathrm{\ξexp}(j4\mathrm{\πv}\frac{\mathrm{nL}+l}{c}+2\mathrm{gL})E_0\left(t\right),---\left(2\right)$

两光束在激光器谐振腔内相互作用后，达到稳定状态时其电矢量与初始电矢量相等，即

$r_1{r}_2\exp (j4\mathrm{\πv}\frac{\mathrm{nL}}{c}+2\mathrm{gL})+r_1{t}_2{r}_3\mathrm{\ξexp}(j4\mathrm{\πv}\frac{\mathrm{nL}+l}{c}+2\mathrm{gL})=1,---\left(3\right)$

式中，r₁、r₂分别为两输出镜的反射系数，r₃为被测物体的反射系数，t₂为主光束输出镜的透射系数，ξ为光束经物体反射后入射到激光器谐振腔的耦合系数，v为激光频率，c为真空中的光速，g为单位长度上的线性增益，L为激光器内腔长，l为激光回馈外腔腔长。

对式(3)进行求解，可得激光器单位长度线性增益的变化Δg为：

$\mathrm{\Δg}=g-g_0=-\frac{\mathrm{\α}}{2L}\cos (4\mathrm{\πvl}/c+{\mathrm{\δ}}_l),---\left(4\right)$

式中，α＝t₂r₃ξ/r₂，δ_l为光在外腔反射引起的位相差。

则在存在光回馈的条件下，激光器光强为：

I₁＝I₀[1+αK/2L·cos(4πvl/c+δ_l)]，(5)

上式中，K为一常量。

外部被测物体运动引起的位相为：

δ＝4πvl/c＝2π·l/(λ/2)。(6)

由式(6)可知，外腔长每改变λ/2，激光强度波动一个周期，即激光回馈位移测量系统的分辨率为λ/2。

系统使用的是频率闭锁双频激光器。将带有一定楔角的石英晶体楔12固定于激光器腔内，由于腔内石英晶体楔的双折射效应，激光频率发生分裂，一个频率变为两个频率，两个频率之间的频差由楔角θ的大小决定，并且两频率光的偏振态互相垂直。θ即为石英晶体楔的晶轴l₂与腔内激光束方向l₁之间的夹角，该夹角引起的两频率间的频差约25MHz，两光在增益线上的烧孔重叠，从而存在强烈的模竞争，导致只有一个频率振荡，另一个频率熄灭。

实验研究发现，在激光回馈系统中，当外部物体运动方向发生变化时，原来振荡的线偏振光熄灭，偏振态与之正交的另一频率的线偏振光开始振荡，如图4所示。图4(a)为一般回馈水平下激光回馈引起的激光光强变化的实验曲线图，图4(b)为沿时间轴展开的图形。在图4和以下各图中，星号曲线代表平行偏振光的光强曲线，圈点曲线代表垂直偏振光的光强曲线，细实线代表推动外部反射镜3运动的压电陶瓷54的驱动电压曲线，驱动电压与被测物体的位移成线性关系。由图4我们可以清楚地看到，当驱动电压增加时，即被测物体向靠近激光器系统的方向运动时，只有具有平行偏振态的这一频率光能够振荡；当驱动电压减小时，即被测物体向远离激光器系统的方向运动时，只有具有垂直偏振态的另一频率光能够振荡。对激光器输出的尾光进行探测，并用偏振分光镜将两种正交的偏振态的光在空间上分开，就可以分别探测两偏振态的光强变化。当物体向靠近激光器系统的方向运动时，平行偏振光振荡时，光电探测器6能够接收到位移信号；当物体向远离激光器系统的方向运动时，垂直偏振光振荡，光电探测器7能够接收到位移信号；两信号的差值大小代表了物体的位移量，差值的正负号代表了物体运动位移的方向，从而可以对被测物体的位移大小和方向进行识别。

图5是在较高回馈水平下得到的激光回馈引起激光光强变化的曲线图。从图5我们同样可以看到，驱动外腔反射镜运动的压电陶瓷电压增大时，只有平行偏振光能够振荡；当驱动电压减小时，只有垂直偏振光能够振荡。即外部物体运动方向发生变化时，原来振荡的线偏振光熄灭，偏振态与之正交的另一频率的线偏振光开始振荡，激光器出射光的偏振态发生了变化。这说明了本系统对回馈水平没有要求，被测物体只需具有一定的反射或散射水平，能够将激光器出射光反射回激光器谐振腔即可。同时，不需要控制激光回馈水平，对被测物体表面要求低，也意味着对系统的准直性要求不高，只要求被测物体能够将部分光束反射回就可以，不用担心因为影响系统工作的回馈水平，而引起系统不能判向或存在累计误差等问题。

图6是激光回馈外腔反射镜处于距离测量系统较远距离情况下，得到的激光光强变化曲线图。当外部物体运动方向发生变化时，原来振荡的线偏振光熄灭，偏振态与之正交的另一频率的线偏振光开始振荡，同样可以根据回馈光的偏振态的变化判断被测物体位移方向。系统使用的频率闭锁双频激光器是基于He-Ne激光器的，其相干性很好，相干长度大，本测量系统可以对远距离目标物体进行位移测量。

图7是激光回馈光强随内腔调谐变化曲线图。在改变回馈外腔长的同时，缓慢的改变激光器内腔长，使激光纵模位于激光增益曲线不同的位置，观察激光频率漂移和外界环境对测量系统的干扰性。图7中虚线代表用压电陶瓷驱动主光束输出镜11的输入电压。实验结果表明在整个激光增益区间内，只有纵模位于增益曲线两侧小部分区域，激光纵模获得的增益很小，总是同一个偏振态输出，在其余的中间大部分区域，系统可以正常工作，外腔反射镜移动的方向不同，激光器出射光的偏振态不同。说明系统的抗干扰能力很强，不会由于温度、空气扰动等原因使得激光内腔长变化而使系统不能正常工作。

图8是激光回馈光强随内腔长抖动变化曲线图。图8中虚线代表用压电陶瓷驱动主光束输出镜11的输入电压。电压增加代表内腔长缩短，电压减小代表内腔长伸长。实验发现，主光束输出镜11的运动方向改变时，不影响系统正常工作。被测物体向靠近激光器系统的方向运动时，只有具有平行偏振态的这一频率光能够振荡；被测物体向远离激光器系统的方向运动时，只有具有垂直偏振态的另一频率光能够振荡。说明系统抗干扰能力很强。

本发明的实例二的原理结构示意图如图2所示。其与图1所示的结构基本相同，1至10共十个元件与图1中相同，此处不再重复介绍。13为内表面镀有增添膜，外表面镀有高反射膜的石英晶体楔，固定在激光增益管的另一端；尾光束输出镜1和石英晶体楔13构成激光器谐振腔，1、2和13共同构成频率闭锁双频激光器。与图1相比，图2采用全内腔结构，可以使系统更简洁，同时整个谐振腔封闭，系统更稳定，抗干扰能力更强。

本发明提供的基于频率闭锁双频激光器的激光回馈位移传感器，可以很容易实现对被测物体移动的方向进行识别，具有测量范围大，性价比高的特点，并且不需要控制激光回馈水平，对被测物体表面要求低，抗干扰能力强，属于非接触测量。

Claims (1)

1.基于频率闭锁双频激光器的激光回馈位移传感器，包含光源部分，位移测量部分和信号探测与处理部分，其特征在于，所述的基于频率闭锁双频激光器的激光回馈位移传感器含有：

光源部分，是一个频率闭锁的He-Ne双频激光器，能够输出偏振态正交的两种频率的线偏振光，两偏振光的频率之差小于40MHz，每一频率的偏振光工作时处于激光增益曲线的中部位置，能够获得较大增益而形成振荡；该频率闭锁双频激光器包括：

激光增益管，内充有He、Ne混合气体；

石英晶体楔，固定于上述激光增益管的一侧；该石英晶体楔具有0°～2.8°楔角，并且两面都镀有增透膜；

激光谐振腔，包括主光束输出镜和尾光束输出镜；主光束输出镜位于上述石英晶体楔的外侧，该输出镜内表面镀有增透膜，外表面镀有高反射膜；尾光束输出镜固定在上述激光增益管的另一侧，其内表面镀有高反射膜；

位移测量部分，包括：

激光回馈外腔反射镜，是外部具有反射或散射能力的被测物体；所述激光回馈外腔反射镜的入射光束是上述频率闭锁双频激光器主光束输出镜输出的单一频率偏振光；激光回馈外腔反射镜将上述入射光束反射回激光器谐振腔，与腔内光束相混合，调制激光器的输出强度；

位移驱动装置，固定在上述激光回馈外腔反射镜上，在电压的驱动下，推动上述激光回馈外腔反射镜沿激光轴线方向移动；所述的位移驱动装置是压电陶瓷PZT，或者是电控微动平移台；

信号探测与处理部分，包括：

偏振分光镜，位于上述尾光束输出镜的外侧，用于将尾光束输出镜输出的偏振态正交的两频率的光在空间上分开；

光电探测器，共两个，都位于上述偏振分光镜的外侧，用于分别探测尾光束输出镜输出的两频率光的光强；当上述的激光回馈外腔反射镜移动方向改变时，偏振态与之正交的另一频率的偏振光开始振荡，原来振荡的线偏振光熄灭，两频率的偏振光所携带的具有不同移动方向的位移信号分别由上述的两个光电探测器进行探测，其中一个用于接收远离上述频率闭锁双频激光器方向的位移信号，另一个接收靠近上述频率闭锁双频激光器方向的位移信号；

放大和滤波电路，输入端分别与上述两个光电探测器的输出端相连，对上述光电探测器探测到的信号进行放大和滤波；

判向和计数电路，包括两个计数器和一个减法器；两个计数器输入端分别与上述放大和滤波电路的输出端相连；当上述的激光回馈外腔反射镜沿激光轴线方向移动时，根据激光强度的变化进行脉冲计数；减法器的两输入端分别与上述两个计数器的输出端相连，两路位移信号相减，得出物体位移大小和方向；

显示装置，输入端与上述判向和计数电路的输出端相连，用于显示上述激光回馈外腔反射镜沿激光轴线方向的位移大小和方向。

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