CN100412502C - 扩束的强光折叠回馈位移测量系统 - Google Patents

Abstract

扩束的强光折叠回馈位移测量系统，属于激光测量技术领域，其特征在于：应用塞曼双折射双频激光器、光束准直扩展器、空心角锥棱镜、可调衰减器和具有强反射率的回馈镜构成扩束的强光折叠回馈系统。当被测物体沿激光轴线每移动四分之一光波长的位移时，激光强度发生周期性的波动，且一个周期内存在四个偏振态区：o光区、o光和e光共存区、e光区以及无光区，每个区域对应着物体十六分之一光波长位移，探测偏振态区域数即可得到被测物体的位移量；当被测物体移动方向变化时，每个周期内的四个偏振态区出现的顺序也发生改变，由此可以判别物体位移方向。该装置具有精度高、量程大、易判向、抗干扰能力强的特点。

Description

扩束的强光折叠回馈位移测量系统

技术领域

本发明属于激光测量技术领域。

背景技术

随着现代信息技术的高速发展，作为现代信息技术三大支柱之一的传感技术是信息技术的基础，其性能决定了信息系统的功能和质量，其作用也愈显重要。位移是自然界中一个基本的物理量，位移测量在芯片制造、汽车工业、生物医学、航天航空等领域的应用越来越广。近年来激光回馈传感技术及其应用引起了国内外专家学者的广泛兴趣。激光回馈是指在激光应用系统中，激光器输出光被外部物体反射后，其中一部分光回馈到激光器谐振腔，回馈光携带着外部物体信息，与腔内光相互作用后，调制激光器的输出。通过对激光器输出光强的解调，得到外部被测物体的信息。激光回馈技术又被称为自混合干涉技术，与传统的双光束干涉技术相比具有相同的相位灵敏度和深度。但是基于激光回馈技术的测量系统仅有一个光学通道，具有结构简单、紧凑、易准直、性价比高等优点。它可以应用于位移、速度、绝对距离、振动、角度、精细加工零件表面形貌、细胞三维形状等方面的测量，也可以用于模具的分析和探伤、三维图像数据的重建等等方面，应用面非常广。

目前，对激光回馈技术的研究和应用主要集中于半导体激光器，虽然世界各科技大国取得了大量的实验和理论结果，但是仍有三个十分重要的问题没有得到很好的解决，严重限制了激光回馈技术的工业应用化发展。第一，不能够对被测物体的位移方向进行识别。研究发现半导体激光器工作在弱回馈水平和中等回馈水平下时，其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。一些研究者试图用此现象来解决半导体激光回馈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。运用这种方法时必须使得回馈信号至少为一个完整的周期，才可以判别出回馈波形的倾斜方向，这使得系统测量的分辨率限于半个光波长，无法实现高精度位移测量。同时，这类系统对回馈腔的准直性要求高，抗外界干扰能力差。第二，不能够对回馈信号进行细分。一些文献报道半导体激光器工作在极弱回馈水平下时，其回馈信号为类余弦波形状，一些研究人员力图利用余弦性质，类似传统激光干涉仪的位相测量技术实现细分。但是这种回馈信号很不稳定，容易变成类锯齿波形状，同时回馈测量系统仅能得到一路光信号，这使得电子细分难以实现。系统的分辨率一般为半个光波长，系统性能受到极大限制。第三，回馈外腔的准直性要求高，抗外界干扰能力差。回馈外腔的非准直将带来两方面影响，一是多重回馈的影响，二是系统回馈水平的影响。由于外腔回馈镜的失谐不仅被回馈镜反射一次的光可以返回激光器谐振腔与腔内光相互作用，被回馈镜反射两次甚至多次的光也可能返回激光器谐振腔，调制激光器的输出，此时系统的回馈信号较复杂，测量系统不能正常工作。同时由于外腔回馈镜的失谐，一部分光不能够返回激光器谐振腔，使得系统回馈水平下降。不同回馈水平下，系统回馈信号不同，测量系统不能够得到预期的回馈信号，测量发生错误。

发明内容

本发明提出了一种高分辨率大量程、可以识别被测物体的位移方向，同时具有很强的抗失谐和外界干扰能力的扩束的强光折叠回馈位移测量系统，可以有效地解决上述三个问题。

本发明的特征在于，它含有：

扩束的强光折叠回馈装置，包括：

塞曼双折射双频激光器，输出频差小于40MHz的两正交线偏振频率，该激光器含有：

激光增益管，内充有氦、氖混合气体；

石英晶体楔，固定于上述激光增益管的一侧；该石英晶体楔两面都镀有增透膜；

激光器谐振腔，包括主光束输出镜和尾光束输出镜；主光束输出镜固定在上述激光增益管的另一侧，该主光束输出镜内表面镀有强反射膜，外表面的上部分也镀有强反射膜，外表面的下部分镀有增透膜；尾光束输出镜位于上述石英晶体楔的外侧，该尾光束输出镜内表面镀有强反射膜；和

横向磁场发生器，由上下两块平行于所述的激光增益管中轴线的永久磁铁构成，整个增益管处于磁场中，磁场方向平行或垂直于上述激光器产生的任意一种线偏振光的偏振方向；

该扩束的强光折叠回馈装置还包括激光回馈外腔，其由上述主光束输出镜的内表面和上述主光束输出镜的外表面的上部分构成，该主光束输出镜既做激光内腔镜又做外腔回馈镜；

该扩束的强光折叠回馈装置还包括回馈外腔折叠器，其为一个空心角锥棱镜，由三块互相垂直的镀有强反射膜的玻璃平板构成，置于上述激光回馈外腔的回馈光路中，激光器主输出端输出的回馈光依次通过所述的三块玻璃平板后，被所述的主光束输出镜的外表面的上部分反射回激光回馈外腔；

该扩束的强光折叠回馈装置还包括光束准直扩展器，其由一组垂直于激光器主输出端输出的回馈光的相互平行的透镜组成，置于上述激光回馈光路的主输出端，将激光器主输出端输出的回馈光进行准直和扩束；

该扩束的强光折叠回馈装置还包括激光回馈水平控制器，其为一个吸收型的可调衰减器，置于上述光束准直扩展器的一侧，使系统工作在强回馈水平下；所述扩束的强光折叠回馈位移测量系统还包括信号探测与处理部分，其包括：

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；

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；

逻辑判向和计数电路，依次由两个电压比较器、两个单稳触发器、正向和反向共两个或非门和一个可逆计数器串联构成；两个电压比较器输入端分别与上述放大和滤波电路的输出端相连，两个单稳触发器输入端分别与上述两个电压比较器的输出端相连，电压比较器每输出一次电压跳变，单稳触发器就生成一个脉冲信号，输入到两个或非门元件中；当系统正向移动时，正向或非门输出正向脉冲，反向或非门无输出；当系统反向移动时，反向或非门输出反向脉冲，正向或非门无输出；正向和反向脉冲信号按正负被分别送到可逆计数器的加减端，得出物体位移的大小和方向；和

显示电路，其输入端与上述逻辑判向和计数电路的输出端相连，数字显示被测物体沿激光轴线方向的位移大小和方向；

所述扩束的强光折叠回馈位移测量系统还包括底座部分，其含有固定支架，分别与上述激光增益管、横向磁场发生器、光束准直扩展器、激光回馈水平控制器、激光器尾光束输出镜和偏振分光镜固定相连。

本发明的特征还在于，上面所述的石英晶体楔由一片两面都镀有增透膜的玻璃窗片和一块石英晶体替换，该玻璃窗片固定在激光增益管靠近尾光束输出镜的一端，该石英晶体固定在底座上，并且置于玻璃窗片和激光器尾光束输出镜之间；或者上面所述的石英晶体楔由由一片两面都镀有增透膜的玻璃窗片和夹在该窗片上的一个应力发生器替换，该玻璃窗片固定在激光增益管靠近尾光束输出镜的一端。

本发明提供的基于塞曼双折射双频激光器中扩束的强光折叠回馈效应的位移测量系统，分辨率可达十六分之一光波长，对于632.8nm的He-Ne激光器，系统分辨率为39.55nm，实验结果表明该装置测量范围可以达到20mm以上。该位移测量系统能够很容易实现对被测物体位移的方向进行识别，具有分辨率高、测量范围大、抗干扰能力强、性价比高的特点。

附图说明

图1：本发明所述的强光回馈位移测量系统实施实例之一。

图2：本发明所述的主光束输出镜结构示意图。

图3：本发明所述的空心角锥棱镜结构示意图。

图4：本发明所述的石英晶体楔结构示意图。

图5：本发明所述的逻辑判向和计数电路框图。

图6：本发明所述的强光回馈位移测量系统实施实例之二。

图7：本发明所述的强光回馈位移测量系统实施实例之三。

图8：实验得到的回馈过程中两正交偏振光的回馈光强曲线图。

图9：数值模拟得到的回馈过程中两正交偏振光的回馈光强曲线图。

图10：系统识别被测物体位移方向的示意图。

图11：被测物体产生不同位移量时系统的回馈光强曲线图。(a)位移量为10mm；(b)位移量为20mm。

具体实施方式

本发明提供了一种高分辨率，测量范围大，可以识别被测物体移动方向，抗干扰能力强，性价比高的位移测量系统。该装置应用内表面镀有高反射膜，外表面的上部分镀有高反射膜，下部分镀有增透膜的主光束输出镜，以及一个空心角锥棱镜构成激光回馈折叠系统，使得当被测物体沿激光轴线每移动四分之一个光波长位移时，激光器的光强变化一个条纹，系统分辨率提高一倍，同时由于在回馈腔中加入光束准直扩展装置，使得外界干扰对回馈系统的回馈水平和回馈腔的准直性影响很小，系统的抗干扰能力很强，为系统实现大范围测量提供了基础；回馈外腔中加入可调衰减器，控制系统工作在强回馈水平下，由于强光回馈效应，当被测物体沿激光轴线每移动四分之一光波长时，激光强度发生周期性的波动，且一个周期内出现四个偏振态区：o光区、o光和e光共存区、e光区以及无光区，每个区域对应着物体十六分之一光波长位移，系统分辨率比传统的回馈测量系统提高了八倍，同时当被测物体移动方向变化时，每个周期内的四个偏振态区出现的顺序发生改变，由此可以容易实现物体位移方向的判别。

本发明的实验装置(实例一)如图1所示。图1中，4为激光器的主光束输出镜，其内表面镀有高反射膜，反射率为99.0％，外表面的上部分镀有高反射膜，反射率为99.0％，下部分镀有增透膜，如图2所示；5为激光增益管，内充有氦、氖混合气体，氦气采用He³同位素，氖气采用Ne²⁰和Ne²²同位素，所充气体的分压比He³∶Ne²⁰∶Ne²²＝7∶0.5∶0.5；7为石英晶体楔，其两面都镀有增透膜，如图4所示；8为凹面镜，是激光器的尾光束输出镜；6为两块永久磁铁，给整个增益管施加一个方向平行或垂直于上述激光器产生的任意一种偏振光的偏振方向的均匀横向磁场；4的内表面和8构成激光器谐振腔，4、5、6、7和8共同构成塞曼双折射双频激光器；1为空心角锥棱镜，由三块互相垂直的镀有反射率约为99.0％的高反射膜的玻璃平板构成，如图3所示；2为吸收型的可调衰减器；3为光束准直扩展装置，由一组透镜组成；4的外表面上部分和1以及4的内表面共同构成回馈折叠腔；1、2、3和4共同构成准直的强光回馈折叠腔；9为偏振分光棱镜；10和11为两个光电探测器；9、10和11构成信号接受装置，其探测到的信号输入到放大和滤波电路12中，对信号进行放大和滤波后输入到逻辑判向和计数电路13中，经过信号处理得到被测物体运动位移的大小和方向，通过显示装置15进行显示；14是系统底座；16是玻璃罩，减少外部环境的干扰；17是外界被测物体。

本发明的原理如下：

单模He-Ne激光器在光回馈情况下，单位长度内的增益变化量Δg为：

$\mathrm{\Δg}=g-g_0=-\frac{\mathrm{\α}}{2L}\cos (4\mathrm{\πvl}/c+\mathrm{\δ}),---\left(1\right)$

式中，g为有光回馈时的单位长度内的线性增益，g₀为无光回馈时的单位长度内的线性增益，α＝t₂r₃ξ/r₂，其中r₂、t₂分别为激光器主输出镜内表面的反射系数和投射系数，r₃为激光器主输出镜外表面上部分表面的反射系数，ξ为可调衰减器的衰减系数，v为激光频率，c为真空中的光速，L为激光器内腔长，l为激光回馈腔长的变化。δ为光在外腔回馈引起的固定位相差。

对于He-Ne双频激光器，两正交偏振模共享激光腔内同一增益，由于两模之间的模竞争效应，可以得到两模单位长度内的线性增益变化量分别为：

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

Δg_o和Δg_e分别为o光和e光单位长度内的线性增益变化量。

由于系统所用的双频激光器为塞曼双折射双频激光器，其频差远远小于激光介质光谱的均匀加宽(约200MHz)，o、e光之间的相位差Δφ由模竞争决定，实验所得为Δφ≈π/2。

由于回馈时激光强度的变化正比于线性增益的变化，即

I＝I₀-kΔg，(3)

式中，I₀为没有回馈时的初始光强，k为一常量。

则存在光回馈的条件下，激光器两正交偏振模的光强为：

I_o＝I_0o+αK/2L·cos(4πvl/c+δ)

                                                   ，(4)

I_e＝I_0e-αK/2L·cos(4πvl/c+δ+Δφ)

式中，I_o和I_e为光回馈时o光和e光的光强，I_0o和I_0e为没有光回馈时o光和e光的初始光强。

对于折叠回馈系统，设被测物体位移变化为Δl，则此时回馈腔长变化为l＝2Δl。则外部物体的位移引起的位相变化为：

Δδ＝4πvl/c＝2π·2Δl/(λ/2)＝2π·Δl/(λ/4)。   (5)

由式(5)可知，物体每改变四分之一个波长的位移，激光强度波动一个周期。

本系统工作于强回馈水平下，ξ较大，因而α较大，激光强度的调制深度M也较大，M可表达为：

M＝αK/2L。  (6)

考虑到激光强度无负值，准直的强光回馈折叠系统中o、e光光强表达式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{I}_o=I_{0o}+\mathrm{\&alpha;K}/2L\&CenterDot;\cos (8\mathrm{\&pi;v\&Delta;l}/c+\mathrm{\&delta;}),& (I_{0o}\&GreaterEqual;M)\\ I_o=0,& (I_{0o}<M)\end{array}\right.$

                                                                 ，(7)

$\left\{\begin{array}{cc}{I}_o=I_{0o}+\mathrm{\&alpha;K}/2L\&CenterDot;\sin (8\mathrm{\&pi;v\&Delta;l}/c+\mathrm{\&delta;}),& (I_{0o}\&GreaterEqual;M)\\ I_o=0,& (I_{0o}<M)\end{array}\right.$

当激光器的频差Δv为8.86MHz，内腔长L为190mm，外部回馈腔长l为380mm，系统总的回馈水平为84.8％时，随着被测物体沿着激光轴线移动时，扩束的强光折叠回馈效应使得两正交偏振光的光强变化曲线如图8所示。其中圈点线为o光回馈光强曲线，实点线为e光回馈光强曲线，三角波为压电陶瓷驱动被测物体的驱动电压曲线。

由图8我们可以看到，o、e光光强周期性变化，光强调制深度很大，物体向相反两个方向运动时，o、e光光强调制曲线是对称的。每个周期内o、e光交替振荡，且都有无光区，出光宽度和无光宽度几乎相等，o、e光之间存在约π/2的位相差，这样每个周期内都存在四种状态：一为只有e光振荡，o光此时熄灭，称之为e光区；二为o光和e光共存区，o光和e光都能够振荡；三为o光区，只有o光振荡，e光此时熄灭；四为无光区，o、e光都不振荡。o、e光强调制曲线的一个周期对应着被测物体四分之一光波长位移，则每个区对应着被测物体十六分之一光波长位移，对于632.8nm的He-Ne激光器，系统分辨率为39.55nm，是普通回馈系统分辨率的八倍。

根据式(7)进行仿真分析，数值模拟得到回馈过程中两正交偏振光的回馈光强曲线，如图9所示。图8的实验结果与图9的数值模拟结果相吻合。

图10为系统识别被测物体位移方向的示意图。一个周期内，o、e光回馈曲线被分为四份，AB为无光区，BC为e光区，CD为o、e光共存区，DE为o光区，EF又为无光区，FG为e光区。当压电陶瓷电压增加，即被测物体向回馈腔长减小的方向移动时，四个区出现的顺序是无光区，e光区，o、e光共存区，o光区，无光区；当压电陶瓷电压减小，即被测物体向回馈腔长增加的方向移动时，四个区出现的顺序是无光区，o光区，o、e光共存区，e光区，无光区；被测物体位移方向不同时，四个区出现的顺序不同，通过信号处理可以很方便实现物体位移方向的辨识。

图11为被测物体产生不同位移量时系统的回馈光强曲线图，其中(a)为位移量10mm时的回馈光强曲线图，(b)为位移量20mm时的曲线图。由图11可以看到，当物体大范围移动时，o、e光光强曲线几乎不变，一个周期内曲线仍然可以分为四个区，实现被测物体位移方向的识别和分辨率的提高。He-Ne激光器有很好的相干性，原理上本发明所设计的位移测量系统所能测量的最大位移范围为激光器相干长度的一半，实验表明该位移测量系统的测量范围至少为20mm。本装置具有高分辨率的同时还具有非常大的测量范围。

本发明的实例二的原理结构示意图如图6所示。图6与图1所示的结构基本相同，1至17共十七个元件除7外与图1中都相同，此处不再重复介绍。7为一窗片，两面都镀有增透膜，固定在增益管的一侧；18为石英晶体，置于窗片7和尾光束输出镜8之间，用来产生频率分裂。4、5、6、7、8和18共同构成塞曼双折射双频激光器。系统分辨率仍然是十六分之一光波长，可识别被测物体位移方向，具有大的量程和很强的抗干扰能力。

本发明的实例二的原理结构示意图如图7所示。图7与图1所示的结构基本相同，1至17共十七个元件除7外与图1中都相同，此处不再重复介绍。7为一窗片，两面都镀有增透膜，固定在增益管的一侧；18为应力施加装置，它沿垂直激光器增益管的轴线方向对窗片7施加一个应力，由于窗片的双折射效应，一个频率可以分为两个频率。4、5、6、7、8和18共同构成塞曼双折射双频激光器。

本发明设计了一种基于塞曼双折射双频激光器中扩束的强光折叠回馈效应的位移测量系统，该装置应用塞曼双折射双频激光器、光束准直扩展器、空心角锥棱镜、可调衰减器和具有高反射率的回馈镜构成扩束的强光折叠回馈系统。空心角锥棱镜固定在被测物体上，当被测物体沿激光轴线每移动四分之一光波长时，激光强度发生周期性的波动，且一个周期内有四个偏振态区：o光区、o光和e光共存区、e光区以及无光区，每个区域对应着物体十六分之一光波长即39.55nm的位移，探测偏振态区域数即可得到被测物体的位移量；当被测物体移动方向变化时，每个周期内的四个偏振态区出现的顺序发生改变，由此可以判别物体位移方向。该装置具有精度高、量程大、易判向、抗干扰能力强、性价比高的特点。

Claims (3)

1.  扩束的强光折叠回馈位移测量系统，其特征在于，所述的系统含有：

扩束的强光折叠回馈装置，包括：

塞曼双折射双频激光器，输出频差小于40MHz的两正交线偏振频率的光，该激光器含有：

激光增益管，内充有氦、氖混合气体；

石英晶体楔，固定于上述激光增益管的一侧；该石英晶体楔两面都镀有增透膜；

激光器谐振腔，包括主光束输出镜和尾光束输出镜；主光束输出镜固定在上述激光增益管的另一侧，该主光束输出镜内表面镀有强反射膜，外表面的上部分也镀有强反射膜，外表面的下部分镀有增透膜；尾光束输出镜位于上述石英晶体楔的外侧，该尾光束输出镜内表面镀有强反射膜；和

横向磁场发生器，由上下两块平行于所述的激光增益管中轴线的永久磁铁构成，整个激光增益管处于磁场中，磁场方向平行或垂直于上述激光器产生的任意一种线偏振光的偏振方向；

该扩束的强光折叠回馈装置还包括激光回馈外腔，其由上述主光束输出镜的内表面和上述主光束输出镜的外表面的上部分构成，该主光束输出镜既做激光内腔镜又做外腔回馈镜；

该扩束的强光折叠回馈装置还包括回馈外腔折叠器，其为一个空心角锥棱镜，由三块互相垂直的镀有强反射膜的玻璃平板构成，置于上述激光回馈外腔的回馈光路中，激光器主输出端输出的回馈光依次通过所述的三块玻璃平板后，被所述的主光束输出镜的外表面的上部分反射回激光回馈外腔；

该扩束的强光折叠回馈装置还包括光束准直扩展器，其由一组垂直于激光器主输出端输出的回馈光的相互平行的透镜组成，置于上述激光回馈光路的主输出端，将激光器主输出端输出的回馈光进行准直和扩束；

该扩束的强光折叠回馈装置还包括激光回馈水平控制器，其为一个吸收型的可调衰减器，置于上述光束准直扩展器的一侧，使系统工作在强回馈水平下；所述扩束的强光折叠回馈位移测量系统还包括信号探测与处理部分，其包括：

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偏振态正交的两频率光的光强；

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；

逻辑判向和计数电路，依次由两个电压比较器、两个单稳触发器、正向和反向共两个或非门和一个可逆计数器串联构成；两个电压比较器输入端分别与上述放大和滤波电路的输出端相连，两个单稳触发器输入端分别与上述两个电压比较器的输出端相连，电压比较器每输出一次电压跳变，单稳触发器就生成一个脉冲信号，输入到所述两个或非门中；当系统正向移动时，正向或非门输出正向脉冲，反向或非门无输出；当系统反向移动时，反向或非门输出反向脉冲，正向或非门无输出；正向和反向脉冲信号按正负被分别送到可逆计数器的加减端，得出物体位移的大小和方向；和

显示电路，其输入端与上述逻辑判向和计数电路的输出端相连，数字显示被测物体沿激光轴线方向的位移大小和方向；

所述扩束的强光折叠回馈位移测量系统还包括底座部分，其含有固定支架，分别与上述激光增益管、横向磁场发生器、光束准直扩展器、激光回馈水平控制器、尾光束输出镜和偏振分光镜固定相连。

2. 如权利要求1所述扩束的强光折叠回馈位移测量系统，其特征在于所述的石英晶体楔由一片两面都镀有增透膜的玻璃窗片和一块石英晶体替换，该玻璃窗片固定在激光增益管靠近尾光束输出镜的一端，该石英晶体固定在底座上，并且置于玻璃窗片和尾光束输出镜之间。

3. 如权利要求1所述扩束的强光折叠回馈位移测量系统，其特征在于所述的石英晶体楔由一片两面都镀有增透膜的玻璃窗片和夹在该窗片上的一个应力发生器替换，该玻璃窗片固定在激光增益管靠近尾光束输出镜的一端。

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