CN101021563A - 双折射外腔回馈位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测量技术领域，其特征在于：应用LD泵浦的单频微片Nd:YAG激光器、双折射外腔回馈和测量电路构成双折射外腔回馈位移测量系统。当被测物沿激光轴线移动时，在输出端的X和Y方向得到两路相位差为90度的余弦信号。被测物每移动二分之一波长，激光器输出光强改变一个条纹。引入阈值光强后，一个周期的激光光强分成四个偏振区域，每个区域对应被测物八分之一光波长位移，探测偏振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。该装置具有结构紧凑、性价比高、易判向、体积小的特点。

Description

双折射外腔回馈位移测量系统

技术领域

本发明属于激光测量技术领域。

背景技术

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。

激光回馈位移测试技术的研究兴起于80年代，大部分的研究都集中于半导体激光器中的回馈研究。这种位移测量装置光路系统只有一个激光器和一个外部反射物。激光器输出的光被反射或者散射后返回激光谐振腔，与腔内光混合引起激光器的功率变化，外部反射镜每移动半个光波长的位移，激光器功率变化一个条纹，条纹的波动深度与传统双光束干涉系统可比较。此干涉条纹可直接用于计数而实现位移测量分辨率为半个光波长。但是，半导体激光器回馈现象用于位移测量存在以下三个问题：首先，半导体激光器发散角很大，必须在外腔加入准直聚焦光学元件，造成结构复杂，而且还容易产生多重回馈，导致计数出错。其次，半导体激光器回馈不能够对被测物的位移方向进行识别。尽管有研究发现，半导体激光器工作在弱光回馈和中等光回馈下，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腔反射物的移动方向有关。一些研究者试图用此现象来解决半导体激光回馈位移测量的判向问题。但是此时回馈系统的分辨率仅仅半个光波长，不利于细分，而且锯齿波条纹在换向时会产生计数误差。最后，半导体激光器回馈现象比较复杂，根据回馈水平的不同(强回馈，中等回馈，弱回馈)，其回馈信号各不同，容易引起计数误差。

也有学者提出用He-Ne激光器做光回馈位移测量系统的光源。虽然He-Ne激光准直性好，可以实现大量程测量而不需外腔准直元件，但是He-Ne激光器尺寸巨大，谐振腔长几百甚至上千毫米，并且，He-Ne激光器放电管是个大热源，影响激光器功率的稳定性，导致回馈信号出错，引起计数误差。

发明内容

本发明目的在于提出一种结构紧凑，性价比高，可以识别被测物体的位移方向的高分辨率的光回馈位移测量系统，可以有效地解决上述问题。

本发明特征在于，它含有：

1.双折射外腔回馈位移测量系统，其特征在于，含有：

微片Nd:YAG单频线偏振激光器、双折射外腔回馈和信号探测与处理三个部分，其中：

A：微片Nd:YAG单频线偏振激光器，含有：

带尾纤的LD泵浦源1，产生泵浦光；

准直聚焦透镜组2；

全内腔Nd:YAG晶体3，它的左、右两个表面构成激光谐振腔，所述准直聚焦透镜组2把带尾纤的LD泵浦源1输出的泵浦光汇聚于Nd:YAG晶体表面，使之产生单频线偏振激光；

B：双折射外腔回馈，所述的双折射外腔回馈含有：

分束器4，把所述微片Nd:YAG单频线偏振激光器输出的光分成两部分：一部分用于回馈，另一部分用于光强探测；

45度波片5，该波片的快、慢轴分别和所述微片Nd:YAG单频线偏振激光器输出的用于回馈的单频线偏振光成45度夹角；

衰减器6，接收并衰减所述45度波片5的输出光，以控制所述微片Nd:YAG单频线偏振激光器的回馈水平，防止模跳变的产生；

外腔回馈反射镜7，作外部反射物用，接收所述衰减器6的输出光，把激光回馈至所述激光谐振腔；

压电陶瓷PZT 8，固定在所述外腔回馈反射镜7的沿输入光方向的外侧，以便在输入电压的作用下，该压电陶瓷PZT 8推动外腔回馈反射镜7沿激光轴线方向左、右移动；

C：信号探测与处理部分，含有：

偏振分光棱镜9，把分束器4输出的偏振光在空间上分成两路具有90度位相差的X向、Y向光强余弦分量；

光电探测器10、11，共两个，分别探测所述偏振分光棱镜9输出的X向和Y向两个光强余弦分量；

放大和滤波电路12，两个输入端分别与所述光电探测器10、11的输出端相连，对所述光电探测器接收到的信号进行放大和滤波；

电压比较电路13，两个输入端分别与所述放大和滤波电路12的两个输出端相连，通过在电压比较电路13中预设一个对应于阈值光强的阈值电压，控制两路输入信号，以便在外腔回馈反射镜7移动二分之一光波长的位移，使外腔长改变二分之一光波长的一个周期内，所述的两路信号组合后共得到以下四个互不相同的偏振区域：X向偏振光、X向和Y向偏振光共存区，Y向偏振光以及无光区，所述四个偏振区域中的每一个区域对应被测外部反射物的八分之一光波长位移；

其余处理电路14，依次包括相互关联的逻辑判向、计数以及数字显示电路，当外腔回馈反射镜7正向或者反向移动时，所述四个偏振区域在两路信号组合中出现的顺序不同；通过判别偏振区域数及其出现的顺序变化即能给出运动位移的大小和方向。

本发明的特征还在于，所述的45度波片5是一个延迟量为45度的晶体石英楔，或者所述的45度波片5由一个玻璃片和夹在该玻璃片上下两端的一个机械应力发生器构成。

本发明提供了一种双折射外腔回馈位移测量系统，分辨率可达八分之一波长，对于1.064μm的Nd:YAG激光器，系统分辨率为133nm。该系统具有结构紧凑，性价比高，并且易于实现位移方向的识别以及高分辨率等特点。

附图说明

图1：本发明所述双折射外腔回馈位移测量系统实施实例之一。

图2：本发明所述双折射外腔回馈位移测量系统实施实例之二。

图3：本发明所述双折射外腔回馈位移测量系统实施实例之三。

图4：双折射外腔回馈位移测量系统坐标系示意图。

图5：数值模拟的X向、Y向偏振光的回馈光强曲线图。

图6：实验得到的回馈过程中X向、Y向偏振光的回馈光强曲线图。

图7：引入阈值光强后产生四个偏振区域的示意图。

具体实施方式

本发明的实验装置(实例一)如图1所示。图1中，1是带尾纤输出的半导体激光器，用作泵浦源；2是准直聚焦透镜组，把泵浦光聚焦于3的表面；3是激光增益介质-Nd:YAG晶体，3的两个表面构成激光谐振腔；4是分束器，把激光器输出光分成两部分，其中一部分用于回馈，另一部分用作信号探测；5是一个位相延迟量为45度的波片，其快、慢轴和激光器输出光的偏振方向夹角为45度；6是衰减器，用于控制回馈水平，防止模跳变的产生；7为外腔回馈反射镜，反射率50％；8为压电陶瓷PZT，它固定在所述外腔回馈反射镜7上，在输入电压的作用下，它推动所述外腔回馈反射镜7沿激光轴线方向左、右移动；4、5、6、7以及Nd:YAG晶体3的输出面共同构成双折射外腔回馈；9为偏振分光棱镜(渥拉斯顿棱镜)；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电压比较电路13中，通过引入阈值电压，得到两路信号，所述的两路信号其组合构成四个偏振区域，这两路信号输入其余处理电路14，包括逻辑判向、计数以及数字显示电路，给出被测物运动位移的大小和方向。

本发明的原理如下：

建立如图4所示的坐标系，Z轴为Nd:YAG激光器输出光的传播方向。激光的电场方向E分别与X轴、Y轴成45度。双折射外腔回馈中波片5的快、慢轴(即o轴、e轴)分别与X轴、Y轴重合。偏振分光棱镜9的两光轴分别与X轴、Y轴重合。

单模Nd:YAG激光器在光回馈下，阈值增益的变化量Δg为：

$\mathrm{\Δg}=g-g_0=-\frac{\mathrm{\ζ}}{2\mathrm{nd}}\cos \left(\mathrm{\ω}\frac{2L}{c}\right),---\left(1\right)$

式中，g为有光回馈时的阈值增益，g₀为无光回馈时的阈值增益，ζ为光回馈因子正比于外腔反射镜的反射系数，n为Nd:YAG晶体的折射率，d为Nd:YAG晶体的厚度，ω为激光角频率，c为真空中的光速，L为激光器外腔长。

电场E在双折射外腔中，沿波片的o轴和e轴方向被分解为E_o，E_e。被外腔反射镜反馈回激光谐振腔的E_o，E_e分别与腔内电场E的X向、Y向分量E_X，E_Y作用，在X、Y方向上分别调制了激光器的阈值增益，如下：

$\mathrm{\Δ}{g}_X=-\frac{\mathrm{\ζ}}{2\mathrm{nd}}\cos \left(\mathrm{\ω}\frac{2L}{c}\right),---\left(2\right)$

$\mathrm{\Δ}{g}_Y=-\frac{\mathrm{\ζ}}{2\mathrm{nd}}\cos (\mathrm{\ω}\frac{2L}{c}+2\mathrm{\δ}),---\left(3\right)$

式中，δ为双折射外腔中波片引起的E_o，E_e之间的附加相位差。

由于回馈时激光强度的变化正比于阈值增益的变化，即

I＝I₀-kΔg，    (4)

式中，I₀为没有回馈时的初始光强，k为一常量。

则光回馈下，激光器在X、Y方向上的光强分量为：

I_X＝I_X0+ζk/2nd·cos(2ωL/c)，    (5)

I_Y＝I_Y0+ζk/2nd·cos(2ωL/c+2δ)，    (6)

式中，I_X和I_Y为光回馈时X向、Y向的光强，I_X0和I_Y0为没有光回馈时X向、Y向的初始光强。

对于光回馈系统，假设被测物位移变化为ΔL，那么外部物体的位移引起的位相变化为：

由式(7)可知，物体每改变二分之一光波长的位移，激光强度波动一个周期。

当外腔回馈中的波片延迟量为45度时，双折射外腔回馈位移测量系统中X向、Y向的光强表达式为：

I_X＝I_X0 +ζk/2nd·cos(2ωΔL/c)    (8)

I_Y＝I_Y0+ζk/2nd·cos(2ωΔL/c+π/2)    (9)

由以上两式可知，外腔回馈反射镜每移动二分之一光波长的位移，X、Y方向偏振光各自光强变化一个余弦条纹，而且两条纹间有一个相位差π/2，外腔在伸长时Y方向偏振光回馈曲线超前于X方向，而在外腔缩短时Y方向偏振光回馈曲线落后于X方向。根据式(8)和(9)进行仿真分析，数值模拟得到光回馈过程中X、Y方向偏振光的回馈光强曲线，如图5所示。

当外腔回馈镜7在压电陶瓷PZT8的推动下，沿激光轴线左右移动时，连续改变外腔长，光电接收器10、11得到的激光强度曲线如图6所示。其中，实点线为X方向光回馈激光强度曲线，圈点线为Y方向光回馈激光强度曲线，三角波为压电陶瓷PZT驱动被测物体的驱动电压曲线。两方向偏振光回馈曲线因外腔反射镜移动方向不同而出现二者间超前或落后的关系可以实现判向。图6的实验结果和图5的数值模拟结果相吻合。

引入一个阈值光强I_th，在电路上通过电压比较电路13来实现，那么，X、Y方向偏振光小于I_th的部分就可以忽略，得到图7所示的信号。这样，外腔长改变二分之一光波长的一个周期内，X、Y方向偏振光回馈曲线被等分成四个区域：X向偏振光，X向和Y向偏振光共存区，Y向偏振光以及无光区，每个区域对应被测物八分之一光波长位移。当压电陶瓷PZT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，X向偏振光，X向和Y向偏振光共存区，Y向偏振光，无光区；当压电陶瓷PZT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，Y向偏振光，X向和Y向偏振光共存区，X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。

本发明的实例二的原理结构示意图如图3所示。图3和图1所示的结构基本相同，1至14共十四个元件除5外与图1都相同，此处不再重复。5为晶体石英楔；由于晶体石英的双折射效应，使得此石英楔在X向和Y向产生45度相位差，4、5、6、7以及Nd:YAG晶体3的输出面共同构成双折射外腔回馈。系统分辨率仍然是八分之一光波长，可识别被测物体位移方向。

本发明的实例三的原理结构示意图如图3所示。图3和图1所示的结构基本相同，1至14共十四个元件除5外与图1都相同，此处不再重复。5为一玻璃片；15为应力施加装置，它沿垂直激光器的轴线方向对玻璃片5施加一个应力，由于应力—双折射效应，使得此玻璃片在X向和Y向产生相位差，等同于一个双折射元件。4、5、6、7、15以及Nd:YAG晶体3的输出面共同构成双折射外腔回馈。

本发明提供了一种双折射外腔回馈位移测量系统，该装置应用LD泵浦的单频微片Nd:YAG激光器、衰减器、45度波片和外部反射镜构成双折射外腔回馈位移测量系统。外部反射镜固定在被测物体上，当被测物沿激光轴线移动时，在输出端的X和Y方向得到两路相位差为90度的余弦信号。被测物每移动二分之一波长，激光器输出光强改变一个条纹。引入阈值光强后，一个周期的激光光强分成四个偏振区域：X向偏振光，X向和Y向偏振光共存区，Y向偏振光以及无光区，每个区域对应被测物八分之一光波长即133nm的位移，探测偏振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区出现的顺序也发生改变，由此可以判别物体位移方向。该系统具有结构紧凑，性价比高，并且易于实现位移方向的识别以及高分辨率等特点。

Claims (3)

1.双折射外腔回馈位移测量系统，其特征在于，含有：微片Nd:YAG单频线偏振激光器、双折射外腔回馈和信号探测与处理三个部分，其中：

A：微片Nd:YAG单频线偏振激光器，含有：

带尾纤的LD泵浦源(1)，产生泵浦光；

准直聚焦透镜组(2)；

全内腔Nd:YAG晶体(3)，它的左、右两个表面构成激光谐振腔，所述准直聚焦透镜组(2)把带尾纤的LD泵浦源(1)输出的泵浦光汇聚于Nd:YAG晶体表面，使之产生单频线偏振激光；

B：双折射外腔回馈，所述的双折射外腔回馈含有：

分束器(4)，把所述微片Nd:YAG单频线偏振激光器输出的光分成两部分：一部分用于回馈，另一部分用于光强探测；

45度波片(5)，该波片的快、慢轴分别和所述微片Nd:YAG单频线偏振激光器输出的用于回馈的单频线偏振光成45度夹角；

衰减器(6)，接收并衰减所述45度波片(5)的输出光，以控制所述微片Nd:YAG单频线偏振激光器的回馈水平，防止模跳变的产生；

外腔回馈反射镜(7)，作外部反射物用，接收所述衰减器(6)的输出光，把激光回馈至所述激光谐振腔；

压电陶瓷PZT(8)，固定在所述外腔回馈反射镜(7)的沿输入光方向的外侧，以便在输入电压的作用下，该压电陶瓷PZT(8)推动外腔回馈反射镜(7)沿激光轴线方向左、右移动；

C：信号探测与处理部分，含有：

偏振分光棱镜(9)，把分束器(4)输出的偏振光在空间上分成两路具有90度位相差的X向、Y向光强余弦分量；

光电探测器(10)、(11)，共两个，分别探测所述偏振分光棱镜(9)输出的X向和Y向两个光强余弦分量；

放大和滤波电路(12)，两个输入端分别与所述光电探测器(10)、(11)的输出端相连，对所述光电探测器接收到的信号进行放大和滤波；

电压比较电路(13)，两个输入端分别与所述放大和滤波电路(12)的两个输出端相连，通过在电压比较电路(13)中预设一个对应于阈值光强的阈值电压，控制两路输入信号，以便在外腔回馈反射镜(7)移动二分之一光波长的位移，使外腔长改变二分之一光波长的一个周期内，所述的两路信号组合后共得到以下四个互不相同的偏振区域：X向偏振光、X向和Y向偏振光共存区，Y向偏振光以及无光区，所述四个偏振区域中的每一个区域对应被测外部反射物的八分之一光波长位移；

其余处理电路(14)，依次包括相互关联的逻辑判向、计数以及数字显示电路，当外腔回馈反射镜7正向或者反向移动时，所述四个偏振区域在两路信号组合中出现的顺序不同；通过判别偏振区域数及其出现的顺序变化即能给出运动位移的大小和方向。

2.根据权利要求1所述的双折射外腔回馈位移测量系统，其特征在于，所述的45度波片(5)是一个延迟量为45度的晶体石英楔。

3.根据权利要求1所述的双折射外腔回馈位移测量系统，其特征在于，所述的45度波片(5)由一个玻璃片和夹在该玻璃片上下两端的一个机械应力发生器构成。

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