CN101135551A - 稳频的频差可调的双频激光器回馈纳米测尺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及稳频的频差可调的双频激光器回馈纳米测尺，属于激光测量技术领域。其特征在于：该纳米测尺由光源、探头和靶镜三部分组成。其光源使用的是稳频后的双频氦氖激光器，该双频激光器的输出频差在1MHz至几百MHz之间连续可调，当靶镜或者被测目标的表面沿激光器轴线每移动八分之一光波长，光源输出光的偏振态改变一次。在可溯源至自然基准的一个周期范围内，顺序出现四种不同状态的偏振态：平行光单独振荡，平行光和垂直光共同振荡，垂直光单独振荡，无光振荡。据此可判断被测目标位移的大小和方向。在光开关等配件的辅助下，本纳米测尺还可以对生产线上零部件的长度实现实时在线测量，具有稳定可靠，分辨率高，响应速度快，安装便捷的特点。

Description

稳频的频差可调的双频激光器回馈纳米测尺

技术领域

本发明涉及一种稳频的频差可调的双频激光器回馈纳米测尺，属于激光测量技术领域。

背景技术

激光回馈效应(又称自混合干涉效应)是激光物理中的一种基本效应，其基本点是：激光器输出的光束被谐振腔外的反射表面反射回腔内，与腔内的光场叠加，从而对激光器的输出光强、功率、相位等物理量进行调制。激光回馈效应在1963年被King等人发现后，国内外的研究者们都致力于消除这种效应对激光器输出特性的影响，因为这种“噪声”的存在，使得现有的激光器的稳频方法失效。

随着研究的深入，研究者们发现，激光回馈效应和传统的双光束干涉效应具有相同的调制深度和相位灵敏度。特别是，当谐振腔外的反射表面沿激光器轴线位移时，激光器的输出光强会发生周期性的变化，这种变化中包含了反射表面位移的大小和方向等信息，通过电路处理，就可以实现对反射表面的位移测量。而且利用激光回馈效应进行位移测量只需要一个通道，比需要参考臂和测量臂两个干涉通道的传统的干涉仪，结构更简单，成本更低廉。因此，激光回馈效应已经被国内外众多学者研究、开发、应用于位移、速度、振动、角度等物理量的测量。但是激光回馈效应中的稳频问题，一直是研究者们必须面对却又难以解决的瓶颈问题，回馈系统的频率稳定性约为s＝10-6，它使得回馈测量系统在稳定性方面无法和普通干涉仪(s<10-7)匹敌。另外，在回馈位移测量方面，研究者们普遍遇到了无法突破衍射极限二分之一光波长，以及无法准确判断被测物位移的方向等问题，而使得回馈位移测量技术的研究进展缓慢。

另一方面，传统的塞曼双频激光器，根据塞曼效应的原理输出频差一般不超过3MHz，限制了以它为光源的干涉仪的测量速度(不能超过900mm/s)。通过在激光器谐振腔内放置双折射元件而获得双频输出的双折射双频激光器，由于模竞争的原因，输出频差不能小于40MHz。因此，在塞曼双频激光器的3MHz频差上限和双折射双频激光器的40MHz频差下限之间有一个空白区域，而这一区域的频差既能满足快速测量的速度要求，又能使后续处理电路简单易行，其应用价值是最高的。

发明内容

本发明综合了激光回馈效应、塞曼效应和双折射效应的优点，提供了一种以输出频差能在1MHz至几百MHz之间连续可调的双频激光器为光源的，频率稳定性优于10-8，分辨率八分之一光波长，并实现了可判向测量的回馈纳米测尺。

本发明的特征在于，它含有：

光源部分，是一个输出频差在1MHz至几百MHz连续可调的正交线偏振光、经过热稳频的全内腔式的双频激光器，该激光器包含：

激光增益管，内充氦氖混合气；

主光输出镜，位于所述激光增益管轴向一侧，为平镜，其面向增益管的内表面镀反射膜，外表面镀增透膜；

尾光输出镜，位于所述激光增益管轴向另一侧，为凹镜，其面向增益管的凹面镀增透膜，外表面镀反射膜；

横向磁场发生器，由两块平行置于所述激光增益管中轴线两侧的永久磁铁组成，使整个增益管处于磁场中，磁场方向垂直于激光器轴线，平行或垂直于激光器输出的任意一偏振态的偏振方向；

稳频结构，由密绕于氦氖激光器外壳(不含管脖)的电阻丝和铝制外壳构成，通电后电阻丝的热效应可为激光器均匀加热，使激光器在较短的时间内达到热稳定，铝制外壳将激光管封闭在一个温度相对独立的空间，从而稳定激光器的频率；

应力施加装置，用于对所述输出镜施加一个垂直于激光器轴线的应力；

探头部分，它包括：

偏振分光棱镜，位于所述尾光输出镜的另一侧，用于将正交偏振的激光器输出光分开为偏振方向互相垂直且沿不同方向传播的两束；

光电探测器，共两个，位于所述格兰棱镜的有光束输出的两个表面，用来检测格兰棱镜所分开的两束正交偏振的激光束的光强变化；

放大电路，共两个，位于上述光电探测器的后端，用于对光电探测器的输出进行电流一电压转换和信号放大处理；

探头的上述部分集成装配在独立的黑盒子内，只在两侧分别留出光束输入端和电路输出端；

A/D转换电路，采集两路放大信号，并将其转换为数字信号；

FPGA芯片及其外围电路，主要完成对数字信号的整形、滤波，并在信号上加浮动阈值电压，完成分区细分的计数和判断位移方向的运算；

数字显示器，用于对位移测量的结果进行显示；

上述光源部分和探头的黑盒子部分各自经固定支架安装在同一底座平台上；

靶镜部分，是一个可固定在被测物体上的反射镜，所述反射镜可以随被测物体一起沿激光器主光束出射方向位移，使入射到被测物体上的两束正交的偏振光被反射回激光谐振腔分别与腔内的两束正交偏振光叠加，引起两束正交的偏振光各自的光强波动，所述反射镜的反射率范围为0.1％～99.99％，所述反射镜也可以为被测物的光滑表面；

本发明的特征，还在于，它含有：

光源部分，是一个单纵模输出频差在1MHz至几百MHz连续可调的正交线偏振光的经过电路稳频的半外腔式的双频激光器，该激光器包含：

激光增益管，内充氦氖混合气；

增透窗片，位于所述激光增益管轴向一侧，为平镜，其内外表面均镀增透膜；

主光输出镜，位于所述增透窗片的另一侧，为平镜，其面向增透窗片的内表面镀反射膜；

驱动部件，为管状压电陶瓷，与所述主光输出镜的外表面固结在一起，用于驱动输出镜，实现腔调谐和动态稳频；

位相调节器，位于所述主光输出镜的另一侧，由波片或其它有位相调节功能的元件构成，其功能是调整两束正交的偏振光之间的位相差；

尾光输出镜，位于所述激光增益管轴向另一侧，为凹镜，表面镀反射膜；

横向磁场发生器，由两块平行置于所述激光增益管中轴线两侧的永久磁铁组成，使整个增益管处于磁场中，磁场方向垂直于激光器轴线，平行或垂直于激光器输出的任意一偏振态的偏振方向；

稳频结构，由所述的固定在主光输出镜上的驱动部件和稳频电路组成；

应力施加装置，用于对所述增透窗片施加一个垂直于激光器轴线的应力；

探头部分，它包括：

偏振分光棱镜，位于所述尾光输出镜的另一侧，用于将正交偏振的激光器输出光分开为偏振方向互相垂直且沿不同方向传播的两束；

光电探测器，共两个，位于所述格兰棱镜的有光束输出的两个表面，用来检测格兰棱镜所分开的两束正交偏振的激光束的光强变化；

放大电路，共两个，位于上述光电探测器的后端，用于对光电探测器的输出进行电流/电压转换和信号放大处理；

探头的上述部分集成装配在独立的黑盒子内，只在两侧分别留出光束输入端和电路输出端；

A/D转换电路，采集两路放大信号，并将其转换为数字信号；

FPGA芯片及其外围电路，主要完成对数字信号的整形、滤波，并在信号上加浮动阈值电压，完成分区细分的计数和判断位移方向的运算；

稳频电路，用于对所述A/D转换电路采集的两路信号的峰值点进行比较分析，并据此输出控制信号给D/A转换电路，经PI放大器放大后，控制所述光源部分的驱动部件推动输出镜运动，实现对激光器的动态稳频；

数字显示器，用于对位移测量的结果进行显示；

上述光源部分和探头的黑盒子部分各自经固定支架安装在同一底座平台上；

靶镜部分，是一个可固定在被测物体上的反射镜，所述反射镜可以随被测物体一起沿激光器主光束出射方向位移，使入射到被测物体上的两束正交的偏振光被反射回激光谐振腔分别与腔内的两束正交偏振光叠加，引起两束正交的偏振光各自的光强波动，所述反射镜的反射率范围为0.1％～99.99％，所述反射镜也可以为被测物的光滑表面；

本发明提供了一种频率稳定，频差可调，分辨率突破衍射极限，实现可判向测量的纳米量级光学测尺，该测尺体积小巧，成本低廉，并能进行非接触式的测量。

附图说明

图1：热稳频的全内腔式双折射一塞曼双频激光器回馈纳米测尺示意图。

图2：电路稳频的半外腔式双折射一塞曼双频激光器回馈纳米测尺示意图。

图3：基于双折射一塞曼双频激光器腔调谐曲线的静态稳频原理图。

图4：测量过程中两束正交偏振光的回馈光强曲线及动态稳频点示意图。

图5：加上浮动阈值电压后的信号进行细分计数及判向测量示意图。

具体实施方式

本发明的实例一结构如图1所示，2为氦氖激光器的主光输出镜，其反射率为99.5％，反射膜镀在该平面镜的右表面，增透膜镀在该平面镜的左表面，激光器增益管3内充满He和Ne的混合气体。尾光输出镜7的左表面镀增透膜，为凹面，右表面镀反射膜，为平面，反射率为99.8％左右。2，3和7共同组成了一只全内腔式的氦氖激光器，腔长为80mm～120mm。在尾光输出镜7上对径施加一个外力13后，由于应力双折射效应，使激光器输出了两束正交偏振光：平行光和垂直光。通过控制外力的大小可以调整两束正交偏振光之间的频差。在主光输出镜2上对径施加一个外力13后，通过调整外力大小，可以人为控制两束正交偏振光之间的位相差。密绕于增益管3上的电阻丝5和激光管的铝制外壳6共同构成了激光器的热稳频结构，通电后5发热，使激光管周围的温度在较短的时间内上升，迅速稳定激光器的输出频率，6起到保温和热平衡的作用，使稳频后的激光器受周围温度波动的影响很小，从而达到长时间稳频的目的。置于激光器两侧的条状永久磁铁4安装在6上面，其功能是为增益管3提供一个与激光器轴线垂直的横向磁场，产生横向塞曼效应。该热稳频的全内腔式双折射一塞曼双频激光器回馈纳米测尺的工作过程是：当被测物的表面或者靶镜1沿激光器轴线位移时，两束正交偏振光的光强会发生周期性的变化，通过偏振分光棱镜8后，两束正交偏振光分别沿不同方向传播，并分别被光电探测器9和12探测，经过转换放大和A/D采集电路10后，被送入FPGA芯片及外围电路11进行分析和计算，最终在显示器14上显示出了被测物体的位移大小和方向，其中，如果被测物体位移方向与系统设定的正方向一致，则位移显示为正数，反之则为负值。

本发明的原理如下：

在单模振荡的氦氖激光器中，由腔内应力双折射效应产生的两束正交偏振光之间的频率差Δv和外应力F之间的关系满足：

$\mathrm{\&Delta;v}=8\frac{v}{L}\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}{f}_0}F---\left(1\right)$

式中，v为光频，L为激光器谐振腔长，λ为光波长，D为晶体的直径，f₀为材料条纹值。

当有激光回馈效应作用时，图1中的靶镜1和主光输出镜2构成了一个F-P腔，我们称之为回馈外腔，可以将靶镜1的有效反射率耦合至主光输出镜2上，此时，双折射一塞曼双频激光器输出的两束正交偏振光的光强变化可以表示为：

ΔI₁＝I₁-I_o1＝c(β₂-θ)(R_f1-R₂)/4ML，

ΔI₂＝I₂-I_o2＝c(β₁-θ)(R_f2-R₂)/4ML，    (2)

M＝β₁β₂-θ₁₂θ₂₁.

式中，下标1和2分别代表平行光和垂直光，I₁和I₂分别为平行光和垂直光在有激光回馈条件下的稳态光强，I_o1和I_o2为二者在无光回馈时的稳态光强，β₁和β₂为饱和参量，θ₁₂和θ₂₁为互饱和系数，在三阶微扰近似下，有θ₁₂＝θ₂₁＝θ，c为真空中的光速，R_f1和R_f2为靶镜1的有效反射率耦合至主光输出镜2上之后的等效反射率，其表达式为：

$R_{f1}=R_2+(1-R_2)\{1-(1-R_3)/[1+R_2{R}_3+2{\left(R_2{R}_3\right)}^{\frac{1}{2}}\cos {\mathrm{\&delta;}}_1\left]\right\}$ （3） $R_{f2}=R_2+(1-R_2)\{1-(1-R_3)/[1+R_2{R}_3+2{\left(R_2{R}_3\right)}^{\frac{1}{2}}\cos {\mathrm{\&delta;}}_2\left]\right\}$

式中，R₂和R₃分别代表主光输出镜2和靶镜1的反射率，δ₁和δ₂分别为平行光和垂直光在回馈外腔的相邻的反射光束之间的位相差，二者之间有δ₁＝δ₂+4πlΔv/c，其中l代表回馈外腔的长度。将式(3)代入式(2)中即可得到

I₁-I_o1＝N(β₂-θ)(1-R₂)×[1-(1-R₃)/(1+R₂R₃+2r₂r₃cosδ₁)]

I₂-I_o2＝N(β₁-θ)(1-R₂)×[1-(1-R₃)/(1+R₂R₃+2r₂r₃cosδ₂)]，    (4)

N＝c/4ML，

式中，r₂和r₃分别代表主光输出镜2和靶镜1的反射系数。

根据以上原理和图1的装置，可以得到经过转换放大和A/D采集电路10后两束正交偏振光的回馈光强曲线图4，图中横轴代表的是靶镜沿激光器轴线匀速位移的时间，表征的是靶镜的位移，纵轴代表的是采集到的信号电压值，表征的是激光器输出光的强度，因此，图4的物理意义是：两束正交偏振光的强度随着靶镜的位移而产生的周期性波动曲线，该曲线的一个周期代表靶镜移动了二分之一个光波长。这一物理原理决定了本发明所述的纳米测尺具有自标定功能，不会造成误差的累积。FPGA芯片及其外围电路11，检测图4信号中两束偏振光光强相等的点的电压值，在一个周期内有两个这样的点，分别对应4V和0V的电压，取期中间值2V作为浮动阈值电压，对信号进行处理得到图5所示的曲线，图中顺序出现四种不同状态的偏振态：平行光单独振荡(AB区)，平行光和垂直光共同振荡(BC区)，垂直光单独振荡(CD区)，无光振荡(DA区)。因此，一个周期被均分为四部分，每部分代表的位移大小为八分之一光波长，从而实现了位移大小突破衍射极限的细分。当靶镜1向不同方向运动时，偏振态出现的顺序是不同的，通过记录靶镜1向正方向运动的偏振态变化次数N???和向负方向运动的N，就可以得到靶镜1的最终位移：

$s=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{8}(N_{+}-N_{-})---\left(5\right)$

将此结果在显示器14上显示后，即完成了一次测量的过程。

本发明的实例二的结构示意图如图2所示，1-4及7-14共十二个元件与图1中对应编号的元件相同，故此处不再重复介绍。回馈外腔内的位相调节器16，由波片或其它有位相调节功能的元件构成，其功能是调整两束正交的偏振光之间的位相差，位于激光器谐振腔内的增透窗片18上对径施加一个外力13后，由于应力双折射效应，使激光器输出了两束正交偏振光：平行光和垂直光。D/A转换电路15，PI放大器16和压电陶瓷17共同构成了本实例的稳频电路。其稳频原理如图3所示，图3为没有激光回馈效应的情况下，双折射一塞曼双频激光器腔调谐曲线，其中时间轴表征的是激光器的输出频率，激光强度轴表征的是激光器输出光强，从图中可以看出，在激光器输出频率扫过一次出光带宽的过程中，其偏振态顺序经历了：只有平行光输出的一区，平行光和垂直光共存输出的二区和只有垂直光输出的三区。本发明中的双折射一塞曼双频激光器的理想输出频率是二区中平行光和垂直光输出光强相等时所对应的频率，即图中标注的静态稳频点。因此，在稳频过程中，FPGA芯片及其外围电路11首先判断两束正交偏振光之间的强度差值，并据此输出电压信号，经过D/A转换电路15和PI放大器16后，驱动压电陶瓷17和主光输出镜2对激光器进行腔调谐，直至两束正交偏振光之间的强度差值为零，完成静态稳频过程。开始测量时，FPGA芯片及其外围电路11对A/D转换电路采集的两路信号的峰值点进行实时比较分析，并据此输出控制信号给D/A转换电路，经PI放大器放大后，控制所述光源部分的驱动部件推动输出镜运动，实现对激光器的动态稳频，如图4中所标注的动态稳频点。该电路稳频的半外腔式双折射一塞曼双频激光器回馈纳米测尺的工作过程是：当被测物的表面或者靶镜1沿激光器轴线位移时，两束正交偏振光的光强会发生周期性的变化，通过偏振分光棱镜8后，两束正交偏振光分别沿不同方向传播，并分别被光电探测器9和12探测，经过转换放大和A/D采集电路10后，被送入FPGA芯片及外围电路11进行分析和计算，最终在显示器14上显示出了被测物体的位移大小和方向，其中，如果被测物体位移方向与系统设定的正方向一致，则位移显示为正数，反之则为负值。

本发明所设计的稳频的频差可调的双频激光器回馈纳米测尺由光源、探头和靶镜三部分组成，抗干扰、体积小、量程大。其光源使用的是稳频后的频差在1MHz至几百MHz之间连续可调的双频氦氖激光器，当靶镜或者被测目标的表面沿激光器轴线每移动八分之一光波长，光源输出光的偏振态改变一次，据此可判断被测目标位移的大小和方向。在光开关等配件的辅助下，本发明所设计的回馈纳米测尺还可以对生产线上零部件的长度实现实时在线测量，具有稳定可靠，分辨率高，响应速度快，成本低，安装便捷的特点。

Claims (2)

1.稳频的频差可调的双频激光器回馈纳米测尺，它包括光源、探头和靶镜三部分，其特征在于，它含有：

光源部分，是一个输出频差在1MHz至几百MHz连续可调的正交线偏振光、经过热稳频的全内腔式的双频激光器，该激光器包含：

激光增益管，内充氦氖混合气；

主光输出镜，位于所述激光增益管轴向一侧，为平镜，其面向增益管的内表面镀反射膜，外表面镀增透膜；

尾光输出镜，位于所述激光增益管轴向另一侧，为凹镜，其面向增益管的凹面镀增透膜，外表面镀反射膜；

横向磁场发生器，由两块平行置于所述激光增益管中轴线两侧的永久磁铁组成，使整个增益管处于磁场中，磁场方向垂直于激光器轴线，平行或垂直于激光器输出的任意一偏振态的偏振方向；

稳频结构，由密绕于氦氖激光器外壳(不含管脖)的电阻丝和铝制外壳构成，通电后电阻丝的热效应可为激光器均匀加热，使激光器在较短的时间内达到热稳定，铝制外壳将激光管封闭在一个温度相对独立的空间，稳定激光器的频率；

应力施加装置，对所述输出镜施加一个垂直于激光器轴线的应力；

探头部分，它包括：

偏振分光棱镜，位于所述尾光输出镜的另一侧，将正交偏振的激光器输出光分开为偏振方向互相垂直且沿不同方向传播的两束；

光电探测器，共两个，位于所述偏振分光棱镜的另一侧，检测偏振分光棱镜所分开的两束正交偏振的激光束的光强变化；

放大电路，共两个，位于上述光电探测器的后端，对光电探测器的输出进行电流/电压转换和信号放大处理；

探头的上述部分集成装配在独立的黑盒子内，只在两侧分别留出光束输入端和电路输出端；

A/D转换电路，采集两路放大信号，并将其转换为数字信号；

FPGA芯片及其外围电路，主要完成对数字信号的整形、滤波，并在信号上加浮动阈值电压，完成分区细分的计数和判断位移方向的运算；

数字显示器，对位移测量的结果进行显示；

上述光源部分和探头的黑盒子部分各自经固定支架安装在同一底座平台上；

靶镜部分，可以是一个固定在被测物体上的反射镜，所述反射镜可以随被测物体一起沿激光器主光束出射方向位移，使入射到被测物体上的两束正交的偏振光被反射回激光谐振腔分别与腔内的两束正交偏振光叠加，引起两束正交的偏振光各自的光强波动，所述反射镜的反射率范围为0.1％～99.99％，所述反射镜也可以为被测物的光滑表面。

2.稳频的频差可调的双频激光器回馈纳米测尺，其特征在于，它含有：

光源部分，是一个单纵模输出频差在1MHz至几百MHz连续可调的正交线偏振光的经过电路稳频的半外腔式的双频激光器，该激光器包含：

激光增益管，内充氦氖混合气；

增透窗片，位于所述激光增益管轴向一侧，为平镜，其内外表面均镀增透膜；

主光输出镜，位于所述增透窗片的另一侧，为平镜，其面向增透窗片的内表面镀反射膜；

驱动部件，可以为管状压电陶瓷，与所述主光输出镜的外表面固结在一起，驱动输出镜，实现腔调谐和电路稳频；

位相调节器，位于所述主光输出镜的另一侧，由波片或其它有位相调节功能的元件构成，其功能是调整两束正交的偏振光之间的位相差；

尾光输出镜，位于所述激光增益管轴向另一侧，为凹镜，表面镀反射膜；

横向磁场发生器，由两块平行置于所述激光增益管中轴线两侧的永久磁铁组成，使整个增益管处于磁场中，磁场方向垂直于激光器轴线，平行或垂直于激光器输出的任意一偏振态的偏振方向；

稳频结构，由所述的固定在主光输出镜上的驱动部件和稳频电路组成；

应力施加装置，对所述增透窗片施加一个垂直于激光器轴线的应力；

探头部分，它包括：

偏振分光棱镜，位于所述尾光输出镜的另一侧，将正交偏振的激光器输出光分开为偏振方向互相垂直且沿不同方向传播的两束；

光电探测器，共两个，位于所述偏振分光棱镜的另一侧，检测偏振分光棱镜所分开的两束正交偏振的激光束的光强变化；

放大电路，共两个，位于所述光电探测器的后端，对光电探测器的输出进行电流/电压转换和信号放大处理；

探头的上述部分集成装配在独立的黑盒子内，只在两侧分别留出光束输入端和电路输出端；

A/D转换电路，采集两路放大信号，并将其转换为数字信号；

FPGA芯片及其外围电路，主要完成对数字信号的整形、滤波，并在信号上加浮动阈值电压，完成分区细分的计数和判断位移方向的运算；

稳频电路，用于对所述A/D转换电路采集的两路信号的峰值点进行比较分析，并据此输出控制信号给D/A转换电路，经PI放大器放大后，控制所述光源部分的驱动部件推动输出镜运动，实现对激光器的动态稳频；

数字显示器，对位移测量的结果进行显示；

上述光源部分和探头的黑盒子部分各自经固定支架安装在同一底座平台上；

靶镜部分，可以是一个固定在被测物体上的反射镜，所述反射镜可以随被测物体一起沿激光器主光束出射方向位移，使入射到被测物体上的两束正交的偏振光被反射回激光谐振腔分别与腔内的两束正交偏振光叠加，引起两束正交的偏振光各自的光强波动，所述反射镜的反射率范围为0.1％～99.99％，所述反射镜也可以为被测物的光滑表面。

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