CN102155916A - 位相正交双频激光回馈位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光位移传感技术领域中的一种位相正交双频激光回馈位移测量系统。该系统引入五细分芯片对光强信号五细分后得到两路有90度位相差的方波信号，对方波信号的边沿进行处理以实现四细分，达到亚纳米级的分辨率，并根据两路方波信号位相的相对超前或滞后识别物体位移方向。该位移测量系统具有分辨率高、结构简单、成本低等特点。

Description

位相正交双频激光回馈位移测量系统

技术领域

本发明属于激光位移传感技术领域，尤其涉及一种位相正交双频激光回馈位移测量系统。

背景技术

激光回馈，又称激光自混合干涉，其基本原理是：一个外部反射面将激光的输出光反射回激光增益管，与激光器内部的光场进行自混合干涉，从而调制激光器的增益，使激光的输出光强发生周期性变化，通过解调输出光强就可以得到外部反射面的信息。基于激光回馈的位移测量系统只有一个光学通道，具有结构简单、紧凑、易准直、性价比高等优点。根据回馈方式的不同，激光回馈可以分为准直外腔回馈和非准直外腔回馈等。其中，准直外腔回馈一般采用低反射率的回馈镜，其光学细分较低，一般为λ/2，对于632.8纳米波长的氦氖激光器，位移测量的分辨率为316.4纳米。

专利文献“激光回馈纳米位移测量装置”(申请号：200510011258.2)综合利用非准直外腔激光回馈、激光自混合干涉、激光偏振态跳变等多种激光物理现象，将一支普通的单频激光器成功地改造成一支具有纳米级分辨率的位移传感器。这一发明的主体结构是一支全内腔或半外腔He-Ne单频激光器和一个高反射率的外部反射镜，外部反射镜固定在被测物体上，并与激光轴有一定的夹角。当外部反射镜，即被测物体移动时，对激光强度变化的周期数进行计数实现位移测量；当外部反射镜，即被测物体运动方向改变时，利用激光的偏振态跳变可以实现对外部反射或被测物体位移的方向识别。该方法具有λ/80的光学细分，能够达到7.91纳米的位移测量分辨率(对于632.8纳米波长氦氖激光器，λ/80为7.91纳米)。但是若要求分辨率进一步提高，实现亚纳米级的位移测量，以单频激光回馈的方法已无法达到。由于原理上的限制，单频激光回馈的激光强度变化不具有余弦性，无法进一步进行电子细分，所以分辨率的提高受到制约。

发明内容

针对上述背景技术中提到的单频激光回馈的激光强度变化不具有余弦性，无法进一步进行电子细分的不足，本发明提出了一种位相正交双频激光回馈位移测量系统。

本发明的技术方案是，位相正交双频激光回馈位移测量系统，其特征是该系统包括：壳体及底座15内：压电陶瓷1、高反射率反射镜2、第二内腔反射镜3、石英晶体4、增透窗片5、激光增益管6、第一内腔反射镜7；壳体及底座15外：偏振分光棱镜8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、滤波放大电路16、五细分电路17、复杂可编程逻辑器芯片及外围电路18；

壳体及底座15内从左至右依次为压电陶瓷1、高反射率反射镜2、第二内腔反射镜3、石英晶体4、增透窗片5、激光增益管6、第一内腔反射镜7；壳体及底座15外依次为偏振分光棱镜8、第一光电探测器9和第二光电探测器10、滤波放大电路16、五细分电路17、复杂可编程逻辑器及外围电路18；

所述石英晶体4用于产生频率分裂，输出双频激光；

所述五细分电路17用于对信号进行五细分，输出两路有90度位相差的方波信号；

所述复杂可编程逻辑器及外围电路18用于实现四细分，根据两路90度位相差的方波信号的位相相对超前或滞后来判断物体位移方向，并对位移的测量结果进行计数和显示。

所述石英晶体4，其切割方向与晶轴平行，左右表面都镀增透膜。

所述高反射率反射镜2的反射率大于90％。

所述激光增益管6内为氦He和氖Ne混合气体。

所述氦He、氖Ne混合气体的比例为7∶1。

本发明提供了一种位相正交双频激光回馈位移测量系统，对氦氖激光器采用频率分裂的方法使其产生双频激光回馈，经过20倍电子细分后，系统分辨率可达亚纳米量级。该系统具有分辨率高、结构简单、成本低等特点。

附图说明

图1为位相正交双频激光回馈位移测量系统示意图。

图2为90度位相差的回馈光强高阶倍频曲线图；

图a为测量波形；图b为时间轴展开波形(向右运动)；图c为时间轴展开波形(向左运动)。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明的实验装置如图1所示，它包含半外腔He-Ne双频激光器、非准直外腔回馈和信号探测与处理三部分：

1.半外腔He-Ne双频激光器，包括：

激光增益管6、增透窗片5、谐振腔(由第一内腔反射镜7和第二内腔反射镜3组成)、石英晶体4；

2.非准直外腔回馈，包括：

高反射率的反射镜2和压电陶瓷1；

3.信号探测与处理部分，包括：

偏振分光棱镜8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、滤波放大电路16、五细分电路17、复杂可编程逻辑器芯片及外围电路18。

图1中各组成及功能为：压电陶瓷1，在输入电压的作用下，推动高反射率的反射镜2沿激光轴线方向左、右移动；高反射率的反射镜2，为凹镜，反射膜镀在凹面，另一面不镀膜，反射镜的表面与激光束成一个夹角θ；1和2组成了非准直外腔回馈部分；第二内腔反射镜3，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；石英晶体4，其切割方向与晶轴平行，左右表面都镀增透膜，放置在3与5之间，用于产生频率分裂形成双频激光输出；增透窗片5，左右表面都镀增透膜，封接在激光增益管6的左端；激光增益管6，内充氦He、氖Ne混合气体，比例为7∶1；第一内腔反射镜7，为凹镜，它封接在激光增益管6的右端，其面向激光增益管6的凹面镀反射膜，另外一面镀增透膜；该系统的3、4、5、6、7部分共同组成了半外腔的双频激光器，腔长为160毫米到200毫米，频差的大小通过旋转石英晶体4进行调节；偏振分光棱镜8，位于第一内腔反射镜7的右侧，把输出的激光在空间分成两路具有90度位相差的X向、Y向光强余弦分量；第一光电探测器9和第二光电探测器10位于偏振分光棱镜8的右侧，分别探测由偏振分光棱镜8输出的X向和Y向两个光强余弦分量；该系统的11、12、13、14部分都为支架，分别将6、4、3、1部分固定在壳体及底座15上；壳体及底座15，起到固定、保温和热平衡的作用；滤波放大电路16，对第一光电探测器9和第二光电探测器10输出的两路余弦信号进行电流/电压转换、放大及滤波处理，并对其中一路余弦信号进行反向，形成三路有90度位相差的余弦光强信号；五细分电路17，对上述三路90度位相差的余弦信号进行五细分，输出两路有90度位相差的方波信号；复杂可编程逻辑器芯片及外围电路18，主要完成对数字信号的整形、滤波，对上述两路有90度位相差方波信号的边沿进行处理，实现四细分，根据两路方波信号的位相相对超前或滞后判断物体位移方向，并对位移的测量结果进行计数和显示。

本发明的原理为：氦氖双频激光的非准直外腔高阶回馈，不但具有氦氖单频激光非准直外腔高阶回馈的高阶倍频效应(在外腔移动λ/2时产生的激光强度的波动频率为普通回馈的几到几十倍，达到纳米级的位移测量分辨率)，而且激光强度的波动曲线为两路有90度位相差的类余弦信号，这使信号能够实现进一步电子细分，达到亚纳米级的位移测量分辨率，其基本原理如下：

由石英晶体频率分裂产生的两个正交偏振光o光和e光，在光回馈的情况下，光场可以分为两个部分。一是光束在激光内腔往返一周后的内腔传播场，二是光束在外腔往返n周后再耦合进内腔的传播场。内腔传播场与外腔往返n周传播场叠加形成自混合干涉，由于光在外腔经过多次反射，回馈到腔内的光已经变的较弱(或加衰减片实现)，在弱光回馈条件下正交偏振双频激光器的振荡条件为：

$r_1{r}_{\mathrm{eff}}^o\exp \left[(g_o-{\mathrm{\α}}_o)L\right]\exp \left({\mathrm{i\ω}}_o{\mathrm{\τ}}_c\right)=1$ (1)

$r_1{r}_{\mathrm{eff}}^e\exp \left[(g_e-{\mathrm{\α}}_e)L\right]\exp \left({\mathrm{i\ω}}_e{\mathrm{\τ}}_c\right)=1$

式中：

r₁为第一内腔反射镜的反射系数；

r₂为第二内腔反射镜的反射系数；

r₃为高反射率反射镜的反射系数；α_o和α_e是o光和e光的损耗；

和

分别代表o光和e光的等效腔反射系数，

和

其中

代表光回馈因子，n为光在外腔往返的次数(定义为阶次)；

ω_o和ω_e是o光和e光的光学角频率；

L为内腔长度；

τ_c＝2L/c是光束在内腔往返一周的时间，c是真空中的光速。

激光阈值增益的变化为Δg_o＝g_o-g_o0和Δg_e＝g_e-g_e0，其中g_o0和g_e0是没有光回馈时的激光阈值增益，可以由(1)式求出。归一化的增益阈值的变化为ΔG_o＝Δg_oL和ΔG_e＝Δg_eL。因为ζ＜＜1，所以

ΔG_e≈ζ′cos(ω_enτ)，其中ζ′是激光回馈因子。由于激光强度的变化比例于ΔG_o和ΔG_e，所以在光回馈条件下，两个正交偏振光的输出强度可以表示为：

I_o＝I_o0+ζ_ocos(ω_onτ)

(2)

I_e＝I_e0+ζ_ecos(ω_enτ)

式中：

I_o和I_e两个正交偏振光的输出强度；

I_o0和I_e0是无光回馈时两个正交偏振光的输出强度；

ζ_o和ζ_e是激光回馈因子。

(2)式表明有光回馈时，两个正交偏振光的输出强度均被调制，波形类似于余弦，如果o光和e光的初始光强相等，它们将具有相同的调制深度。为方便起见，将(2)式改写为：

$I_o=I_{o0}+{\mathrm{\ζ}}_o\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{c}{\mathrm{nv}}_{o}l\right)$ (3)

$I_e=I_{e0}+{\mathrm{\ζ}}_e\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{c}{\mathrm{nv}}_{e}l\right)$

式中：

v_o和v_e是o光和e光的光学频率；

l为外腔长。

(3)式表明：当外腔长l变化λ/2n时，两个偏振光的强度都波动一个周期，但它们之间存在一个位相差δ：

$\mathrm{\δ}=4\mathrm{\πn\Δvl}/c=2\mathrm{\πn}\frac{l}{L}\frac{\mathrm{\Δv}}{\mathrm{\Λ}}---\left(4\right)$

式中：

Δv＝v_o-v_e是两个正交偏振光的频差；

n为回馈光的阶次；

Λ是激光纵模间隔。

由(4)式知，当激光器和外腔反射镜的位置选定后，δ频差由Δv决定，所以通过旋转石英改变频差就可以得到有90度位相差的双频条纹。

测量时，高反射率反射镜2在压电陶瓷1的推动下，沿激光轴线左右移动时，第一光电探测器9、第二光电探测器10得到的激光强度曲线如图2a所示，为很密的高阶倍频条纹，其光学细分可达λ/60，两个条纹的调制深度基本相同。图2b和图2c是图2a的时间轴展开波形，其中图2b为压电陶瓷1伸长高反射率反射镜2向右运动时的曲线图，PZT为压电陶瓷的驱动电压曲线，I_x和I_y为有90度位相差的双频曲线，I_x的相位滞后于I_y90度；图2c为压电陶瓷1缩短高反射率反射镜2向左运动时的曲线图，PZT为压电陶瓷的驱动电压曲线，I_x和I_y为有90度位相差的双频曲线，I_x的相位超前于I_y90度。图2b、图2c中由I_x和I_y组成的双频曲线称之为位相正交双频纳米条纹。利用该条纹的类余弦性用五细分电路17和复杂可编程逻辑器芯片及外围电路18将其20倍细分，对于氦氖激光器，细分后的分辨率可达0.5纳米；同时利用I_x和I_y的位相相对超前和滞后可以判别反射镜2的位移方向。该位移测量系统具有分辨率高、结构简单、成本低等特点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.位相正交双频激光回馈位移测量系统，其特征是该系统包括：壳体及底座(15)内：压电陶瓷(1)、高反射率反射镜(2)、第二内腔反射镜(3)、石英晶体(4)、增透窗片(5)、激光增益管(6)、第一内腔反射镜(7)；壳体及底座(15)外：偏振分光棱镜(8)、第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)、滤波放大电路(16)、五细分电路(17)、复杂可编程逻辑器芯片及外围电路(18)；

壳体及底座(15)内从左至右依次为压电陶瓷(1)、高反射率反射镜(2)、第二内腔反射镜(3)、石英晶体(4)、增透窗片(5)、激光增益管(6)、第一内腔反射镜(7)；壳体及底座(15)外依次为偏振分光棱镜(8)、第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)、滤波放大电路(16)、五细分电路(17)、复杂可编程逻辑器及外围电路(18)；

所述石英晶体(4)用于产生频率分裂，输出双频激光；

所述五细分电路(17)用于对信号进行五细分，输出两路有90度位相差的方波信号；

所述复杂可编程逻辑器及外围电路(18)用于实现四细分，根据两路90度位相差的方波信号的位相相对超前或滞后来判断物体位移方向，并对位移的测量结果进行计数和显示。

2.根据权利要求书1所述位相正交双频激光回馈位移测量系统，其特征是所述石英晶体(4)，其切割方向与晶轴平行，左右表面都镀增透膜。

3.根据权利要求书1所述位相正交双频激光回馈位移测量系统，其特征是所述高反射率反射镜(2)的反射率大于90％。

4.根据权利要求书1所述位相正交双频激光回馈位移测量系统，其特征是所述激光增益管(6)内为氦He和氖Ne混合气体。

5.根据权利要求书4所述位相正交双频激光回馈位移测量系统，其特征是所述氦He、氖Ne混合气体的比例为7∶1。

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