CN102506728B

CN102506728B - 基于y型腔正交偏振激光器的位移测量装置

Info

Publication number: CN102506728B
Application number: CN 201110341798
Authority: CN
Inventors: 龙兴武; 肖光宗; 张斌
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-11-02
Also published as: CN102506728A

Abstract

本发明涉及一种基于Y型腔正交偏振激光器的位移测量方法及装置，包括带角锥棱镜的半外腔Y型腔正交偏振激光器、导轨、工作点选择与控制单元、信号采集与处理单元。待测物体运动时带动角锥棱镜沿导轨移动，改变Y型腔正交偏振激光器的P子段的几何长度，从而导致S子腔和P子腔光学长度差的变化，Y型腔正交偏振激光器中S偏振光和P偏振光的拍频频差也将发生变化，该拍频频差的变化值与待测物体的位移的大小成正比。本发明具有高分辨率、大动态范围、高线性度和直接数字式输出等特点。

Description

基于Y型腔正交偏振激光器的位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于Y型腔正交偏振激光器的位移测量方法及装置,属于激光测量技术领域。

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、线性度好等特点，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。

发明内容

为克服现有的位移测量方法和装置的非线性、精度低、抗干扰能力差等不足，本发明提供一种基于Y型腔正交偏振激光器的高精度位移测量方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的装置，包括带角锥棱镜的半外腔Y型腔正交偏振激光器、导轨、工作点选择与控制单元和信号采集与处理单元，

其中，带角锥棱镜的Y型腔正交偏振激光器（100）中的角锥棱镜（106）安装在导轨（109）上，并与待测物体固连，当待测物体运动时，可随待测物体沿导轨移动；

工作点选择与控制单元（200）接收Y型腔正交偏振激光器的S子段和P子段输出的S偏振光和P偏振光，采用等光强的方法将两偏振态纵模稳定在增益曲线上关于中心频率对称的位置；它与Y型腔正交偏振激光器的氦氖放电管的阴极和阳极相连，为Y型腔正交偏振激光器的氦氖放电管提供泵浦电压；它与Y型腔正交偏振激光器的第二压电陶瓷相连接，通过调节第二压电陶瓷的电压，使得Y型腔正交偏振激光器中两偏振光的频差大于闭锁阈值。

信号采集与处理单元（300）与Y型腔正交偏振激光器的共用段相连接，接收Y型腔正交偏振激光器的输出频差，并进行滤波、计数、运算和显示。

其中，带角锥棱镜的半外腔Y型腔正交偏振激光器包括第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、第一高反射率镜片、第二高反射率镜片、第三高反射率镜片、角锥棱镜、偏振分光膜、氦氖放电管、共用段、S子段和P子段；

共用段和S子段采用微晶玻璃材料和钻孔工艺一体化加工；第一高反射率镜片以光胶的方式贴在共用段的第一端面上，第一压电陶瓷安装在第一高反射率镜片上；第二高反射率镜片以光胶的方式贴在S子段的第一端面上；第二压电陶瓷安装在第二高反射率镜片上；共用段和S子段的第二个端面共用；偏振分光膜镀制在S子段和共用段的共用端面上。

共用段内传播的S偏振光经偏振分光膜反射后进入S子段。第一高反射率镜片、第二高反射率镜片、偏振分光膜构成S偏振光的谐振腔，简称“S子腔”。共用段内传播的P偏振光经偏振分光膜后透射至角锥棱镜上，再经第三高反射率镜片反射后沿原光路返回至第一高反射率镜片。第一高反射率镜片、偏振分光膜、角锥棱镜和第三高反射率镜片构成P偏振光的谐振腔，简称“P子腔”。

其中，角锥棱镜安装在导轨上，并与待测物体固连。当待测物体运动时，角锥棱镜随待测物体沿导轨移动。

氦氖放电管包括增益区、阴极和阳极，增益区置于共用段中，其内充有氦氖混合气体，氦气和氖气的气压比约为7：1。

所述测量装置的工作点是指Y型腔正交偏振激光器中纵模在其增益曲线上的相对位置。工作点选择与控制单元包括第一光电探测器、第二光电探测器、工作点选择和控制电路。第一光电探测器接收Y型腔正交偏振激光器S子段出射的S偏振光，并将其转化为电压信号。第二光电探测器接收Y型腔正交偏振激光器P子段出射的P偏振光，并将其转化为电压信号。工作点选择和控制电路与Y型腔正交偏振激光器的阴极和阳极，为氦氖放电管提供泵浦电压；它与第一光电探测器、第二光电探测器、第一压电陶瓷相连，通过比较S偏振光和P偏振光的光强大小，采用等光强的方法，通过调节第一压电陶瓷的电压，使得S偏振光纵模和P偏振光纵模在增益曲线上关于中心频率对称；它与第二压电陶瓷相连，通过调节第二压电陶瓷的电压，使得Y型腔正交偏振激光器中两偏振光的频差大于闭锁阈值。

信号采集与处理单元包括偏振片、第三光电探测器、计数与信号处理电路。S偏振光和P偏振光沿着偏振片的偏振方向的分量产生拍频。第三光电探测器将拍频信号转化为电压信号后送入计数与信号处理电路中。计数与信号处理电路测量拍频信号的频率，并进行滤波、运算和显示。

本发明的基本工作过程如下：

当待测物体运动时，它带动角锥棱镜沿导轨移动，改变了P子段的几何长度，从而导致S子腔和P子腔光学长度差的变化，Y型腔正交偏振激光器中S偏振光和P偏振光的拍频频差也将发生变化，根据激光器的驻波条件，该拍频频差的变化值与待测物体的位移的大小成正比。

本发明的有益效果是：

（一）所述的位移测量方法和装置，输出信号为S偏振光和P偏振光的拍频频差，为数字信号，可采用计数器直接读出，信号读出方法和设备简单；

（二）所述的位移测量方法和装置，利用角锥棱镜折叠光路，将待测物体的位移大小转化为谐振腔光学长度的变化，一方面降低了待测物体摆动对激光器失谐的影响，提高了测量装置的稳定性，另一方面通过折叠光路，使得测量装置的比例因子提高到原来的两倍；

（三）所述的位移测量方法和装置中，Y型腔正交偏振激光器中S偏振光和P偏振光共用增益区，两偏振光的频率差动产生的拍频频率基本消除了增益区的温度变化对激光器频差稳定性的影响，因此Y型腔正交偏振激光器的频差稳定性较高，保证了所述的位移测量方法和装置有较高的零偏稳定性、较高的分辨率。

附图说明

图1为力和质量测量装置中带角锥棱镜的半外腔Y型腔正交偏振激光器的原理结构图；

图2为基于Y型腔正交偏振激光器的位移测量装置的总体结构图。

具体实施方式

在图1中，带角锥棱镜的Y型腔正交偏振激光器100包括第一压电陶瓷101、第二压电陶瓷102、第一高反射率镜片103、第二高反射率镜片104、第三高反射率镜片105、角锥棱镜106、偏振分光膜107、氦氖放电管108、共用段110、S子段111和P子段112。

氦氖放电管108包括增益区114、阴极113和阳极115，增益区114内充有氦氖混合气体，氦气和氖气的气压比约为7：1。

共用段110和S子段111采用微晶玻璃材料一体化加工。第一高反射率镜片103以光胶的方式贴在共用段110的第一端面上，第一压电陶瓷101固定在第一高反射率镜片103上。第二高反射率镜片104以光胶的方式贴在S子段111的第一端面上。第二压电陶瓷102固定在第二高反射率镜片104上。共用段110和S子段111的第二端面共用，偏振分光膜107镀制在S子段111的共用端面上。共用段内S偏振光经偏振分光膜107反射后进入S子段。第一高反射率镜片103、第二高反射率镜片104、偏振分光膜107构成S偏振光的谐振腔，简称“S子腔”。第三高反射率镜片105以光胶的方式贴在P子段112的第一端面上，P子段112的第二端面与共用段110和S子段111的共用端面以光胶的方式连接在一起。共用段内P偏振光经偏振分光膜107后透射至角锥棱镜106上，再经第三高反射率镜片105反射后沿原光路返回至第一高反射率镜片103。第一高反射率镜片103、偏振分光膜107、角锥棱镜106和第三高反射率镜片105构成P偏振光的谐振腔，简称“P子腔”。

角锥棱镜106安装在导轨109上，并与待测物体固连，当待测物体运动时，可随待测物体沿导轨移动，图中的箭头表示角锥棱镜106的移动方向。

在图2中，基于Y型腔正交偏振激光器的位移测量装置包括半外腔Y型腔正交偏振激光器100、工作点选择与控制单元200（未标出）、信号采集与处理单元300。

工作点选择与控制单元200包括第一光电探测器201、第二光电探测器202、工作点选择和控制电路203。工作点选择和控制电路203与第一光电探测器201、第二光电探测器202、第一压电陶瓷、第二压电陶瓷相连。第一光电探测器201接收Y型腔正交偏振激光器100S子段出射的S偏振光，并将其转化为电压信号。第二光电探测器201接收Y型腔正交偏振激光器100P子段出射的P偏振光，并将其转化为电压信号。工作点选择和控制电路203有三个主要功能，第一个功能是为氦氖放电管提供高电压，第二个功能是调节第二压电陶瓷102的电压，使得Y型腔正交偏振激光器100中两偏振光的频差大于闭锁阈值，第三个功能是比较两个光电探测器的输出电压大小，采用等光强的方法稳频，即通过调节第一压电陶瓷101的电压，使得S偏振光纵模和P偏振光纵模在增益曲线上关于中心频率对称。

信号采集与处理单元300包括偏振片301、第三光电探测器302、计数与信号处理电路、303。S偏振光和P偏振光沿着偏振片301的偏振方向的分量产生拍频，第三光电探测器302将拍频信号转化为电压信号后送入计数与信号处理电路303中，计数与信号处理电路303测量拍频信号的频率，并进行滤波、运算和显示。

Claims

1.一种基于Y型腔正交偏振激光器的位移测量装置，包括带角锥棱镜的半外腔Y型腔正交偏振激光器（100）、导轨（109）、工作点选择与控制单元（200）和信号采集与处理单元（300），其特征在于，

带角锥棱镜的Y型腔正交偏振激光器（100）中的角锥棱镜（106）安装在导轨（109）上，并与待测物体固连，当待测物体运动时，可随待测物体沿导轨移动；

工作点选择与控制单元（200）接收Y型腔正交偏振激光器的S子段和P子段输出的S偏振光和P偏振光，采用等光强的方法将两偏振态纵模稳定在增益曲线上关于中心频率对称的位置；它与Y型腔正交偏振激光器的氦氖放电管的阴极和阳极相连；它与Y型腔正交偏振激光器的第二压电陶瓷相连接；

2.根据权利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的位移测量装置，其特征在于，带角锥棱镜的Y型腔正交偏振激光器（100）包括第一压电陶瓷（101）、第二压电陶瓷（102）、第一高反射率镜片（103）、第二高反射率镜片（104）、第三高反射率镜片（105）、角锥棱镜（106）、偏振分光膜（107）、氦氖放电管（108）、共用段（110）、S子段（111）和P子段（112）；

共用段（110）和S子段（111）采用微晶玻璃材料一体化加工；第一高反射率镜片（103）以光胶的方式贴在共用段（110）的第一端面上，第一压电陶瓷（101）固定在第一高反射率镜片（103）上；第二高反射率镜片（104）以光胶的方式贴在S子段（111）的第一端面上；第二压电陶瓷（102）固定在第二高反射率镜片（104）上；共用段（110）和S子段（111）的第二端面共用，偏振分光膜（107）镀制在S子段（111）的共用端面上；

共用段内S偏振光经偏振分光膜（107）反射后进入S子段；第一高反射率镜片（103）、第二高反射率镜片（104）、偏振分光膜（107）构成S偏振光的谐振腔，简称“S子腔”；第三高反射率镜片（105）以光胶的方式贴在P子段（112）的第一端面上，P子段（112）的第二端面与共用段（110）和S子段（111）的共用端面以光胶的方式连接在一起；共用段内P偏振光经偏振分光膜（107）后透射至角锥棱镜（106）上，再经第三高反射率镜片（105）反射后沿原光路返回至第一高反射率镜片（103）；第一高反射率镜片（103）、偏振分光膜（107）、角锥棱镜（106）和第三高反射率镜片（105）构成P偏振光的谐振腔，简称“P子腔”。

3.根据权利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的位移测量装置，其特征在于，氦氖放电管（108）包括增益区（114）、阴极（113）和阳极（115），增益区（114）内充有氦氖混合气体，氦气和氖气的气压比为7：1。