CN102507054A - 基于y型腔正交偏振激光器的力和质量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Y型腔正交偏振激光器的力和质量测量方法及装置，由Y型腔正交偏振激光器、气体膜盒、加力单元、工作点选择与控制单元和信号采集与处理单元组成。待测力或待测物体的自重力通过加力单元传递到气体膜盒的超薄膜片上，超薄膜片产生弹性形变，引起气体膜盒内传感气体的体积变化，与气体膜盒相连通的Y型腔正交偏振激光器的P子段内的传感气体折射率也相应改变，从而导致S偏振光的谐振腔和P偏振光的谐振腔光学长度差的变化，最终引起S偏振光和P偏振光的拍频频差的变化，该拍频频差的变化值与输入力的大小成正比。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，通过优化结构参数可用作微纳力和微纳质量计量标准传递仪。

Description

基于Y型腔正交偏振激光器的力和质量测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高精度力和质量测量方法及装置，特别涉及一种新的微纳力和微纳质量计量标准的传递方法，属于激光测量技术领域。

背景技术

在国际单位制(SI)中，力是一个依据牛顿第二定律(F＝ma)的导出量，质量也往往转化为重力场中的自重力来进行测量。传统的力和质量的测量方法通常是基于虎克定律的，它们往往将输入力转化为弹性元件(如弹簧、弹性膜片等)的弹性形变。这种方法一般都存在非线性、精度低、重复性和稳定性差等缺点。近代激光技术、光纤传感技术、微制造技术的发展给光学测量的研究提供了有利条件，基于光学技术的力测量方法发展迅速，种类较多。通常的方法是将输入力用来调制光强、偏振态或者位相，例如光纤MEMS力传感器(Xiao-Qin，Ming W，Xu-Xing C，et al.An optical fibre MEMS pressure sensor usingdual-wavelength interrogation[J]Measurement Science and Technology.2006，17(9)：2401.)和光纤布喇格光栅力传感器(Zhang W，Liu L，Li F，et al.Fiber Bragg grating pressure sensorwith enhanced sensitivity[J]Chinese Optics Letters.2007，5(9)：507～508.)。光纤的弹性形变也可以用来调制透射光的位相从而实现力传感(Zhou J，Dasgupta S，Kobayashi H，et al.Optically interrogated MEMS pressure sensors for propulsion applications[J]OpticalEngineering.2001，40(4)：598～604.)。也有研究者将SOI-MEMS技术用于力测量(Dao D V.Micro/nano-mechanical sensors and actuators based on SOI-MEMS technology[J]Advances inNatural Sciences：Nanoscience and Nanotechnology.2010(1)：13001.)。这些测量方法通常都不同程度的存在非线性的特点。另外一种光学测量方法是将输入力用来调制激光的频率，它利用激光晶体(如Nd:YAG)的光弹效应，实现力-频率转换。该方法分辨率较高，但由于激光晶体的光弹性质容易受到温度等环境因素的影响，抗干扰能力较差。中国发明专利申请“双Y型腔双频激光加速度计”(申请号：200910227028.8)公开了一种新型的Y型腔正交偏振氦氖激光器和基于该激光器的测量加速度的方法，该激光器在力和质量测量方面有着较大的潜力。

微纳测量是纳米科技的基础。随着纳米科技的飞速发展，微纳力和微纳质量的测试和计量技术的发展却显得相对滞后，成为纳米科技发展的制约因素之一。传统的力和质量的计量体系建立在标准质量块的量值溯源和量值传递的基础上。目前在许多领域需要观测的力值越来越小，mN级已经偏大，需要μN、nN级的测量。若通过质量块(标准砝码)溯源，理论上可以制造、标定出更小的质量块，但小力值的质量块的相对不确定度偏大，如0.5mg其相对不确定度为几十μg/mg，而且随着质量的减小，其相对误差却呈现出不断增加的趋势。当自重力减小到μN、nN级时，且不说质量块如何制造，其误差已与量程相当，因此需要建立一套新的微力测量溯源体系。近年来，世界上很多发达国家都正在致力于发展新的微纳力和微纳质量计量体系，包括计量基准和计量标准传递方法，取得了一定程度的进展。英国国家物理实验室初步建立了小力天平(Low Force Balance)作为国家计量基准，他们正在研制基于悬梁臂等弹性元件的微纳力计量标准传递仪。该微纳力计量标准传递仪对弹性元件的力学性能要求很高，因此需要很高的加工技术和很严格的加工工艺，这也是他们目前需要解决的主要问题。

发明内容

为克服现有的力和质量测量方法和装置的非线性、精度低、抗干扰能力差等不足，本发明提供一种高精度力和质量测量方法及装置；通过改变其结构参数，可以方便地调节该装置的测量范围和分辨率，以适用于不同的应用场合；通过优化其结构参数，该装置可以作为微纳力值和微纳质量的计量标准传递仪。

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Y型腔正交偏振激光器、气体膜盒、加力单元、工作点选择与控制单元、信号采集与处理单元，

其中：Y型腔正交偏振激光器包括腔体、第一高反射率镜片、第二高反射率镜片、第三高反射率镜片、偏振分光膜、氦氖放电管、第一压电陶瓷和第二压电陶瓷；

腔体包括共用段、S子段和P子段，其中共用段和S子段采用微晶玻璃材料和钻孔工艺一体化加工，它们共用一个端面；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；偏振分光膜镀制在S子段和共用段的共用端面上；

Y型腔正交偏振激光器与气体膜盒以光胶或粘连的方式固连在一起，气体膜盒的通气孔与Y型腔正交偏振激光器的P子段上的通气孔相连通；

加力单元透过气体膜盒的第二圆形皿底部的圆孔与超薄膜片中心相连，将力传递到超薄膜片上；

信号采集与处理单元与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，气体膜盒200包括第一圆形皿201、第二圆形皿202、超薄膜片203，超薄膜片203封接在第一圆形皿201的开口上，其内充有传感气体，第二圆形皿202的开口封接在超薄膜片203的另一面上，两个圆形皿的轴心重合，第一圆形皿201底部中心开有通气孔204，第二圆形皿202底部中心开有圆孔。

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”。P子段采用微晶玻璃材料和钻孔工艺加工。P子段上设有通气孔。第三高反射率镜片以光胶的方式贴在P子段的第一端面上，第二压电陶瓷安装在第三高反射率镜片上。P子段的第二端面与共用段和S子段的公共端面以光胶的方式连接。共用段内传播的P偏振光经偏振分光膜后透射至P子段。第一高反射率镜片、偏振分光膜和P子段构成P偏振光的谐振腔，简称“P子腔”。

工作点选择与控制单元接收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。

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。

气体膜盒包括两个外径相同的圆形皿和超薄膜片。超薄膜片封接在第一圆形皿的开口上，其内充有传感气体，第二圆形皿的开口封接在超薄膜片的另一面上，两个圆形皿的轴心重合。第一圆形皿底部中心开有通气孔，第二圆形皿底部中心开有圆孔。加力单元透过第二圆形皿底部的圆孔与超薄膜片中心相连，将力传递到超薄膜片上。气体膜盒中第一圆形皿底部中心的通气孔与Y型腔正交偏振激光器的P子段上的通气孔相连通。

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：

当本发明的装置用于测量待测力时，待测力通过加力单元传递到超薄膜片上，超薄膜片产生弹性形变，导致气体膜盒第一圆形皿内的传感气体的体积增大或减小，与气体膜盒相连通的Y型腔正交偏振激光器的P子段内的传感气体密度将相应减小或增大，折射率也相应减小或增大，则P子腔的光学长度也随之减小或增大，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输入力的大小成正比。

当本发明的装置用于测量待测物体的质量时，待测物体的质量在重力场中产生自重力，由本发明的装置测出该自重力，再根据当地的重力加速度值计算出待测物体的质量。

本发明的工作原理详细分析如下：

当超薄膜片的中心位置沿着垂直于超薄膜片方向有力F输入时，根据弹性力学知识，对于固定边圆形平面膜片中心受集中力F时，膜片上距离圆心r处的挠度为

$\mathrm{\ω}\left(r\right)=\frac{F}{8\mathrm{\πD}}(\frac{1}{2}(R^2-r^2)+r^2\ln \frac{r}{R})---\left(1\right)$

其中，

为超薄膜片的弯曲刚度，μ为膜片材料的泊松比，E为其杨氏模量，R为超薄膜片半径。由此，可计算出F引起的气体膜盒内体积的变化为

$\mathrm{\ΔV}=\frac{5}{64}g\frac{{\mathrm{FR}}^4}{D}---\left(2\right)$

气体膜盒和P子段的初始总体积为

$V_0=\mathrm{\π}{R}^2\mathrm{g\ϵ}+\mathrm{\π}{\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)}^{2}g{L}_p---\left(3\right)$

其中，L_p为P子段的几何长度，φ为P子段的毛细管直径，ε为气体膜盒的高度。所以F引起的传感气体密度变化为

$\mathrm{\Δ\ρ}=\mathrm{\ρg}\frac{\mathrm{\ΔV}}{V_0}$

其中ρ为初始时传感气体的密度。由格拉德斯通-戴尔(Gladstone-Dale)公式(k为格拉德斯通-戴尔常数即G-D常数)，可得F引起的传感气体的折射率变化为

$\mathrm{\Δn}=\frac{5}{64\mathrm{\πD}}g\frac{\mathrm{k\ρ}{\mathrm{FR}}^4}{R^2\mathrm{\ϵ}+{\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)}^2{L}_p}---\left(4\right)$

由激光器的驻波条件，Y型腔正交偏振激光器中的激光频率需满足谐振条件

$v=\frac{1}{2}g\frac{\mathrm{Nc}}{n{L}_p+n_0{L}_0}$

其中，N为自然数，c为光速，L₀为共用段长度，n₀为Y型腔正交偏振激光器内增益气体的折射率，n为传感气体折射率。由上式可得传感气体的折射率变化引起P偏振光谐振频率的变化为

$\mathrm{\Δv}=v_0\frac{L_p}{m{L}_p+n_0{L}_0}\mathrm{\Δn}---\left(5\right)$

由(4)式和(5)式可得力F引起的P偏振光频率的变化为

$\mathrm{\Δv}=\frac{5}{64\mathrm{\πD}}g\frac{v_0{L}_p}{n{L}_p+n_0{L}_0}g\frac{\mathrm{k\ρ}{R}^4}{R^2\mathrm{\ϵ}+{\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)}^2{L}_p}\mathrm{gF}---\left(6\right)$

所以，力F引起的Y型腔正交偏振激光器中S偏振光和P偏振光的拍频频差的变化为

δv＝SFgF

其中SF为比例因子， $\mathrm{SF}=\frac{5}{64\mathrm{\πD}}g\frac{v_0{L}_p}{n{L}_p+n_0{L}_0}g\frac{\mathrm{k\ρ}{R}^4}{R^2\mathrm{\ϵ}+{\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)}^2{L}_p}.$

本发明用于测量待测力和质量的具体步骤如下：

(1)开机，激光器点着，工作点选择与控制单元将激光器的两正交偏振纵模稳定在增益曲线中心对称的位置，信号采集与处理单元开始计数；

(2)信号采集与处理单元记录下激光器初始输出频差值；

(3)将待测力或待测质量的自重力施加在加力单元上；

(3)信号采集与处理单元再次记录下激光器输出频差值；

(4)当本发明用于测量待测力时，信号采集与处理单元将两次激光器输出拍频频差值相减，再根据比例因子换算得到待测力的大小；当本发明用于测量待测物体的质量时，信号采集与处理单元将两次激光器输出拍频频差值相减，由根据比例因子换算得到待测物体自重力的大小，再根据当地的重力加速度值计算出待测物体的质量。

本发明的有益效果是：

(一)所述的力和质量测量方法和装置，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)所述的力和质量测量方法和装置，利用气体膜盒将力转化为传感气体的折射率变化，进而将输入力信号转化为激光器P子段的光学腔长变化，而不改变激光器谐振腔的几何长度，力信号的输入不影响激光器的光路结构，因此测量装置的结构和物理性能更加稳定；

(三)所述的力和质量测量方法和装置中，由于气体膜盒和激光器的光路完全分离，气体膜盒结构不影响激光器和测量装置的正常工作，可方便地优化和调整气体膜盒结构。

量程、比例因子和分辨率是测量装置的主要性能指标。该测量装置的分辨率δF由比例因子SF和激光器的频差稳定性共同决定，它们的关系式为

该测量装置的量程RA由激光器的纵模间隔MS和比例因子SF共同决定，其表达式为

$\mathrm{RA}=\frac{\mathrm{MS}}{\mathrm{SF}}---\left(8\right)$

由式(6)、式(7)和式(8)可见，可以通过改变气体膜盒中超薄膜片的厚度t、气体膜盒的半径R、传感气体的密度ρ等参数方便地调节测量装置的比例因子、量程和分辨率等性能指标。通过优化气体膜盒结构，该装置可作为微纳力和微纳质量的计量标准传递仪。

(四)所述的力和质量测量方法和装置中，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，由式(6)、式(7)和式(8)可知所述的力和质量测量方法和装置有较高的零偏稳定性、较高的分辨率和较大的量程。

附图说明

图1为基于Y型腔正交偏振激光器的力和质量测量装置的总体结构图；

图2为力和质量测量装置中Y型腔正交偏振激光器的外观图；

图3为Y型腔正交偏振激光器的原理结构图；

图4为气体膜盒的剖面图。

具体实施方式

在图1中，基于Y型腔正交偏振激光器的力和质量测量装置包括Y型腔正交偏振激光器100、气体膜盒200、加力单元300、工作点选择与控制单元400、信号采集与处理单元500。

加力单元300采用通用的杠杆或其它力传递方式。

工作点选择与控制单元400包括第一光电探测器401、第二光电探测器402、工作点选择和控制电路403。第一光电探测器401将Y型腔正交偏振激光器100接收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401将Y型腔正交偏振激光器100接收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403有三个功能，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中两偏振光的频差大于闭锁阈值，第三个功能是根据第一光电探测器401和第二光电探测器402的输出电压，采用等光强的方法稳频，即通过调节压电陶瓷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500包括偏振片501、第三光电探测器502、计数与信号处理电路503。S偏振光和P偏振光沿着偏振片501的偏振方向的分量产生拍频，第三光电探测器502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503测量拍频信号的频率，并进行滤波、运算和显示。

在图2和图3中，Y型腔正交偏振激光器包括共用段111、S子段112和P子段113、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、偏振分光膜110、氦氖放电管114、第一压电陶瓷101和第二压电陶瓷102。

共用段111和S子段112采用微晶玻璃材料和钻孔工艺一体化加工，它们共用一个端面。第一高反射率镜片以光胶的方式贴在共用段111的第一端面上，第一压电陶瓷101安装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子段的第一端面上。偏振分光膜镀制在S子段112和共用段111的共用端面上。共用段111内传播的S偏振光经偏振分光膜反射后进入S子段112。第一高反射率镜片103、第二高反射率镜片104、偏振分光膜110构成S偏振光的谐振腔，简称“S子腔”。P子段113采用微晶玻璃材料和钻孔工艺加工。P子段113上设有通气孔108。第三高反射率镜片105以光胶的方式贴在P子段113的第一端面上，第二压电陶瓷102安装在第三高反射率镜片105上。P子段113的第二端面与共用段111和S子段112的公共端面以光胶的方式连接。共用段111内传播的P偏振光经偏振分光膜110后透射至P子段113。第一高反射率镜片103、偏振分光膜110和P子段113构成P偏振光的谐振腔，简称“P子腔”。

氦氖放电管114包括增益区109、阴极106和阳极107。增益区109内充有氦氖混合气体，氦气和氖气的气压比约为7∶1。

在图4中，气体膜盒包括第一圆形皿201、第二圆形皿202、超薄膜片203，第一圆形皿201和第二圆形皿202都采用微晶玻璃材料加工而成，两个圆形皿外径相同，超薄膜片203的采用石英玻璃加工而成，超薄膜片203封接在第一圆形皿201的开口上，其内充有传感气体，第二圆形皿202的开口封接在超薄膜片203的另一面上，两个圆形皿的轴心重合，第一圆形皿201底部中心开有通气孔204，第二圆形皿202底部中心开有圆孔205。

所述Y型腔正交偏振激光器与气体膜盒以光胶或粘连的方式固连在一起，Y型腔正交偏振激光器100的P子段113上的通气孔108与第一圆形皿201底部上的通气孔204相连通。第二圆形皿202有两个作用，第一个作用是将超薄膜片203与外界环境隔离，避免环境温度的影响，第二个作用是通过圆孔205将待测力在超薄膜片203上的作用位置限制在超薄膜片203的中心位置附近。

根据使用需要，可以优化所述的力和质量测量装置的结构参数。例如，当所述的力和质量测量装置采用如下参数设置：Y型腔正交偏振激光器100的共用段111长度为100mm，S子段112和P子段113的长度均为20mm，超薄膜片厚度为0.1mm，第一圆形皿的深度为0.5mm，第一圆形皿的内径为100mm，传感气体为标准状态的SF₄。根据式(6)可以算出比例因子为1.2×10¹²Hz/N，Y型腔正交偏振激光器100的纵模间隔为1.25×10⁹Hz，短时频差稳定性可达10kHz，由式(7)和式(8)可算出所述的力和质量测量装置的分辨率为10^-8N，动态范围为10⁵，此时所述的力和质量测量装置可作为微纳力和微纳质量的计量标准传递仪。

Claims (4)

1.一种基于Y型腔正交偏振激光器的力和质量测量装置，包括Y型腔正交偏振激光器、气体膜盒、加力单元、工作点选择与控制单元、信号采集与处理单元，其特征在于：

其中：Y型腔正交偏振激光器包括腔体、第一高反射率镜片、第二高反射率镜片、第三高反射率镜片、偏振分光膜、氦氖放电管、第一压电陶瓷和第二压电陶瓷；

腔体包括共用段、S子段和P子段，其中共用段和S子段采用微晶玻璃材料和钻孔工艺一体化加工，共用一个端面；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；偏振分光膜镀制在S子段和共用段的共用端面上；

Y型腔正交偏振激光器与气体膜盒以光胶或粘连的方式固连在一起，气体膜盒的通气孔与Y型腔正交偏振激光器的P子段上的通气孔相连通；

加力单元透过气体膜盒的第二圆形皿底部的圆孔与超薄膜片中心相连，将力传递到超薄膜片上；

信号采集与处理单元与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。

2.根据权利要求1所述的一种基于Y型腔正交偏振激光器的力和质量测量装置，其特征在于：

气体膜盒(200)包括第一圆形皿(201)、第二圆形皿(202)、超薄膜片(203)，超薄膜片(203)封接在第一圆形皿(201)的开口上，其内充有传感气体，第二圆形皿(202)的开口封接在超薄膜片(203)的另一面上，两个圆形皿的轴心重合，第一圆形皿(201)底部中心开有通气孔(204)，第二圆形皿(202)底部中心开有圆孔。

3.根据权利要求1所述的一种基于Y型腔正交偏振激光器的力和质量测量装置，其特征在于，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。

4.一种基于Y型腔正交偏振激光器的力和质量测量方法，其特征在于，本发明用于测量待测力和质量的具体步骤如下：

(1)开机，激光器开始运转，工作点选择与控制单元将激光器的两正交偏振纵模稳定在增益曲线中心对称的位置，信号采集与处理单元开始计数；

(2)信号采集与处理单元记录下激光器初始输出频差值；

(3)将待测力或待测质量的自重力施加通过加力单元施加在超薄膜片上；

(4)当本发明用于测量待测力时，信号采集与处理单元将两次激光器输出拍频频差值相减，再根据比例因子换算得到待测力的大小；当本发明用于测量待测物体的质量时，信号采集与处理单元将两次激光器输出拍频频差值相减，由根据比例因子换算得到待测物体自重力的大小，再根据当地的重力加速度值计算出待测物体的质量。

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