CN103471527B - 一种激光外腔回馈小角度滚转角测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，属于激光测量技术领域。该滚转角测量系统使用LD泵浦的单频微片Nd:YAG激光器、静止波片、可转动波片以及外部反射镜构成的激光回馈系统来测量滚转角。静止波片的快慢轴和激光偏振方向成45度角，可转动波片的快慢轴和静止波片的快慢轴重合为零点位置。在45度范围内转动可转动波片，激光器输出的回馈信号之间的相位差连续可变，与角度成一一对应关系，由此能够实现对滚转角的精密测量。本发明的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统具有结构简单紧凑、装配调整容易、测量精度高、成本低的特点。

Description

一种激光外腔回馈小角度滚转角测量系统

技术领域

本发明涉及测量领域，尤其涉及测量领域中的一种激光外腔回馈小角度滚转角测量系统。

背景技术

角度是一个重要的计量单位，同时也是机械、仪器仪表和电子产品中的重要几何参数之一，其准确度直接影响着产品的质量与寿命，在机械、光学、电子、航空航天、航海、军事等许多领域都具有极其重要的意义和作用。

测角技术中研究最早的是机械式和电磁式测角技术，如多齿分度台、感应同步器和圆磁栅等，这些方法的主要缺点是是体积过大，人们对几百毫米的直径习以为常，并且其制作困难，价格昂贵。光学测角方法由于具有非接触、高精度度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视，尤其是稳定的激光光源的发展使工业现场测量成为可能，因此使光学测量法的应用越来越广泛。目前，光学测角方法常用的有自准直法、平行干涉图法、光电编码器法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法和表面等离子共振法等。激光干涉法是目前进度最高的测量方法，但是其原理上是非线性的，且测量范围小，主要用作对其他方法的检定。圆光栅和感应同步器等，其测量装置由“动片”和“静片”组成，需要严格同心，加工和装配要求太苛刻。

发明内容

本发明利用激光外腔回馈导致激光器x、y两个方向的激光强度受到不同的调制，提出了一种新的滚转角测量方法。在双波片外腔回馈条件下，激光器x、y两个方向的激光强度具有位相差，此位相差与外腔可转动波片的位相差成一一对应关系。通过测量x、y方向上的激光强度之间的位相差就可以实现高精度的滚转角测量。

本发明提供了一种激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，该滚转角测量系统包括：

带尾纤的LD泵浦源1，该LD泵浦源1用于产生泵浦光；

准直聚焦透镜组2，该准直聚焦透镜组2通过光纤与该LD泵浦源1连接；

由全内腔的Nd:YAG晶体3构成的Nd:YAG激光器，该Nd:YAG晶体3的入射面和出射面构成该Nd:YAG激光器的谐振腔，该准直聚焦透镜组2将该LD泵浦源1产生的泵浦光汇聚于该Nd:YAG晶体3的该入射面，在该入射面和该出射面之间谐振，并从该出射面输出单频线偏振激光；

外腔回馈反射镜7，该外腔回馈反射镜7与该Nd:YAG晶体3的出射面构成回馈外腔，该外腔回馈反射镜7将该Nd:YAG激光器输出的单频线偏振激光反射回该Nd:YAG激光器，以产生激光外腔回馈；

静止波片5，该静止波片5设置在该回馈外腔中，并且该静止波片5的快轴和慢轴分别与该Nd:YAG激光器输出的单频线偏振激光的偏振方向成45度夹角；

可转动波片6，该可转动波片6设置在该回馈外腔中，并与待测物体固定连接，以敏感该待测物体的滚转角；

位移驱动器8，该位移驱动器8与该外腔回馈反射镜7固定连接，以在驱动电压的作用下，推动该外腔回馈反射镜7沿该单频线偏振激光的轴线移动，改变该回馈外腔的长度；

信号探测与驱动装置，该信号探测与驱动装置用于分别在该静止波片5的快轴和慢轴这两个方向上，探测该Nd:YAG激光器输出的该单频线偏振激光的光强，并用于向该位移驱动器8提供驱动电压；

相位检测器，该相位检测器用于检测该单频线偏振激光在该静止波片5的快轴和慢轴这两个方向上的光强的相位差；和

数据处理器12，该数据处理器12用于基于该相位检测器检测的相位差，确定该待测物体的滚转角。

可选地，在本发明实施例中，该可转动波片6的快轴和慢轴分别与该静止波片5的快轴和慢轴重合。

可选地，在本发明实施例中，该信号探测与驱动装置包括：

偏振分光器9，该偏振分光器9将该Nd:YAG激光器输出的该单频线偏振激光在空间上分成两路光，该两路光的方向分别平行于该快轴和该慢轴的方向；和

光电探测器10、11，该光电探测器10、11设置成分别探测该两路光的光强。

可选地，在本发明实施例中，该信号探测与驱动装置还包括：

分束器4，该分束器4用于将该Nd:YAG激光器输出的该单频线偏振激光分成两部分，其中一部分该单频线偏振激光入射到该偏振分光器9。

可选地，在本发明实施例中，该分束器设置在该回馈外腔中。

可选地，在本发明实施例中，该分束器设置在该外腔回馈反射镜7的一侧，接收该外腔回馈反射镜7透射的该单频线偏振激光。

可选地，在本发明实施例中，该Nd:YAG激光器输出的该单频线偏振激光的波长为1064nm。

可选地，在本发明实施例中，该偏振分光器9为偏振分光棱镜。

基于上述技术方案，本发明的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，利用激光外腔回馈导致激光器x、y两个方向的激光强度受到不同的调制，从而在双波片外腔回馈条件下，根据激光器x、y两个方向的激光强度具有位相差，此位相差与外腔可转动波片的位相差成一一对应关系，通过测量x、y方向上的激光强度之间的位相差就能够实现高精度的滚转角测量。并且，本发明的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统还具有结构简单紧凑、装配调整容易、测量精度高、成本低的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统的示意性框图。

图2是双折射外腔回馈波片测量系统的坐标系的示意图。

图3是根据本发明的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统对不同滚转角的测量结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

图1示出了根据本发明的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统的示意性框图。如图1所示，该激光外腔回馈小角度滚转角测量系统包括：

带尾纤的LD泵浦源1，该LD泵浦源1用于产生泵浦光；

准直聚焦透镜组2，该准直聚焦透镜组2通过光纤与该LD泵浦源1连接；

由全内腔的Nd:YAG晶体3构成的Nd:YAG激光器，该Nd:YAG晶体3的入射面和出射面构成该Nd:YAG激光器的谐振腔，该准直聚焦透镜组2将该LD泵浦源1产生的泵浦光汇聚于该Nd:YAG晶体3的该入射面，在该入射面和该出射面之间谐振，并从该出射面输出单频线偏振激光；

外腔回馈反射镜7，该外腔回馈反射镜7与该Nd:YAG晶体3的出射面构成回馈外腔，该外腔回馈反射镜7将该Nd:YAG激光器输出的单频线偏振激光反射回该Nd:YAG激光器，以产生激光外腔回馈；

静止波片5，该静止波片5设置在该回馈外腔中，并且该静止波片5的快轴和慢轴分别与该Nd:YAG激光器输出的单频线偏振激光的偏振方向成45度夹角；

可转动波片6，该可转动波片6设置在该回馈外腔中，并与待测物体固定连接，以敏感该待测物体的滚转角；

位移驱动器8，该位移驱动器8与该外腔回馈反射镜7固定连接，以在驱动电压的作用下，推动该外腔回馈反射镜7沿该单频线偏振激光的轴线移动，改变该回馈外腔的长度；

信号探测与驱动装置，该信号探测与驱动装置用于分别在该静止波片5的快轴和慢轴这两个方向上，探测该Nd:YAG激光器输出的该单频线偏振激光的光强，并用于向该位移驱动器8提供驱动电压；

相位检测器，该相位检测器用于检测该单频线偏振激光在该静止波片5的快轴和慢轴这两个方向上的光强的相位差；和

数据处理器12，该数据处理器12用于基于该相位检测器检测的相位差，确定该待测物体的滚转角。

可选地，该可转动波片6的快轴和慢轴分别与该静止波片5的快轴和慢轴重合。

可选地，该信号探测与驱动装置包括：

偏振分光器9，该偏振分光器9将该Nd:YAG激光器输出的该单频线偏振激光在空间上分成两路光，该两路光的方向分别平行于该快轴和该慢轴的方向；和

光电探测器10、11，该光电探测器10、11设置成分别探测该两路光的光强。

可选地，该信号探测与驱动装置还包括：

分束器4，该分束器4用于将该Nd:YAG激光器输出的该单频线偏振激光分成两部分，其中一部分该单频线偏振激光入射到该偏振分光器9。

可选地，该分束器设置在该回馈外腔中。

可选地，该分束器设置在该外腔回馈反射镜7的一侧，接收该外腔回馈反射镜7透射的该单频线偏振激光。

应理解，在本发明实施例中，该分束器还可以设置在其它位置，本发明并不限于此。

可选地，该Nd:YAG激光器输出的该单频线偏振激光的波长为1064nm。应理解，该Nd:YAG激光器输出的激光的波长还可以为其它值，本发明并不限于此。

可选地，该偏振分光器9为偏振分光棱镜。应理解，该偏振分光器9还可以为其它具有偏振分光特性的其它器件，本发明并不限于此。

具体而言，在图1中，1可以是带尾纤输出的半导体激光器，用作泵浦源；2可以是准直聚焦透镜组，把泵浦光聚焦于3的表面；3可以是激光增益介质－Nd:YAG晶体，3的两个表面构成激光谐振腔；4可以是分束器，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可以是一个位相延迟量为45度（不仅限于45度）的静止波片，其快、慢轴和激光器输出光的偏振方向夹角为45度；6可以是位相延迟量为45度（不仅限于45度）的可转动波片，与待测物体连接，用于敏感探测滚转角；7可以为外腔回馈反射镜，反射率例如为50％；8可以为压电陶瓷，它固定在上述外腔回馈反射镜上，在输入电压的作用下，它推动上述外腔回馈反射镜7沿激光轴线方向左、右移动；4、5、6、7以及Nd:YAG晶体3的输出面共同构成激光回馈外腔；9可以为偏振分光棱镜（渥拉斯顿棱镜）；10和11可以为两个光电探测器；9、10和11构成信号接受装置。12可以是数据处理系统，包括：模/数转换器，其输入信号分别为光电探测器10、11输出的激光强度信号；数/模转换器，该数/模转换器的输出与所述的压电陶瓷8的输入端相连；计算机与所述的模/数转换器的输出端、数/模转换器的输入端相连。

本发明的原理如下：

建立如图2所示的坐标系，Z轴为Nd:YAG激光器输出光的传播方向。激光的电场方向分别与X轴、Y轴成45度。双折射回馈外腔中波片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。

电场在回馈外腔中，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：

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

$\mathrm{\Δ}{g}_y=-\frac{\mathrm{\ζ}}{2\mathrm{nd}}\cos (\mathrm{\ω}\frac{2L}{c}+90+2\mathrm{\δ}),---\left(3\right)$

式中，δ为可转动波片转角θ引起的E_o，E_e之间的相位差，

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_x-n_y)d$

$n_x=\frac{\mathrm{none}}{\sqrt{{n_o}^2\sin {\mathrm{\θ}}^2+{n_e}^2\cos {\mathrm{\θ}}^2}}---\left(4\right)$

$n_y=\frac{n_o{n}_e}{\sqrt{{n_o}^2\cos {\mathrm{\θ}}^2+{n_e}^2\sin {\mathrm{\θ}}^2}}$

其中，n_o和n_e分别是波片的寻常光折射率和非寻常光折射率；d是波片的几何厚度；λ是激光波长。

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,（5）

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方向上的激光强度为：

I_x=I_x0+ζk/2nd·cos(2ωL/c),（6）

I_y=I_y0+ζk/2nd·cos(2ωL/c+90+2δ),（7）

式中，I_x和I_y为光回馈时x向、y向的激光光强，I_x0和I_y0为没有光回馈时x向、y向的初始光强。

从式（5）、（6）可知，外腔回馈镜每改变二分之一光波长的位移，I_x和I_y都波动一个周期，但是，两者之间存在一个相位差2δ，其中的δ和可转动波片6的转角θ（即，待测的滚转角）成对应关系。因此，只需测出I_x和I_y之间的相位差，就可以得到被测波片的位相差。静止波片5的作用在于把转角测量的零点位置设置到余弦曲线的过零点，使得测量系统具有较高的灵敏度。

如图1所示的实验系统，当回馈镜7在压电陶瓷8的推动下，沿激光轴线左右移动时，由光电探测器10、11测得的激光强度调制曲线如图3所示。其中，图3（a）－（d）分别对应可转动波片在-45°，-40°，35°，45°各个角度时，激光器输出回馈信号之间的相位差。根据图3，滚转角和相位差之间具有一一对应关系。因此，在激光外腔回馈滚转角测量系统中，只需要测量x向和y向的激光强度曲线之间的位相差，就可以方便地测得被测物体的滚转角。

本发明设计的激光外腔回馈滚转角测量系统由光源，回馈外腔，信号探测以及数据处理系统4个部分组成。其系统光源使用的是LD泵浦的单频微片Nd:YAG激光器。测量过程中，由数据处理系统控制外腔回馈镜连续改变外腔长度，同时测量激光器x向和y向的激光强度曲线。通过计算x向和y向的激光强度曲线之间的位相差，即可得到待测物体的滚转角。本发明所设计的激光外腔回馈滚转角测量系统具有结构紧凑，测量精度高等特点。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccessMemory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，其特征在于，包括：

带尾纤的LD泵浦源(1)，所述LD泵浦源(1)用于产生泵浦光；

准直聚焦透镜组(2)，所述准直聚焦透镜组(2)通过光纤与所述LD泵浦源(1)连接；

由全内腔的Nd:YAG晶体(3)构成的Nd:YAG激光器，所述Nd:YAG晶体(3)的入射面和出射面构成所述Nd:YAG激光器的谐振腔，所述准直聚焦透镜组(2)将所述LD泵浦源(1)产生的泵浦光汇聚于所述Nd:YAG晶体(3)的所述入射面，在所述入射面和所述出射面之间谐振，并从所述出射面输出单频线偏振激光；

外腔回馈反射镜(7)，所述外腔回馈反射镜(7)与所述Nd:YAG晶体(3)的出射面构成回馈外腔，所述外腔回馈反射镜(7)将所述Nd:YAG激光器输出的单频线偏振激光反射回所述Nd:YAG激光器，以产生激光外腔回馈；

静止波片(5)，所述静止波片(5)设置在所述回馈外腔中，并且所述静止波片(5)的快轴和慢轴分别与所述Nd:YAG激光器输出的单频线偏振激光的偏振方向成45度夹角；

可转动波片(6)，所述可转动波片(6)设置在所述回馈外腔中，并与待测物体固定连接，以敏感所述待测物体的滚转角；

位移驱动器(8)，所述位移驱动器(8)与所述外腔回馈反射镜(7)固定连接，以在驱动电压的作用下，推动所述外腔回馈反射镜(7)沿所述单频线偏振激光的轴线移动，改变所述回馈外腔的长度；

信号探测与驱动装置，所述信号探测与驱动装置用于分别在所述静止波片(5)的快轴和慢轴这两个方向上，探测所述Nd:YAG激光器输出的所述单频线偏振激光的光强，并用于向所述位移驱动器(8)提供驱动电压；

相位检测器，所述相位检测器用于检测所述单频线偏振激光在所述静止波片(5)的快轴和慢轴这两个方向上的光强的相位差；和

数据处理器(12)，所述数据处理器(12)用于基于所述相位检测器检测的相位差，确定所述待测物体的滚转角。

2.根据权利要求1所述的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，其特征在于，所述可转动波片(6)的快轴和慢轴分别与所述静止波片(5)的快轴和慢轴重合。

3.根据权利要求1所述的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，其特征在于，所述信号探测与驱动装置包括：

偏振分光器(9)，所述偏振分光器(9)将所述Nd:YAG激光器输出的所述单频线偏振激光在空间上分成两路光，所述两路光的方向分别平行于所述快轴和所述慢轴的方向；和

光电探测器(10、11)，所述光电探测器(10、11)设置成分别探测所述两路光的光强。

4.根据权利要求3所述的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，其特征在于，所述信号探测与驱动装置还包括：

分束器(4)，所述分束器(4)用于将所述Nd:YAG激光器输出的所述单频线偏振激光分成两部分，其中一部分所述单频线偏振激光入射到所述偏振分光器(9)。

5.根据权利要求4所述的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，其特征在于，所述分束器设置在所述回馈外腔中。

6.根据权利要求4所述的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，其特征在于，所述分束器设置在所述外腔回馈反射镜(7)的一侧，接收所述外腔回馈反射镜(7)透射的所述单频线偏振激光。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，其特征在于，所述Nd:YAG激光器输出的所述单频线偏振激光的波长为1064nm。