CN104266584B - 用于激光自混合干涉系统的反馈光强度自动调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动控制反馈光强度水平的装置。该装置包括：分光镜、反光镜、中性可调衰减片、光隔离器、光电探测器、单片机、隔离放大电路、步进电机以及连接步进电机与衰减片支架的传动机构。由分光镜、反光镜和光隔离器构成的分离光路分离出从目标反射回来的激光。反射光经1:1分光镜，一部分进入到激光腔内与腔内激光产生干涉，一部分入射到光电二极管上，通过光电探测器把光功率转换为电信号，并通过输入电路输入到单片机中。单片机通过编程实现输入的光功率P与人为设定的目标功率P₀之间的比较，并根据比较结果向外输出脉冲信号控制步进电机，带动衰减片转动调节衰减强度，进而达到调节反馈光强度的目的。

Description

用于激光自混合干涉系统的反馈光强度自动调节装置

技术领域

本发明涉及激光自混合干涉测量技术领域，特别涉及激光反馈强度调节方法和装置。

背景技术

近年来，激光自混合干涉仪以其与传统干涉仪相比，结构简单、紧凑，易准直的特点，在很多场合逐渐取代传统的干涉仪得到广泛应用。自混合干涉仪基于激光自混合干涉现象：激光器发出的光入射到一物体表面时会在物体表面发生反射和散射，经反射或散射的光一部分又反馈回激光器谐振腔内，与腔内的光发生相干混合形成新的激光振荡。激光振荡的波长和功率依赖于反馈光的相位和强度。当入射表面沿激光轴向移动时，激光器的功率将会呈周期性变化，每移动半个光波长，激光器功率变化一个波形，波形形状依赖于反馈光的强度。根据反馈强度系数C的大小把激光自混合干涉现象分为四种光反馈水平。

1)当C<<1时,系统处于极度弱反馈状态，干涉信号为正弦波，几乎观察不到自混合现象

2)当0.1<C<1时，系统处于弱反馈水平，干涉信号类似于传统双光束干涉，具有不对称性，其倾斜程度随外反馈光强度的增大而增加

3)当1<C<4.6时，系统处于适度反馈水平，半导体激光器多模运转，自混合干涉信号为类锯齿波形，倾斜方向敏感于目标物体的运动方向

4)当C>4.6时，系统处于强反馈状态，半导体激光器出现模跳，不再有自混合干涉产生

激光自混合干涉仪已被广泛应用于对象的物理特性和运动特性的测量，如形貌测量、位移和距离测量、速度和振动测量等。测量过程是由光电探测器接收激光器发出的光，并转换为电信号，得到与光功率信号相对应的电信号，通过进一步的信号处理获取待测的量。由于不同的反馈水平下功率波形的变化规律不同，对于与之对应的电信号的处理方法也有所不同，以此衍生出多种测量方法，每种测量方法都是在一定的反馈水平下实现的。另外，在一定的测量范围下，不同的测量精度要求也会采用不同的反馈强度水平。在实验验证反馈光强度对自混合信号波形的影响规律时，及时的获知当前的反馈水平并根据需要对它进行适当的调整是非常重要的。

现有的用于调整反馈光强度的方法如光路调节方法或是通过改变目标物体的反射率来调整强度。论文“光反馈光强度参数的频率响应”(见《激光与红外》，2013年43卷第6期)中光路调节的方法仅适用于对激光器端面到待测目标之间距离没有特定要求的场合，限制了该方法在其他很多测量场合的应用；而论文“适度反馈下半导体激光器自混合干涉效应与微振动测量研究”(见《光电技术应用》，2013年28卷第1期)中改变待测目标的反射率的方法在确定的测量目标的条件下是无法实现的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一个自动控制反馈光强度的方法，有效的解决在测量过程中反馈光强度的检测和调节。

本发明的目的还在于提供一种实现上述方法的控制装置。

本发明的一种自动控制反馈光强度的方法，见图1。激光器18发出的光透过分光镜1入射到待测目标10上，由于固定在目标表面的反射镜7的反射，改变光的传播方向并依此入射到反射镜8和反射镜9上，最后通过反射镜9的反射以与原激光器出射光成90°的方向入射到分光镜1。由于分光镜1的分光作用，一部分光透过分光镜入射到光电探测器2上，另一部分沿激光器出射光的相反方向返回到激光器18腔内与腔内光发生混合干涉。

激光器18的出射光在通过分光镜1时，也会被分为两部分。一部分沿着激光轴线方向传播，入射到待测目标10上；另一部分与激光轴线成90°向下射向反光镜9。为了防止射向反光镜9的这部分光对分离光路中的光产生影响，在分光镜1和反光镜9之间放置一个光隔离器6，对来自分光镜1的光进行隔离。

为了实现反射光的正确分离，安装在待测目标10表面的反射镜7和支架上的反射镜8和9均采用直角边为45°的反射镜。并且在进行光路搭建时，保证三个反射镜和分光镜1它们的位置构成一个矩形，它们分别位于矩形的四个角上。

由分离光路分离出的反射光入射到光电探测器2上，探测器2接收光信号，并将其转化为电信号。探测器的输出电信号与入射光的强度成正比，并通过输入电路3输入到单片机4中，其中输入电路是为了将光电探测器的输出信号转化为单片机可以接收的信号。单片机4通过编程实现输入的光强度P与人为设定的目标强度P₀之间的比较，并根据比较结果向外输出脉冲信号，输出的脉冲信号通过隔离放大电路进行放大，然后控制步进电机13做相应的转动：如果P>P₀，单片机4输出正向脉冲控制步进电机13正转，增大衰减片5的衰减率，进而减小激光的反馈强度；如果P<P₀，单片机4输出反向脉冲控制步进电机13反转，减小衰减片5的衰减率，进而增大激光的反馈强度。

为了实现步进电机13对可调衰减片5的控制，利用传动机构12将电机13与可调衰减片5的可动支架相连接。为了保证传动的精确性，选用齿轮传动，如图2。主动轮19安装在步进电机13的输出轴上，从动轮20安装在衰减片5支架的可动轴上，通过两个齿轮的啮合实现角度的传递。两传动齿轮的齿数相同，传动系数为1:1，由于步进电机13的步距角小于1°，通过齿轮传动传递到衰减片5支架上的角度变化的间隔也小于1°，实现了对整个圆周角的细分，当可调衰减片5以这样的角度变化量进行调节时，可以保证衰减片衰减强度的连续调节。

因为齿轮传动机构主要传递的是运动，对齿轮的强度要求不高，加工易于实现，成本低。为了保证传递角度的准确性，齿轮的精度需要达到6级精度。齿轮的大小可以根据具体的实验系统的结构来决定。

附图说明

图1是本发明激光自混合干涉系统的反馈光强度自动调节装置的结构图；

图2是本发明自混合干涉系统的反馈光强度自动调节装置中的传动机构结构图；

图3是本发明反馈光强度自动控制的流程图；

图中：1. 1:1分光镜 2.光电探测器 3.单片机输入电路 4.处理器 5.可调衰减片6.光隔离器 7.第一反光镜 8.第二反光镜 9.第三反光镜 10.待测目标 11.信号发生器12.传动机构 13.电动机 14.隔离放大电路 15.处理和显示电路 16.光电探测器 17.激光器的驱动电源 18.激光器 19.主动齿轮 20.从动齿轮

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见附图1，用于激光自混合干涉系统的反馈光强度自动调节装置包括：激光器18、分光镜1、中性可调衰减片5、第一反光镜7、第二反光镜8、第三反光镜9、光电探测器2和处理器4，其特征在于，所述分光镜1、中性可调衰减片5和待测目标10依次设置在激光器18的出射光的光轴上，所述分光镜为1:1分光镜，能够将入射光分为两束强度相同、传播方向垂直的光；所述第一反光镜7固定在所述待测目标10的表面上，所述第二反光镜和第三反光镜设置在一支架上，且其位置关系设置为通过第二反光镜8和第三反光镜9将第一反光镜7反射的来自激光器的光反射到分光镜1，且反射光的方向与出射光方向垂直；所述反射光经过分光镜后，一部分经分光镜1反射后回到所述激光器18，与激光器18腔内的光线发生混合干涉；另一部分方向不变，进入所述光电探测器2，光电探测器2将信号输出给所述处理器4，处理器4对光电探测器探测到的光信号强度进行处理，并生产相应的控制信号，所述装置还包括隔离放大电路17、步进电机13和传动机构12，所述步进电机13通过所述传动机构12连接所述中性可调衰减片5，所述处理器产生的所述控制信号为脉冲信号，且所述脉冲信号经过隔离放大电路17放大后输出到步进电机13，控制步进电机运动，从而控制中性可调衰减片5；所述激光器由驱动电源17驱动。

安装在待测目标10表面的第一反射镜7和支架上的第二反射镜8和第三反光镜9均采用直角边为45°的反射镜，并且第一、第二、第三反射镜和分光镜1的位置构成一个矩形，第一、第二、第三反射镜和分光镜1分别位于矩形的四个角上。

激光器18的出射光在通过分光镜1时，也会被分为两部分，一部分与激光轴线成90°向下射向反光镜9，为了防止这部分光对分离光路中的光产生影响，在分光镜1和反光镜9之间放置一个光隔离器6，对来自分光镜1的光进行隔离。

所述处理器4可以为单片机、DSP、或FPGA中的任意一种。

所述光电探测器2的输出信号经过一个输入电路3后输出给所述处理器4。

所述处理器4对比光电探测器2探测到的光强度P与目标光强度强度P₀，并根据对比结果向外输出脉冲信号，输出的脉冲信号通过所述隔离放大电路14进行放大，控制步进电机13做相应的转动；如果P>P₀，处理器4输出正向脉冲控制步进电机13正转，增大所述中性可调衰减片5的衰减率，进而减小激光的反馈强度；如果P<P₀，处理器4输出反向脉冲控制步进电机13反转，减小所述中性可调衰减片5的衰减率，进而增大激光的反馈强度。

所述传动机构12可以为齿轮传动机构或其他可以将步进电机的运动精确传递给转动支架的传动机构。

调整激光器、分光镜以及待测目标使它们在同一水平线上，保证光路的畅通。将反光镜8和9的支架调整到与分光镜在同一水平线上，距离激光轴线15cm的位置。选择反光镜的反射系数均为0.9，分光镜为1:1分光镜。选择激光器的输出功率为20mW，在不进行衰减的情况下，反馈回激光腔内的功率是初始功率的36.5％。设置理想的反馈光功率是初始功率的25％，通过编程把数据写入单片机中。连接设备，运行程序结果显示通过对衰减片进行调节，可以把反馈光功率调节到初始功率的24.5～25.5％之间。

具体的工作流程如图3所示。激光器发出的光入射到待测目标上，由于固定在目标表面以及固定在支架上的反射镜的反射，改变光的传播方向入射到分光镜。由于分光镜的分光作用，一部分光透过分光镜入射到光电探测器上，探测器输出与光强度成正比的电信号，输入到单片机内，与预先输入到单片机内的理想光强度进行比较。如果光强大于理想光强，单片机输出正脉冲控制步进电机正转，增大衰减片的衰减率，进而减小激光的反馈强度；如果光强小于理想光强，单片机则输出负脉冲控制步进电机反转，减少衰减片的衰减率，进而增大激光的反馈强度。

本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种用于激光自混合干涉系统的反馈光强度自动调节装置，包括：激光器(18)、分光镜(1)、中性可调衰减片(5)、第一反光镜(7)、第二反光镜(8)、第三反光镜(9)、光电探测器(2)和处理器(4)，所述分光镜(1)、中性可调衰减片(5)和待测目标(10)依次设置在激光器(18)的出射光的光轴上，所述分光镜为1:1分光镜，能够将入射光分为两束强度相同、传播方向垂直的光；所述第一反光镜(7)固定在所述待测目标(10)的表面上，所述第二反光镜和第三反光镜设置在一支架上，且其位置关系设置为通过第二反光镜(8)和第三反光镜(9)将第一反光镜(7)反射的来自激光器的光反射到分光镜(1)，且反射光的方向与出射光方向垂直；所述反射光经过分光镜后，一部分经分光镜(1)反射后回到所述激光器(18)，与激光器(18)腔内的光线发生混合干涉；另一部分方向不变，进入所述光电探测器(2)，光电探测器(2)将信号输出给所述处理器(4)，处理器(4)对光电探测器探测到的光信号强度进行处理，并生产相应的控制信号，通过该控制信号控制所述中性可调衰减片(5)；所述激光器由驱动电源(17)驱动；

其特征在于：所述装置还包括隔离放大电路(17)、步进电机(13)和传动机构(12)，所述步进电机(13)通过所述传动机构(12)连接所述中性可调衰减片(5)，所述处理器产生的所述控制信号为脉冲信号，且所述脉冲信号经过隔离放大电路(17)放大后输出到步进电机(13)，控制步进电机运动，从而控制中性可调衰减片(5)。

2.如权利要求1所述的反馈光强度自动调节装置，其特征在于：安装在待测目标(10)表面的第一反光镜(7)和支架上的第二反光镜(8)和第三反光镜(9)均采用直角边为45°的反光镜，并且第一、第二、第三反光镜和分光镜(1)的位置构成一个矩形，第一、第二、第三反光镜和分光镜(1)分别位于矩形的四个角上。

3.如权利要求2所述的反馈光强度自动调节装置，其特征在于：激光器(18)的出射光在通过分光镜(1)时，也会被分为两部分，一部分与激光轴线成90°向下射向反光镜(9)，为了防止这部分光对分离光路中的光产生影响，在分光镜(1)和反光镜(9)之间放置一个光隔离器(6)，对来自分光镜(1)的光进行隔离。

4.如权利要求1所述的反馈光强度自动调节装置，其特征在于：所述处理器(4)为单片机、DSP、或FPGA。

5.如权利要求4所述的反馈光强度自动调节装置，其特征在于：所述光电探测器(2)的输出信号经过一个输入电路(3)后输出给所述处理器(4)。

6.如权利要求1所述的反馈光强度自动调节装置，其特征在于：所述处理器(4)对比光电探测器(2)探测到的光强度P与目标光强度P₀，并根据对比结果向外输出脉冲信号，输出的脉冲信号通过所述隔离放大电路(14)进行放大，控制步进电机(13)做相应的转动；如果P>P₀，处理器(4)输出正向脉冲控制步进电机(13)正转，增大所述中性可调衰减片(5)的衰减率，进而减小激光的反馈强度；如果P<P₀，处理器(4)输出反向脉冲控制步进电机(13)反转，减 小所述中性可调衰减片(5)的衰减率，进而增大激光的反馈强度。

7.如权利要求6所述的反馈光强度自动调节装置，其特征在于：利用传动机构(12)将所述步进电机(13)与所述中性可调衰减片(5)的可动支架相连接，所述传动机构(12)为齿轮传动机构。