CN104330054A - 一种激光自混合干涉小角度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光自混合干涉小角度测量方法及装置，将激光器输出的激光束经聚焦透镜聚焦到旋转物体表面，入射线偏离旋转物体的角度旋转中心，激光器的输出功率用一光电探测器进行监测，当旋转物体发生小角度旋转时，光电探测器监测到的激光器输出功率将随着角度的变化而变化，通过预先定标好的角度和输出功率间的对应关系，来实现对被测物体旋转角度的测量。该测量装置结构简单、紧凑，测量精度高。

Description

一种激光自混合干涉小角度测量方法及装置

技术领域

本发明涉及激光应用技术领域，特别涉及激光自混合干涉小角度测量方法及装置。

背景技术

激光自混合干涉是指激光器输出光被外部物体反射或散射后，部分光反馈回激光器内，与激光谐振腔内光相混合后，引起激光器输出功率发生变化的现象。在光反馈较弱时，激光自混合干涉引起的功率变化输出信号与传统的双光束干涉信号类似，外部反射物的移动导致回馈光的光程出现变化时，激光器输出功率将出现周期性变化。激光自混合干涉系统仅有一个光学通道，并且可以做到“绝对”测量，相对传统的激光干涉系统，具有结构简单、紧凑等优点，在许多场合可以代替传统干涉仪，目前已在位移、振动、速度等高精度测量中得到广泛应用，但在角度测量中应用较少。

我们曾发现当激光束入射到一旋转物体时，如果激光束偏离被测物体的旋转中心，被测物体的角度变化将导致回馈光的光程变化，也将出现激光自混合干涉现象。这种由于物体旋转引起的激光自混合干涉现象可以应用到旋转角度的测量[见发明专利：钟金钢，琚志祥，基于激光自混合干涉的微小角度测量方法及装置，专利号：ZL200610123674.6]。这种角度测量方式可以获得角分辨率优于10^-5弧度的测量，但由于产生激光自混合干涉需要回馈光通过激光器的出光窗口重新返回激光谐振腔内部，而激光器出光窗口的孔径太小，使得角度测量的范围也太小，只能对微小角度进行测量，限制了激光自混合干涉对旋转角度测量的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光自混合干涉小角度测量方法，有效地解决了角度测量范围太小的问题，从而拓展基于激光自混合干涉的角度测量方法的应用。

本发明的目的还在于提供一种实现上述方法的测量装置。

本发明的技术方案如下：

一种激光自混合干涉小角度测量方法，激光器输出的激光束经聚焦透镜聚焦到旋转物体反射面上，激光束偏离旋转物体的角度旋转中心，激光束经反射面反射回激光器中，引起激光自混合干涉，激光器的输出功率用一光电探测器进行监测，当旋转物体发生小角度旋转时，光电探测器监测到的激光器的输出功率将随着角度的变化而变化，通过预先定标好的角度和输出功率间的对应关系，实现对旋转物体旋转角度的测量，其特征在于：激光器与反射面之间设置一个聚焦透镜，激光器输出的激光束经聚焦透镜聚焦到反射镜上。

一种激光自混合干涉小角度测量装置，包括激光器、聚焦透镜、光电探测器以及信号处理系统。激光器输出的激光束入射至旋转物体的反射面且激光束偏离旋转物体的角度旋转中心，光电探测器用于监测激光器的输出功率，信号处理系统与光电探测器相连，其特征在于：激光器与反射面之间设置一个聚焦透镜，激光器输出的激光束经聚焦透镜聚焦到反射面上。聚焦透镜的焦距越短，角度测量范围越大。

进一步的，聚焦透镜与反射面的距离为聚焦透镜的焦距，也即是激光束正好聚焦在反射面上。

本发明的理论依据如下：

图1所示，当激光束射入一旋转物体上，图中的反射面是旋转物体的一部分，其反射光再反馈回激光谐振腔内，将出现激光自混合干涉现象。当回馈光较弱时，自混合干涉信号类似双光束干涉信号，成正弦周期分布，回馈光的光程每改变半个波长时，自混合干涉信号将出现一次周期性的变化。当物体旋转时，旋转角度的变化将导致回馈光的光程发生改变，因此也会引起激光自混合干涉信号随角度成周期变化。但由于物体的旋转角度变化，使回馈光与激光出射光成一定角度，回馈光将会偏离出射光光轴，当偏离角度过大时，回馈光将偏离出激光器的出光窗口，使回馈光无法返回激光器谐振腔内，激光自混合干涉现象消失。

如图2是未添加聚焦透镜的反射光示意图。设激光器出光窗口直径为a，出射光束的束宽也为a。在几何光学近似下，当反射光束中心光线偏离角度超出2β₁时，则无回馈光进入激光器内，无自混合干涉现象发生。当反射面距离激光器为l₁时，能引起激光自混合干涉的旋转角度变化范围为图3为添加聚焦透镜后聚焦激光束的反射光示意图。在激光器发出激光束的光路设置一聚焦透镜，使从激光器发出的激光束聚焦，焦点处于被测旋转物体的表面。根据聚焦透镜对光束的会聚特性，激光束经物体表面反射后，由于反射点是透镜的焦点，偏离激光器出射光光轴的反射光经透镜后，将沿光轴方向折返回射入激光器，这使旋转物体旋转一个更大角度的反射光都能产生自混合干涉。当选取的显微物镜焦距为f时，反射面放置于显微物镜焦点处，自混合干涉的旋转角度变化范围为这里假设聚焦透镜的通光口径大于激光器出光窗口径，如果聚焦透镜的通光口径小于激光器出光窗口径，则公式中的a改为聚焦透镜的通光口径。由此可以看出，当添加聚焦透镜后，由于聚焦透镜焦距可以很短，自混合干涉的角度变化范围可以明显增大，并且当聚焦透镜焦距越小时，自混合干涉的角度变化范围就越大。

图4是物体旋转角度变化引起聚焦激光束自混合干涉原理图，图中l为激光器出光口距离聚焦透镜中心的距离，a为激光器出光口的直径，f为聚焦透镜焦距，并将物体反射面放置在聚焦透镜焦点处。点O为旋转平台的旋转中心，r为物体反射面到旋转中心O的距离，h为旋转中心O至出射激光束光轴的距离。在弱反馈情况下，物体在光轴方向平移引起激光自混合干涉信号可用下式表示

I＝I₀(1+mcosΦ)   (1)

其中，I表示有光回馈产生自混合干涉时激光器输出的光强值；I₀表示无回馈时的光强值；表示参与干涉的光束间的光程差引起的相位差，L₀为激光出射至反射点处的光程；m为调制系数。

当反射物旋转一小角度θ时，引起反射光的光程变化ΔL为

$\mathrm{\ΔL}=(h-r\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2})\tan \mathrm{\θ}---\left(2\right)$

在旋转角度θ非常小的情况下，可做如下近似

$\left\{\begin{array}{c}\tan \mathrm{\θ}\≈\mathrm{\θ}\\ \tan \mathrm{\θ}\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}\≈\frac{{\mathrm{\θ}}^2}{2}\≈0\end{array}\right.---\left(3\right)$

则在弱反馈情况下，物体旋转引起激光自混合干涉信号可用下式近似表示为

$I=\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\θ}\right)I_0[1+m\cos \left(4\mathrm{\π}\frac{L_0+\mathrm{h\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)]---\left(4\right)$

式中γ(θ)为调制干涉花样包络的系数，在几何光学近似下，当θ为零时γ(θ)最大为1；当θ大于时γ(θ)最小为零。那么通过采集输出光强I的值，利用公式(4)的旋转角度θ与输出光强I的关系，即可获得旋转角度的值。

本发明提出了一种增大激光自混合干涉测角范围的方法，也就是在光路中添加聚焦透镜，激光聚焦后入射到反射物体上，经物体反射偏离光轴的激光束能重新反馈回激光器谐振腔内产生自混合干涉。实验结果显示，对150mm长的氦氖激光器，在未聚焦的激光自混合干涉中，产生自混合干涉的角度变化范围大约为0.06°，而利用放大倍数为20倍的显微物镜聚焦透镜对激光束进行聚焦后，角度变化范围增大到2.0°左右，角度测量范围增大明显，有一个数量级以上的增大，进一步提高显微物镜聚焦透镜的放大倍数，聚焦透镜的焦距进一步减小，角度测量范围还可进一步增加，这将大大提高基于激光自混合干涉旋转角度测量方法的适用范围。

附图说明

图1是反射体旋转引起的激光束自混合干涉现象原理图。

图2是未添加聚焦透镜的反射光示意图。

图3是添加聚焦透镜后聚焦激光束的反射光示意图。

图4是聚焦激光束自混合干涉原理图。

图5是为利用自混合干涉现象测量旋转台旋转角度的实验装置。

图6是未添加聚焦透镜时的自混合干涉信号。

图7是10倍聚焦透镜的聚焦激光束自混合干涉信号。

图8是图7中角度从-0.6度到-0.5度的一段经放大的干涉信号。

图9是20倍聚焦透镜的聚焦激光束自混合干涉信号。

图中，1为激光器，2为反射面，3为旋转物体，4为聚焦透镜，5为步进电机，6为光电探测器，7为信号处理系统。

具体实施方式

如图5为利用自混合干涉现象测量旋转台旋转角度的实验装置。实验选用150mm长、功率为0.8mW、输出波长为632.8nm的He-Ne激光器(1)为光源，激光器(1)发出的激光束经过一个放大倍数为10倍(或20倍)、数值孔径为0.25(或0.40)的显微物镜聚焦透镜(4)，聚焦后焦点处于一个反射率约为4％的平面反射面(2)。平面反射面固定在一个由步进电机(5)推动的旋转平台(3)上，可随平台旋转，激光束光轴不经过旋转平台中心。激光束入射到平面反射面(2)，反射光经聚焦透镜(4)再进入激光谐振腔时，将出现自混合干涉。当平面反射面(2)随平台旋转时，反射光的光程也将随之改变，光程每改变半个波长时，自混合干涉信号将出现一次周期性的变化。由于反射光的光程变化和旋转角度有关，自混合干涉信号也和旋转角度有关，因此利用自混合干涉信号和旋转角度的关系[公式(4): $I=\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\θ}\right)I_0[1+m\cos \left(4\mathrm{\π}\frac{L_0+\mathrm{h\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)]$ ]就可以测量旋转角度的大小。

自混合干涉信号由放置在激光器尾光出口处的光电探测器(6)获取，再将信号传入信号处理系统(7)进行处理。图6为未添加聚焦透镜时由反射物旋转引起的激光自混合干涉信号；图7是选取放大倍数为10倍的显微物镜聚焦透镜所获得的聚焦激光束自混合干涉信号；图8是图7中角度从-0.6度到-0.5度的一段经放大的干涉信号；图9是选取放大倍数为20倍的显微物镜聚焦透镜所获得的聚焦激光束自混合干涉信号。我们可以明显看出：1)由反射物旋转引起未添加聚焦透镜的激光自混合干涉角度变化范围大约0.06°，而添加聚焦透镜后的聚焦激光束自混合干涉角度变化范围，用10倍聚焦透镜能增大到1.0°左右，而用20倍聚焦透镜能增大到2.0°左右，提高一个数量级以上；2)当所选取的聚焦透镜放大倍数增加，焦距变短时，干涉角度范围随之增加。从图8可以看出，激光束自混合干涉信号与正弦曲线类似，随着角度的变化而呈现周期性的变化，从相位的角度来看，旋转0.1度对应于激光束自混合干涉信号的相位改变了19*2π，也就是相位每改变2π，对应于旋转了0.00526°，测量的精度是相当高的。

Claims (3)

1.一种激光自混合干涉小角度测量方法，激光器（1）输出的激光束经聚焦透镜（4）聚焦到旋转物体（3）的反射面（2）上，激光束偏离旋转物体（3）的角度旋转中心，激光束经反射面（2）反射回激光器（1）中，引起激光自混合干涉，激光器（1）的输出功率用一光电探测器（6）进行监测，当旋转物体（3）发生小角度旋转时，光电探测器（6）监测到的激光器（1）的输出功率将随着角度的变化而变化，通过预先定标好的角度和输出功率间的对应关系，实现对旋转物体（3）旋转角度的测量，其特征在于：激光器（1）与旋转物体（3）的反射面（2）之间设置一个聚焦透镜（4），激光器（1）输出的激光束经聚焦透镜（4）聚焦到反射面（2）上。

2.一种激光自混合干涉小角度测量装置，包括激光器（1）、聚焦透镜（4）、光电探测器（6）以及信号处理系统（7），激光器（1）输出的激光束入射至旋转物体（3）的反射面（2）且激光束偏离旋转物体（3）的角度旋转中心，光电探测器（6）用于监测激光器（1）的输出功率，信号处理系统（7）与光电探测器（6）相连，其特征在于：激光器（1）与反射面（2）之间设置一个聚焦透镜（4），激光器（1）输出的激光束经聚焦透镜（4）聚焦到反射面（2）上。

3.根据权利要求2所述的小角度测量装置，其特征在于：聚焦透镜（4）与反射面（2）的距离为聚焦透镜（4）的焦距。