CN105486224A - 一种激光自混合干涉测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光自混合干涉测量系统，包括：激光器；具有第一端口、第二端口和第三端口的耦合器，所述耦合器的所述第一端口与所述激光器的输出端连接；与所述耦合器的所述第二端口连接的、用于探测被测物的测量通道；设于所述耦合器的所述第三端口的、用于控制反馈光的反射器；用于探测所述激光器的输出功率的光电探测器。本实施例所述激光自混合干涉测量系统，通过反射器实现了对反馈光的主动控制，可实现对激光器输出功率波形的控制，达到测量要求，有助于提高测量精度、扩大测量范围；所述测量系统结合激光自混合干涉仪和光纤传输的优点，结构简单，尺寸小，能够实现小型化传感探测，适用范围广。

Description

一种激光自混合干涉测量系统

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，特别是涉及一种激光自混合干涉测量系统。

背景技术

在激光系统应用中存在一个普遍却又极为重要的现象——光反馈。所谓光反馈现象是指激光器输出光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器谐振腔的现象。光反馈会严重影响激光器输出特性，因此对于以激光器作为光源的应用系统而言,起初研究人员关注的是如何消除光反馈引起的光噪声、谱线展宽和相干猝灭等不利影响。随着研究的深入，研究人员发现反馈光携带了外部物体信息，于是开始主动研究如何利用光反馈效应，激光自混合干涉技术正是基于这一思想产生。

激光自混合干涉技术是一种新型的干涉测量技术，利用被测物体反射或散射的部分激光重新耦合入激光器谐振腔时，调制激光器输出功率及输出频率的特性，实现速度、位移、振动及距离等物理量的精密测量。与传统的激光干涉仪相比，基于激光自混合干涉的测量系统不仅能够达到相同的相位灵敏度，并且，激光自混合干涉仪只需一个干涉通道，使其结构简单、紧凑；同时，激光自混合干涉仪不依赖于光源的相干长度，且准直容易、操作简单、成本低。基于这些独特优点，使激光自混合干涉测量系统得到迅速应用，在很多应用场合代替了传统的激光干涉仪。

然而，基于激光自混合干涉的测量方法对被测物反射率的依赖程度比较高，如果物体反射率较低将不能实现测量；如果要测定物体位移方向，需干涉条纹能形成类锯齿波，就要求被测物体具有足够的光反馈水平。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种激光自混合干涉测量系统。实现了对反馈光的主动控制，能够增强反馈光使其满足测量要求，有助于扩大测量范围。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光自混合干涉测量系统，包括：

激光器；

具有第一端口、第二端口和第三端口的耦合器，所述耦合器的所述第一端口与所述激光器的输出端连接；

与所述耦合器的所述第二端口连接的、用于探测被测物的测量通道；

设于所述耦合器的所述第三端口的、用于控制反馈光的反射器；

用于探测所述激光器的输出功率的光电探测器；

所述激光器的输出光经所述第一端口进入所述耦合器，一部分输出光通过所述测量通道照射于被测物，形成携带被测物信息的反馈光反馈回所述激光器；另一部分输出光经设于所述第三端口的所述反射器反射，形成反馈光反馈回所述激光器。

可选地，所述测量通道为光纤，所述光纤的一端与所述第二端口连接，另一端用于探测被测物。

可选地，所述光纤为单模光纤，所述耦合器为单模耦合器。

可选地，所述反射器为末端镀全反射膜的光纤。

可选地，所述激光器的输出端设有连接光纤，所述连接光纤与所述耦合器的所述第一端口连接。

可选地，所述光电探测器为集成于所述激光器内背向的光电二极管。

可选地，所述激光器为法布里-珀罗型半导体激光器或分布反馈式半导体激光器。

可选地，还包括与所述激光器相连的激光器驱动器；

所述激光器驱动器包括对所述激光器具有保护作用的限幅电路、慢启动电路和静电保护电路。

可选地，还包括与所述光电探测器相连的信号处理系统；

所述信号处理系统包括：

与所述光电探测器相连的、用于将采集的电流信号转换为电压信号、并进行信号的滤波和放大处理的前置处理电路；

与所述前置处理电路相连的、用于高速实时采集所述前置处理电路的输出信号的数据采集卡；

与所述数据采集卡相连的、用于信号解调并利用数据分析软件对采集数据进行处理和分析、得到被测物运动信息并显示运动参数曲线的计算机。

可选地，所述耦合器还设有第四端口；

所述测量系统还包括连接在所述第四端口的、用于检测所述激光器的输出光光谱特性的光谱仪。

由上述技术方案可知，本发明所提供的激光自混合干涉测量系统，包括激光器、光电探测器、耦合器、测量通道和反射器，所述耦合器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中，第一端口与激光器的输出端连接，第二端口连接测量通道，在第三端口设置用于控制反馈光的反射器。激光器的输出光经第一端口进入耦合器，进入耦合器的一部分输出光通过测量通道照射于被测物，形成携带被测物信息的反馈光反馈回激光器；另一部分输出光经设置于第三端口的反射器反射，形成反馈光反馈回激光器；两路反馈光反馈回激光器，与激光器内谐振光发生自混合干涉，由光电探测器探测激光器的输出功率，以根据激光器的输出功率变化获得对被测物的测量结果。

所述激光自混合干涉测量系统通过反射器控制形成部分反馈光，实现对反馈光的主动控制，能够增强反馈光以满足测量要求，有助于扩大测量系统的测量范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本发明实施例提供的一种激光自混合干涉测量系统的结构示意图；

图2为本发明又一实施例提供的一种激光自混合干涉测量系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明实施例提供的一种激光自混合干涉测量系统，包括：

激光器10；

具有第一端口、第二端口和第三端口的耦合器11，所述耦合器11的所述第一端口与所述激光器10的输出端连接；

与所述耦合器11的所述第二端口连接的、用于探测被测物的测量通道12；

设于所述耦合器11的所述第三端口的、用于控制反馈光的反射器13；

用于探测所述激光器10的输出功率的光电探测器14；

所述激光器10的输出光经所述第一端口进入所述耦合器11，一部分输出光通过所述测量通道12照射于被测物，形成携带被测物信息的反馈光反馈回所述激光器10；另一部分输出光经设于所述第三端口的所述反射器13反射，形成反馈光反馈回所述激光器10。

由上述内容可知，本实施例所述激光自混合干涉测量系统，包括激光器、光电探测器、耦合器、测量通道和反射器，所述耦合器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中，第一端口与激光器的输出端连接，第二端口连接测量通道，在第三端口设置用于控制反馈光的反射器。激光器的输出光经第一端口进入耦合器，进入耦合器的一部分输出光通过测量通道照射于被测物，形成携带被测物信息的反馈光反馈回激光器；另一部分输出光经设置于第三端口的反射器反射，形成反馈光反馈回激光器；两路反馈光反馈回激光器，与激光器内谐振光发生自混合干涉，由光电探测器探测激光器的输出功率，以根据激光器的输出功率变化获得对被测物的测量结果。

所述测量系统在激光器外部形成两路反馈光，激光器的一部分输出光经被测物反射或散射后，形成一路反馈光，携带被测物信息；另一部分输出光经反射器反射后，产生的反射光一部分直接反馈回激光器内，对激光器内谐振光光谱特性作初步调制，一部分可通过测量通道照射于被测物，经被测物反射或散射后反馈回激光器内；两路反馈光反馈回谐振腔内，与激光器内谐振光混合发生干涉，从而调制激光器的输出功率和频率。因此，所述测量系统通过反射器和被测物在激光器外部形成两个可调谐外腔，反射器为控制用，被测物为测量用，通过两个外腔光反馈的共同作用，实现对激光器输出特性的主动动态调制。

本实施例所述激光自混合干涉测量系统通过反射器实现了对反馈光的主动控制，通过调节反射器的反射率控制反馈回激光器的反馈光强弱。通过调节反射率使反馈光增强，对于低反射率被测物也能实现测量；通过调节反射器反射率，可控制激光器输出功率波形，对于低反馈物体也能控制输出类锯齿波，实现对物体移动方向的测定。同时，所述测量系统可提高信号信噪比、可扩大测量量程。

本实施例中，所述测量通道12为光纤，所述光纤的一端与所述耦合器11的第二端口连接，另一端用于探测被测物。本实施例中采用光纤作为测量通道，光纤具有传光性好、灵敏度高、抗干扰性强、适用范围广等优点。

优选地，本实施例中所述光纤采用单模光纤，单模光纤模间色散小，可实现远距离光传输，使所述测量系统可应用于远距离范围探测。

本实施例中，参考图2，所述反射器13为与所述耦合器11的第三端口连接的、末端镀全反射膜的光纤，通过光纤末端的全反射膜实现对光的反射作用，以形成反馈光反馈回激光器内，全反射膜的反射率可根据测量系统的实际需求来设计调整。可选地，所述光纤采用单模光纤。

本实施例所述激光自混合干涉测量系统，测量通道12和反射器13采用光纤设置，采用光纤传输光信号，光纤具有传光性好、灵敏度高、抗干扰性强等优点，可提高测量准确度和测量精度，能够实现远距离探测；并且，基于光纤本身材质的电绝缘性，使测量系统适用于易燃易爆等复杂环境。因此，所述测量系统结合激光自混合干涉仪和光纤传输的优点，结构简单，尺寸小，价格低廉，能够实现小型化传感探测，适用范围广。

本实施例中，可选地，所述耦合器11采用单模耦合器，耦合器11各端口的分光比可根据测量系统的实际需求具体选定。

所述激光器10的输出端设有连接光纤，所述连接光纤与耦合器11的第一端口连接，激光器的输出光通过连接光纤传输至耦合器内，经被测物或反射器形成的反馈光经连接光纤反馈回激光器内。

参考图2，本实施例中，所述光电探测器14为集成于所述激光器内背向的光电二极管，通过光电二极管检测激光器的输出功率，进行光电信号转换，输出电信号。

可选地，所述激光器10可采用半导体激光器，如法布里-珀罗型半导体激光器(FP型半导体激光器)或者分布反馈式半导体激光器(DFB型半导体激光器)。

本实施例所述测量系统，还包括与所述激光器10相连的激光器驱动器，激光驱动器为激光器提供恒定的注入电流和工作温度，保证激光器输出稳定的激光光束。本实施例中，所述激光器驱动器包括对所述激光器具有保护作用的限幅电路、慢启动电路和静电保护电路，用以对激光器起到有效地保护作用，以防止冲击性电流、静电等对其造成损害。

本实施例所述测量系统，还包括与所述光电探测器14相连的信号处理系统，所述信号处理系统包括：前置处理电路15、数据采集卡16和计算机17。

所述前置处理电路15与所述光电探测器14相连，用于将采集的电流信号转换为电压信号、并进行信号的滤波和放大处理。由光电探测器14采集的光信号转换成的电信号一般比较弱，并且夹带着一定噪声，因此通过前置处理电路15，一方面实现电流-电压信号的转换，同时进行信号的滤波和放大处理，以便于后续的数据处理和分析。

所述数据采集卡16与前置处理电路15相连，用于高速实时采集所述前置处理电路的输出信号，可选地，可选择单通道16位数据采集卡，其采样频率大于500kHz。

计算机17与数据采集卡16相连，用于信号解调并利用数据分析软件对采集数据进行处理和分析得到被测物运动信息，并可将运动参数曲线显示，数据分析软件可以采用VC或Labview编制开发。

本实施例中，所述耦合器11还设有第四端口，所述测量系统还包括连接在所述耦合器的第四端口的、用于检测所述激光器的输出光光谱特性的光谱仪18，通过光谱仪可观测激光器输出光的光谱特性。

本实施例所述激光自混合干涉测量系统，通过反射器实现了对反馈光的主动控制，可实现对激光器输出功率波形的控制，达到测量要求，有助于提高测量精度、扩大测量范围；所述测量系统结合激光自混合干涉仪和光纤传输的优点，结构简单，尺寸小，价格低廉，能够实现小型化传感探测，适用范围广。

以上对本发明所提供的一种激光自混合干涉测量系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光自混合干涉测量系统，其特征在于，包括：

激光器；

具有第一端口、第二端口和第三端口的耦合器，所述耦合器的所述第一端口与所述激光器的输出端连接；

与所述耦合器的所述第二端口连接的、用于探测被测物的测量通道；

设于所述耦合器的所述第三端口的、用于控制反馈光的反射器；

用于探测所述激光器的输出功率的光电探测器；

所述激光器的输出光经所述第一端口进入所述耦合器，一部分输出光通过所述测量通道照射于被测物，形成携带被测物信息的反馈光反馈回所述激光器；另一部分输出光经设于所述第三端口的所述反射器反射，形成反馈光反馈回所述激光器。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量通道为光纤，所述光纤的一端与所述第二端口连接，另一端用于探测被测物。

3.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述光纤为单模光纤，所述耦合器为单模耦合器。

4.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述反射器为末端镀全反射膜的光纤。

5.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述激光器的输出端设有连接光纤，所述连接光纤与所述耦合器的所述第一端口连接。

6.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光电探测器为集成于所述激光器内背向的光电二极管。

7.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述激光器为法布里-珀罗型半导体激光器或分布反馈式半导体激光器。

8.如权利要求7所述的测量系统，其特征在于，还包括与所述激光器相连的激光器驱动器；

所述激光器驱动器包括对所述激光器具有保护作用的限幅电路、慢启动电路和静电保护电路。

9.如权利要求1-8任一项所述的测量系统，其特征在于，还包括与所述光电探测器相连的信号处理系统；

所述信号处理系统包括：

与所述光电探测器相连的、用于将采集的电流信号转换为电压信号、并进行信号的滤波和放大处理的前置处理电路；

与所述前置处理电路相连的、用于高速实时采集所述前置处理电路的输出信号的数据采集卡；

与所述数据采集卡相连的、用于信号解调并利用数据分析软件对采集数据进行处理和分析、得到被测物运动信息并显示运动参数曲线的计算机。

10.如权利要求1-8任一项的测量系统，其特征在于，所述耦合器还设有第四端口；

所述测量系统还包括连接在所述第四端口的、用于检测所述激光器的输出光光谱特性的光谱仪。