CN106500601A - 氦氖激光器纳米测尺系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种氦氖激光器纳米测尺系统，包括可动测杆、含猫眼组折叠腔的氦氖激光器以及数据采集处理单元，氦氖激光器包括猫眼组反射镜、猫眼组腔镜、应力双折射元件、激光增益管、增透窗片和凹面输出腔镜，数据采集处理单元包括偏振分光镜、两个光电探测器、光电转换及放大电路、信号处理电路和显示装置。本申请猫眼组腔镜与凹面输出腔镜为氦氖激光器的谐振腔的两腔镜，这两个腔镜静止固定，不受可动测杆的影响，系统稳定性高；谐振腔采用猫眼组反射镜和猫眼组腔镜构成的折叠腔，猫眼组反射镜每移动λ，激光谐振腔的腔长改变2Nλ，系统的分辨率提高相应的2N倍(N为猫眼组反射镜所包含的猫眼逆向器的个数)。

Description

氦氖激光器纳米测尺系统

技术领域

本公开涉及激光位移传感技术领域，尤其涉及一种氦氖激光器纳米测尺系统。

背景技术

中国专利“位移自传感氦氖激光器系统及其实现方法”(ZL99103514.3)综合利用激光频率分裂、激光模竞争、激光功率调谐等多种激光物理现象，将一只普通氦氖激光器改造成一种不利用干涉现象但具有自标定功能又相对简单的位移传感器。该方法具有λ/8的位移测量分辨率(对于波长为632.8nm的氦氖激光器，λ/8为79nm)。这一发明的主体结构是一只普通的半外腔氦氖激光器，其两个反射腔镜之一作为动静固连在一直线导轨(测杆)上以便可沿激光器光轴做轴向移动。中国专利“以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统”(申请号：200310115540.6)对此系统进行了改进，将猫眼逆向器作为腔镜与直线导轨固连，提高系统的稳定性，拓宽了应用领域。中国专利“纳米激光器测尺及实现纳米测量的细分方法”(申请号：200410088819.4)利用系统可溯源到光波长的特性和自校准能力，采用计大数、测小数的方法，通过增加一个精密的微位移压电传感器(PZT)和适当的信号处理电路，将系统的分辨率提高到10nm，理论测量范围提高到50mm。若要求其分辨率进一步提高，以精密的微位移压电传感器(PZT)和适当的信号处理电路是很难达到的，因为其计大数所用的半波长为316.4nm，精密的微位移压电传感器(PZT)存在迟滞和非线性等特点，上述缺点限制了该系统分辨率的提高，所以很难再提高该系统的分辨率。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，做出了本发明。

本发明提供了一种氦氖激光器纳米测尺系统，包括可动测杆、含猫眼组折叠腔的氦氖激光器以及数据采集处理单元；

所述可动测杆，其一端与待测物体接触；

所述氦氖激光器包括：

猫眼组折叠腔，其用于光线的多次折返并输出单频激光，所述猫眼组折叠腔包括与所述可动测杆的另一端相连接的猫眼组反射镜以及与所述猫眼组反射镜平行放置的猫眼组腔镜；

应力双折射元件，其位于所述猫眼组折叠腔的出光侧，并将所述猫眼组折叠腔输出的单频激光变成具有两个频率的正交偏振光，所述猫眼组折叠腔位于所述应力双折射元件的一端；

激光增益管，其与所述应力双折射元件同光轴并安装于所述应力双折射元件的另一端；

增透窗片，其沿所述光轴方向安装于所述激光增益管的一端，且位于所述应力双折射元件和所述激光增益管之间；

凹面输出腔镜，其沿所述光轴方向安装于所述激光增益管的另一端，并输出所述两个频率的正交偏振光；

所述数据采集处理单元包括：

偏振分光镜，其位于所述凹面输出腔镜的出光侧，并分离从所述凹面输出腔镜输出共束的两正交偏振光；

两个光电探测器，接受所述偏振分光镜分开的两束频率不同的正交偏振光；

光电转换及放大电路，其两个输入端分别与两个光电探测器的信号输出端相连；

信号处理电路，其输入端与所述光电转换及放大电路的信号输出端相连，完成信号处理功能；

显示装置，其与所述信号处理电路相连。

优选的，所述猫眼组反射镜包括N个第一猫眼逆向器，所述猫眼组腔镜包括N个第二猫眼逆向器，所述第一猫眼逆向器和所述第二猫眼逆向器相同，N≥1，N为自然数；

所述猫眼组反射镜的N个第一猫眼逆向器与所述猫眼组腔镜的N个第二猫眼逆向器交错对应，激光在所述猫眼组折叠腔内的入射光线与反射光线重合。

优选的，所述猫眼组反射镜的N个第一猫眼逆向器由上至下顺次、均匀分布；

所述猫眼组腔镜的N个第二猫眼逆向器由上至下顺次分布，其中第一个第二猫眼逆向器至第N-1个第二猫眼逆向器均匀分布，所述第N个第二猫眼逆向器的轴线位于所述第N-1个第二猫眼逆向器的出射光线的方向上；

激光的入射光线经第一个第一猫眼逆向器进入第一个第二猫眼逆向器，经第一个第二猫眼逆向器进入第二个第一猫眼逆向器，依此规律进行，经第N个第一猫眼逆向器入射至所述第N个第二猫眼逆向器，激光在所述第N个第二猫眼逆向器内的入射光线与反射光线重合。

优选的，所述第一猫眼逆向器由一个两面镀增透膜的凸透镜和一个镀高反射膜的凹面镜组成，激光经所述凸透镜入射至所述凹面镜，由所述凹面镜反射后经所述凸透镜射出。

优选的，所述凸透镜和所述凹面镜的间距、所述凸透镜的焦距和所述凹面镜的曲率半径相等。

优选的，所述凹面镜镀有反射率超过99.99％的高反射膜。

优选的，所述应力双折射元件的光轴呈水平；所述猫眼组腔镜的顶部低于所述应力双折射元件的光轴所在的水平面。

优选的，所述猫眼组反射镜包括4个第一猫眼逆向器，所述猫眼组腔镜包括4个第二猫眼逆向器。

与现有技术相比，本发明提供的具有猫眼组折叠腔的氦氖激光器纳米测尺系统具有如下有益效果：猫眼组腔镜与凹面输出腔镜为氦氖激光器的谐振腔的两腔镜，这两个腔镜均静止固定的，不受可动测杆的影响，大大提高系统的稳定性；谐振腔采用猫眼组反射镜和猫眼组腔镜构成的折叠腔，猫眼组反射镜每移动λ，激光谐振腔的腔长改变2Nλ，系统的分辨率提高相应的2N倍(其中N为第一猫眼逆向器的个数，也即为第二猫眼逆向器的个数)。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的提供的氦氖激光器纳米测尺系统的结构示意图；

图2为本发明提供的氦氖激光器纳米测尺系统的折叠腔的结构示意图；

图3为本发明提供的氦氖激光器纳米测尺系统折叠腔中的光路图；

图4为本发明提供的氦氖激光器纳米测尺系统中第一猫眼逆向器中的入射光线与反射光线不重合的光路图；

图5为本发明提供的氦氖激光器纳米测尺系统中第一猫眼逆向器中的入射光线与反射光线重合的光路图；

图6为本发明一实施例提供的氦氖激光器纳米测尺系统的猫眼组折叠腔的结构示意图；

图7为本发明一实施例提供的氦氖激光器纳米测尺系统中猫眼组反射镜的结构示意图；

图8为本发明一实施例提供的氦氖激光器纳米测尺系统中猫眼组腔镜的结构示意图；

图9为本发明一实施例提供的氦氖激光器纳米测尺系统中猫眼组折叠腔中的光路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明基于激光原理：激光谐振腔腔长变化λ/2，对应着激光频率变化一个纵模间隔Δ。其基本原理为：在驻波激光器中，激光的频率变化和腔长改变满足：

其中，v为激光频率，L为腔长。通过频率分裂和模竞争，使功率调谐曲线中任意一个纵模间隔Δ被平均分成4等份(对应着4种不同的偏振态)，故可实现λ/8分辨率的可判向位移测量。

如图1所示，本发明提供了一种氦氖激光器纳米测尺系统，包括可动测杆1、含猫眼组折叠腔的氦氖激光器30以及数据采集处理单元20。具有猫眼组折叠腔的氦氖激光器30包括猫眼组反射镜2、猫眼组腔镜3、应力双折射元件4、增透窗片5、激光增益管6和凹面输出腔镜7，猫眼组反射镜2和猫眼组腔镜3平行放置构成猫眼组折叠腔，猫眼组腔镜3、凹面输出腔镜7为氦氖激光器30的谐振腔的两腔镜，氦氖激光器30为一个半外腔氦氖激光器；数据采集处理单元20包括偏振分光镜8、两个光电探测器(第一光电探测器9、第二光电探测器10)、光电转换及放大电路11、信号处理电路12和显示装置13。

其中，可动测杆1的一端与待测物体接触，另一端与猫眼组反射镜2相连接；

猫眼组折叠腔用于光线的多次折返，猫眼组反射镜2与可动测杆1的另一端相连接，猫眼组反射镜2可随可动测杆1移动，猫眼组腔镜3相对于系统是静止固定的；

应力双折射元件4，其位于猫眼组折叠腔的出光侧，并将猫眼组折叠腔输出的单频激光变成具有两个频率的正交偏振光，猫眼组折叠腔位于应力双折射元件的一端；

激光增益管6，其与应力双折射元件4同光轴并安装于应力双折射元件4的另一端；

增透窗片5，其沿光轴方向安装于激光增益管6的一端，且位于应力双折射元件4和激光增益管6之间；

凹面输出腔镜7，其沿光轴方向安装于激光增益管6的另一端，并输出两个频率的正交偏振光，凹面输出腔镜7相对于系统是静止固定的；

偏振分光镜8，其位于凹面输出腔镜7的出光侧，并分离从凹面输出腔镜7输出共束的两正交偏振光；

两个光电探测器，即第一光电探测器9和第二光电探测器10，接受偏振分光镜分开的两束频率不同的正交偏振光；

光电转换及放大电11，其两个输入端分别与两个光电探测器的信号输出端相连；

信号处理电路12，其输入端与光电转换及放大电路11的信号输出端相连，完成信号处理功能；

显示装置13，其与信号处理电路12相连。

其中，氦氖激光器30中应力双折射元件4、增透窗片5、激光增益管6和凹面输出腔镜7共光轴，氦氖激光器通过振荡产生激光，双折射元件4将激光由单频激光变成正交偏振的双频激光，凹面输出腔镜7输出产生的正交偏振光。猫眼组腔镜3和凹面输出腔镜7为激光谐振腔的两腔镜，该两腔镜均静止固定的，不受可动测杆1移动的影响，从而解决了系统的稳定性问题。

数据采集处理单元20接受输入的正交偏振光，通过偏振分光镜8将其分成两束光，由第一光电探测器9、第二光电探测器10分别接受，再输入到光电转换及放大电路11进行光电转换及信号放大，产生的电信号输入到信号处理电路12进行信号处理，信号处理电路12再将处理好的数据输入到显示装置13，最终由显示装置13显示结果。

进一步地，如图2所示，猫眼组反射镜2包括N个第一猫眼逆向器21，猫眼组腔镜3包括N个第二猫眼逆向器31，第一猫眼逆向器21和第二猫眼逆向器31相同，N≥1，N为自然数；猫眼组反射镜2的N个第一猫眼逆向器21与猫眼组腔镜3的N个第二猫眼逆向器31交错对应，激光在猫眼组折叠腔内的入射光线与反射光线重合。参照图2所示，猫眼组反射镜2的N个第一猫眼逆向器21由上至下顺次、均匀分布，即由上至下为第一个第一猫眼逆向器至第N个第一猫眼逆向器；猫眼组腔镜3的N个第二猫眼逆向器31由上至下顺次分布，即由上至下为第一个第二猫眼逆向器至第N个第二猫眼逆向器，其中第一个第二猫眼逆向器至第N-1个第二猫眼逆向器均匀分布，第N个第二猫眼逆向器的轴线位于第N-1个第二猫眼逆向器的出射光线的方向上；如图3所示，光路方向为：激光的入射光线经第一个第一猫眼逆向器进入第一个第二猫眼逆向器，经第一个第二猫眼逆向器进入第二个第一猫眼逆向器，依此规律进行，经第N个第一猫眼逆向器入射至所述第N个第二猫眼逆向器，激光在所述第N个第二猫眼逆向器内的入射光线与反射光线重合。

第二猫眼逆向器和第一猫眼逆向器相同，对第一猫眼逆向器进行简单的介绍。如图4和图5所示，第一猫眼逆向器由一个两面镀增透膜的凹透镜17和一个镀高反射膜的凹面镜18组成，激光经凸透镜入射至凹面镜，由凹面镜反射后经凸透镜射出，其中凹面镜镀有超过99.99％的高反射膜。其中凸透镜和凹面镜的间距l、凸透镜的焦距f和凹面镜的曲率半径r三者相等，即f＝r＝l。如图4所示，第一猫眼逆向器中入射光线与反射光线不重合；如图5所示，第一猫眼逆向器中入射光线与反射光线重合共光路。

进一步地，应力双折射元件的光轴呈水平；猫眼组腔镜的顶部低于所述应力双折射元件的光轴所在的水平面。这样使得经毛细管射出的激光可射入第一个第一猫眼逆向器，且经过猫眼组折叠腔反射出来的光线不被猫眼组腔镜阻挡，确保整个系统的正常运行。

激光器中插入了双折射元件4，由于双折射效应，使氦氖激光器的激光频率发生分裂，单频激光变成双频激光，激光器输出两个偏振方向互相垂直的线偏振光，即o光(平行偏振光(∥光))和e光(垂直偏振光(⊥光))，通过改变双折射元件的角度，可以调整两束正交偏振光之间的频差。输出的正交偏振光经偏振分光镜8分光后，分别入射到第一光电探测器9、第二光电探测器10上，之后由光电转换及放大电路11、信号处理电路12处理，最终显示在显示装置13上。

测量时，当被测物体移动时推动可动测杆1移动，可动测杆1推动猫眼组反射镜2随之移动，激光器的腔长随之改变，激光器输出光的偏振态将周期性改变，即四个偏振态依次周期性出现：只有平行偏振光输出→平行偏振光和垂直偏振光都输出→只有垂直偏振光输出→无光输出。激光束被第一光电探测器9和第二光电探测器10探测，相应的有四个状态依次出现：只有第一光电探测器9被照亮→第一光电探测器9和第二光电探测器10同时被照亮→只有第二光电探测器10被照亮→第一光电探测器9和第二光电探测器10都不被照亮。如此反复循环。每次状态的改变意味着激光腔长改变了λ/8的位移，由于猫眼组反射镜每移动λ的位移，激光腔长改变2Nλ的位移(N为第一猫眼逆向器的个数，也即为第二猫眼逆向器的个数)，所以每次状态的改变意味着猫眼组反射镜改变了λ/16N的位移，即系统的分辨率为λ/16N，四个状态出现的先后顺序可以判断位移的方向。光电转换及放大电路11处理两个光电探测器输出的信号，信号处理电路12处理光电转换及放大电路11的输出信号，并且具有计数、判向等功能，之后将处理好的数据送到显示装置13上进行显示，最终实现测位移的功能。

作为一种可选的实施方式，如图6至图9所示，该实例中优选N＝4。猫眼组反射镜2’包括4个由上至下顺次、均匀分布的第一猫眼逆向器，依次定义为第一反射镜猫眼逆向器201、第二反射镜猫眼逆向器202、第三反射镜猫眼逆向器203、第四反射镜猫眼逆向器204；猫眼组腔镜3’包括4个由上至下顺次分布的第二猫眼逆向器，依次定义为第一腔镜猫眼逆向器301、第二腔镜猫眼逆向器302、第三腔镜猫眼逆向器303、第四腔镜猫眼逆向器304，其中第一腔镜猫眼逆向器301、第二腔镜猫眼逆向器302、第三腔镜猫眼逆向器303均匀分布，第四腔镜猫眼逆向器304的轴线位于第四反射镜猫眼逆向器204的出射光线的方向上。每一个猫眼逆向器均有均由一个两面镀增透膜的凹透镜和一个镀高反射膜的凹面镜组成，凹面镜镀有反射率超过99.99％的高反射膜，以实现高效率的高反射。其中第一反射镜猫眼逆向器201、第二反射镜猫眼逆向器202、第三反射镜猫眼逆向器203、第四反射镜猫眼逆向器204、第一腔镜猫眼逆向器301、第二腔镜猫眼逆向器302和第三腔镜猫眼逆向器303中的光路可参照图4所示的光路图，第四腔镜猫眼逆向器304中的光路可参照图5所示的光路图。

如图9所示，入射光线从毛细管射到第一反射镜猫眼逆向器201，经过第一反射镜猫眼逆向器201射出到第一腔镜猫眼逆向器301，经过第一腔镜猫眼逆向器301射出到第二反射镜猫眼逆向器202，依照此规律，经第三腔镜猫眼逆向器303射出到第四反射镜猫眼逆向器204，经第四反射镜猫眼逆向器204垂直入射到第四腔镜猫眼逆向器304，在第四腔镜猫眼逆向器304内入射光线，再经过折叠腔的多次反射回到毛细管，最终到达凹面输出腔镜7形成激光振荡。猫眼组折叠腔实现光线的折返。

结合图1和图9可以清晰的看到光线的前进路线，光线从激光增益管内出发经过7次反射最终到达第四腔镜猫眼逆向器304，由第四腔镜猫眼逆向器304反射后按照原路返回，再进入激光增益管中，形成激光振荡，从而产生激光。由于是折叠腔结构，经过折返后与入射光线平行的共有八条光线，因此，猫眼组反射镜2’每移动λ的位移，激光腔长将改变8λ的位移，对应着激光频率将改变16个纵模间隔，即16个纵模间隔被分成64等份，所以四种偏振态的每次改变意味着猫眼组反射镜2移动了λ/64的位移，即系统的分辨率为λ/64，四个状态出现的先后顺序可以判断位移的方向，并且分辨率比非折叠腔的结构提高了八倍。对波长λ为632.8nm的氦氖激光器而言，此系统的分辨率为9.89nm，从而成为一个不需要经过电细分的高分辨率位移传感仪器，具有非常广阔的应用前景。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.氦氖激光器纳米测尺系统，其特征在于，包括可动测杆、含猫眼组折叠腔的氦氖激光器以及数据采集处理单元；

所述可动测杆，其一端与待测物体接触；

所述氦氖激光器包括：

猫眼组折叠腔，其用于光线的多次折返并输出单频激光，所述猫眼组折叠腔包括与所述可动测杆的另一端相连接的猫眼组反射镜以及与所述猫眼组反射镜平行放置的猫眼组腔镜；

应力双折射元件，其位于所述猫眼组折叠腔的出光侧，并将所述猫眼组折叠腔输出的单频激光变成具有两个频率的正交偏振光，所述猫眼组折叠腔位于所述应力双折射元件的一端；

激光增益管，其与所述应力双折射元件同光轴并安装于所述应力双折射元件的另一端；

增透窗片，其沿所述光轴方向安装于所述激光增益管的一端，且位于所述应力双折射元件和所述激光增益管之间；

凹面输出腔镜，其沿所述光轴方向安装于所述激光增益管的另一端，并输出所述两个频率的正交偏振光；

所述数据采集处理单元包括：

偏振分光镜，其位于所述凹面输出腔镜的出光侧，并分离从所述凹面输出腔镜输出共束的两正交偏振光；

两个光电探测器，接受所述偏振分光镜分开的两束频率不同的正交偏振光；

光电转换及放大电路，其两个输入端分别与两个光电探测器的信号输出端相连；

信号处理电路，其输入端与所述光电转换及放大电路的信号输出端相连，完成信号处理功能；

显示装置，其与所述信号处理电路相连。

2.根据权利要求1所述的氦氖激光器纳米测尺系统，其特征在于，所述猫眼组反射镜包括N个第一猫眼逆向器，所述猫眼组腔镜包括N个第二猫眼逆向器，所述第一猫眼逆向器和所述第二猫眼逆向器相同，N≥1，N为自然数；

所述猫眼组反射镜的N个第一猫眼逆向器与所述猫眼组腔镜的N个第二猫眼逆向器交错对应，激光在所述猫眼组折叠腔内的入射光线与反射光线重合。

3.根据权利要求2所述的氦氖激光器纳米测尺系统，其特征在于，所述猫眼组反射镜的N个第一猫眼逆向器由上至下顺次、均匀分布；

所述猫眼组腔镜的N个第二猫眼逆向器由上至下顺次分布，其中第一个第二猫眼逆向器至第N-1个第二猫眼逆向器均匀分布，所述第N个第二猫眼逆向器的轴线位于所述第N-1个第二猫眼逆向器的出射光线的方向上；

激光的入射光线经第一个第一猫眼逆向器进入第一个第二猫眼逆向器，经第一个第二猫眼逆向器进入第二个第一猫眼逆向器，依此规律进行，经第N个第一猫眼逆向器入射至所述第N个第二猫眼逆向器，激光在所述第N个第二猫眼逆向器内的入射光线与反射光线重合。

4.根据权利要求2或3所述的氦氖激光器纳米测尺系统，其特征在于，所述第一猫眼逆向器由一个两面镀增透膜的凸透镜和一个镀高反射膜的凹面镜组成，激光经所述凸透镜入射至所述凹面镜，由所述凹面镜反射后经所述凸透镜射出。

5.根据权利要求4所述的氦氖激光器纳米测尺系统，其特征在于，所述凸透镜和所述凹面镜的间距、所述凸透镜的焦距和所述凹面镜的曲率半径相等。

6.根据权利要求4所述的氦氖激光器纳米测尺系统，其特征在于，所述凹面镜镀有反射率超过99.99％的高反射膜。

7.根据权利要求1-3或5-6任一项所述的氦氖激光器纳米测尺系统，其特征在于，所述应力双折射元件的光轴呈水平；所述猫眼组腔镜的顶部低于所述应力双折射元件的光轴所在的水平面。

8.根据权利要求2-3或5-6任一项所述的氦氖激光器纳米测尺系统，其特征在于，所述猫眼组反射镜包括4个第一猫眼逆向器，所述猫眼组腔镜包括4个第二猫眼逆向器。