CN109059754A - 一种激光自混合干涉测量装置及测量方法 - Google Patents

一种激光自混合干涉测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光自混合干涉测量装置及测量方法，旋转平台承载平行平晶置于激光外腔，激光束透过平晶入射到目标反射物，反射后成为反馈光，并经原路返回激光腔，反馈光与腔内的激光产生自混合干涉效应，旋转平台驱动平晶做旋转运动以改变激光束在平晶内外的光程，实现对自混合干涉信号的调制，通过光电探测器将调制的自混合干涉信号采集到计算机，由计算机软件系统进行处理得到干涉信号的相位信息，可精确测量目标反射物的振动、位移等多个物理量。本发明以平晶旋转的方式调制外腔光程，构建了一种调制范围大、精度高、操作简单、成本低的自混合干涉测量仪。

Description

一种激光自混合干涉测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及光学传感技术领域，特别涉及一种激光自混合干涉测量装置及相位调制测量方法。
背景技术
自混合干涉(Self-mixing Interference,SMI)效应是指从激光器发射的光波经过外部物体反射回激光腔，与激光腔内的光波发生干涉的效应。由于反馈光携带外部物体信息，因此激光器的输出特性受到腔外物体的调制，从而利用该特性可实现对目标物物理量的测量。自混合干涉系统仅需一个光路通道，因此具有结构简单、紧凑的特点；另外，易准直、灵敏度高、信号检测方便(从激光器的前向输出端和后向漏光端都可检测，特别是从后向漏光端检测时，可与探测物光波完全隔离，避免检测时形成干扰)，自混合干涉系统已广泛用于测量位移、振动、形貌、加速度、微小角度等。
自混合干涉信号是激光束在外腔中相位变化的周期函数，外腔长半波长的改变，会引起自混合干涉信号波动一个周期，因此自混合信号的分析方法常采用条纹峰值计数法，可以获得λ/2的位移测量精度。为了提高自混合干涉的测量精度，调制相位测量法被引入自混合干涉技术，常见的主要有注入电流调制和外腔相位调制。其中，注入电流调制是针对半导体激光器的自混合干涉仪，通过改变半导体激光器的注入电流来调制激光器输出光的波长，该方法的波长连续调制范围小，且电流注入时会导致输出光强较大波动，产生较大的测量误差；外腔相位调制是通过在激光器与被测目标之间放置电光调制器来实现对光相位的调制，该调制方法无需机械运动部件，测量位移的精度高，但电光调制器昂贵且对输出光的偏振性非常灵敏，导致其在一些测量环境中受限制。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种激光自混合干涉测量装置，利用平晶旋转引起外腔长度调制，用于相位调制自混合干涉测量，装置结构简单、成本低、调制范围大。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的激光自混合干涉测量方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种激光自混合干涉测量装置，包括激光器1、平行平晶2、目标反射物3、旋转平台4、旋转台控制器5、信号采集器6、第一光电探测器7、信号处理电路8、计算机9；
激光器1的谐振腔前端发射激光束，该激光束进入到平行平晶2，从平行平晶2出射后，垂直入射到目标反射物3，再被目标反射物3反射，形成反馈光束；反馈光束按原路返回进入激光器1的谐振腔，反馈光束与谐振腔内光束形成自混合干涉；
第一光电探测器7设置在激光器1的谐振腔后端，用于探测激光器1的激光后端输出光强，获取自混合干涉信号；平行平晶2固定在旋转平台4上，通过旋转台控制器5控制旋转平台4驱动平行平晶2旋转，用于改变激光束在外腔的光程，实现对自混合干涉信号的调制；信号处理电路8与第一光电探测器7相连，用于将第一光电探测器7采集到的光强信号转换成相应的电压信号，信号采集器6与信号处理电路8相连，采集电压信号后传输至相连的计算机9进行处理；
计算机9控制旋转台控制器5和信号采集器6的联动，采集到的干涉信号经计算机进行处理得到干涉信号的相位信息，通过相位信息进一步获得目标反射物的待测参数。
优选的，激光自混合干涉测量装置还包括调节反馈光的强度的衰减片12，衰减片12设置在激光器1发射前端。
优选的，用半反镜10、第二光电探测器11替代第一光电探测器7，在激光器1的谐振腔前端放置半反镜10，用第二光电探测器11采集半反镜10的反射光波来获取自混合干涉信号，信号处理电路8与第二光电探测器11相连，用于将第二光电探测器11采集到的光强信号转换成相应的电压信号。
进一步地，所述的平行平晶2可固定在旋转台4的任意位置。
进一步地，所述的信号处理电路8集成低通滤波功能，用于滤除包括环境灯在内的工频噪声的干扰。
一种基于上述装置的激光自混合干涉测量方法，包括以下步骤：
S1、开启激光器1和计算机9，调节光路使激光器1输出的激光束通过平行平晶2垂直入射到目标反射物3上，再经该目标反射物3反射，原路反馈回激光器1的激光腔，与腔内激光形成干涉；
S2、激光束垂直入射平晶2表面时为初始位置，旋转台控制器5驱动旋转平台4在±90°范围内转动，使得激光束在平晶2内外的光程发生变化；
S3、信号处理电路8将采集到的自混合干涉光强信号转变成电压信号，经信号采集器6 传输至相连的计算机9；
S4、计算机9对采集到的自混合干涉信号进行处理，得到干涉信号的相位值，通过相位值进一步获得目标反射物3的待测参数。
进一步地，所述的第一光电探测器7采集激光器1后向漏光端出射的激光自混合干涉信号；也可以用所述的第二光电探测器11采集激光器1前端出射的激光自混合干涉信号。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)基于平晶旋转调制外腔长度的自混合干涉测量装置结构简单、成本低、调制范围大。
(2)采用相位调制探测技术，具有更高的干涉相位探测精度。
附图说明
图1是实施例激光自混合干涉测量装置示意图。
图2是平晶旋转调制光程的示意图。
图3是仿真得到的调制后的自混合干涉信号图。
图4是仿真得到的光程差与旋转角之间的关系曲线。
图5是三角波电压驱动扬声器振动测得的干涉信号。
图6是扬声器振动位移的重构曲线。
图1中：1-激光器，2-平行平晶，3-目标反射物，4-旋转平台，5-旋转台控制器，6-信号采集器，7-第一光电探测器，8-信号处理电路，9-计算机，10-半反镜，11-第二光电探测器， 12-衰减片。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种激光自混合干涉测量装置，包括激光器1、平行平晶2、目标反射物3、旋转平台4、两个强度型光电探测器(第一光电探测器7和第二光电探测器11)、半反镜10、衰减片12及相应的驱动与控制电路。
激光器1的谐振腔前端发射激光束，该激光束进入到平行平晶2，从平行平晶2出射后，垂直入射到目标反射物3，再被目标反射物3反射，形成反馈光束。反馈光束按原路返回进入激光器1的谐振腔，反馈光束与谐振腔内光束形成自混合干涉(调节衰减片12使干涉处于弱反馈状态)；第一光电探测器7探测激光器1的谐振腔后端输出光强(或在激光器1的谐振腔前端放置半反镜10，用第二光电探测器11采集半反镜10的反射光波获取自混合干涉信号)；平行平晶2固定在旋转平台4上，通过旋转台控制器5控制旋转平台4驱动平行平晶2 旋转，用于改变激光束在外腔的光程，实现对自混合干涉信号的调制；信号处理电路8用于将第一光电探测器7或第二光电探测器11采集到的光强信号转换成相应的电压信号，信号采集器6采集电压信号后传输至相连的计算机9进行处理。计算机9控制旋转台控制器5和信号采集器6的联动，采集到的干涉信号经计算机进行处理得到干涉信号的相位信息，通过相位信息进一步获得目标反射物的待测参数。
平行平晶2可固定在旋转台4的任意位置。
信号处理电路8集成低通滤波功能，用于滤除包括环境灯在内的工频噪声的干扰。
所述的平行平晶(2)固定在旋转台(4)上，旋转台(4)带动平行平晶(2)旋转，改变激光束入射到平行平晶(2)的角度和位置，引起激光束在平行平晶(2)内外的光程变化，实现对自混合干涉信号外腔长度的调制。
实施例2
一种利用实施例1装置的实现目标反射物微位移测量的方法，首先，调节上述光路使激光器1输出的激光束通过平行平晶2垂直入射到目标反射物3上，再经该目标反射物3反射按原路反馈回激光器1的激光腔，与腔内激光形成干涉(调节衰减片12，使干涉为弱反馈)。然后，将激光束垂直入射平晶2表面时记为初始位置(0°)，旋转台控制器5驱动旋转平台4 在±90°范围内转动，改变激光束在平行平晶2内外的光程，实现对自混合干涉信号的调制，用光电探测器(第一光电探测器7或第二光电探测器11)接收自混合干涉信号，经信号处理电路8和信号采集器6送至计算机9处理，可获得干涉信号的相位信息。
其中，所述的第一光电探测器7采集激光器1后向漏光端出射的激光自混合干涉信号，也可以用所述的第二光电探测器11采集激光器1前端经半反镜10反射的激光自混合干涉信号。
上述方法基于激光自混合干涉效应：自混合干涉(Self-mixing Interference,SMI)效应是指从激光器发射的光波经过外部物体反射回激光腔，与激光腔内的光波发生干涉的效应。由于反馈光携带外部物体信息，因此激光器的输出特性受到腔外物体的调制，从而利用该特性可实现对目标物物理量的测量。由于自混合干涉信号是外腔相位的周期函数，外腔长半波长的改变，会引起自混合信号波动一个周期，因此自混合信号的分析方法常采用条纹峰值计数法，可以获得λ/2的位移测量精度。为了提高自混合干涉的测量精度，调制相位测量法被引入自混合干涉技术，常见的主要有注入电流调制和外腔相位调制。
本发明提出一种基于平晶旋转调制外腔长度的自混合干涉装置，如图1所示，激光束从平行平晶2出射后，垂直入射到目标反射物3，再被目标反射物3反射，形成反馈光束。反馈光束按原路返回进入激光器1的谐振腔，与谐振腔内光束形成自混合干涉(调节衰减片12，使干涉为弱反馈)；通过旋转台控制器5控制旋转平台4驱动平行平晶2旋转，用于改变激光束在外腔的光程，实现对自混合干涉信号的调制；用第一光电探测器7探测激光器1的激光后端输出光强(或用第二光电探测器11探测激光器1前端经半反镜10反射的光强)，获取自混合干涉信号。平晶旋转调制光程的示意图如图2所示，O是平晶的几何中心，R是旋转中心，R到O的横向和纵向距离分别是Lx和Ly，光轴到O的距离是Lo，激光束垂直入射平晶表面时为初始位置，此时激光器的外腔光程为LABCD，平晶旋转θ后外腔光程为LAB′C′D′， n1sinθ＝n2sinθ′，n1和n2分别是空气与平晶的折射率；d是平晶的厚度。根据几何关系，平晶旋转产生的光程差可表示为：
平晶旋转调制的自混合干涉系统的功率方程可写成：
式(2)中，λ是激光的波长；m是调制系数；P和P0分别是有外腔光反馈和无外腔光反馈时激光器的输出功率。
图3是仿真得到的调制后的自混合干涉信号；图4是仿真得到的光程差与旋转角之间的关系曲线。仿真参数为：平晶折射率n2＝1.5163，厚度d＝20mm；空气折射率n1＝1.0003；激光波长λ＝632.8nm；图3旋转角的范围10°＜θ＜10.4°，图4旋转角的范围-90°＜θ＜90°。
实施例3
图1为本实施例中公开的激光自混合干涉测量装置的结构示意图。激光器1为输出功率 0.5mW、波长λ＝632.8nm的氦氖激光器，平行平晶2为折射率1.5163、厚20mm的K9玻璃材质平晶，目标反射物3为平面反射镜。开启激光器1和计算机9后，调节光路使激光器1 输出的激光束通过平晶入射到反射镜上，再经该反射镜反射按原路反馈回激光腔，与腔内激光形成干涉(调节衰减片12，使干涉为弱反馈)；然后，用旋转平台4携带平晶2做旋转运动，对自混合干涉信号进行调制；用功率为0.25W的扬声器承载目标反射物3，用中国台湾固纬公司的AFG 3051型信号发生器输出频率为0.1Hz，电压峰峰值分别为20、30、40和50mV 的三角波信号驱动扬声器振动，带动目标反射物3水平移动；第一光电检测器7为滨松S7686 型光电二极管，采集激光器1后向漏光端的干涉光强信号，经信号处理电路8和信号采集器 6后送到计算机9，得到的干涉信号如图5所示，驱动电压峰峰值分别为：(a)20mV，(b) 30mV，(c)40mV，(d)50mV。对图5所示干涉信号进行傅里叶变换，提取相位信息，解包裹并进行非线性修正后重构扬声器振动位移的轨迹曲线如图6所示，对应的驱动电压峰峰值分别为：(a)20mV，(b)30mV，(c)40mV，(d)50mV。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光自混合干涉测量装置，其特征在于，包括激光器、平行平晶、目标反射物、旋转平台、旋转台控制器、信号采集器、第一光电探测器、信号处理电路、计算机；
激光器的谐振腔前端发射激光束，该激光束进入到平行平晶，从平行平晶出射后，入射到目标反射物，再被目标反射物反射，形成反馈光束，谐振腔的前端腔镜和目标反射物构成一外腔；
反馈光束按原路返回进入激光器的谐振腔，反馈光束与谐振腔内光束形成自混合干涉；第一光电探测器设置在激光器的谐振腔后端，用于探测激光器的激光后端输出光强，获取自混合干涉信号；平行平晶固定在旋转平台上，通过旋转台控制器控制旋转平台驱动平行平晶旋转，用于改变激光束在外腔的光程，实现对自混合干涉信号的调制；信号处理电路与第一光电探测器相连，用于将第一光电探测器采集到的光强信号转换成相应的电压信号，信号采集器与信号处理电路相连，采集电压信号后传输至相连的计算机进行处理；
计算机控制旋转台控制器和信号采集器的联动，采集到的干涉信号经计算机进行处理得到干涉信号的相位信息，通过相位信息进一步获得目标反射物的待测参数。
2.根据权利要求1所述的激光自混合干涉测量装置，其特征在于，用半反镜、第二光电探测器替代第一光电探测器，在激光器的谐振腔前端放置半反镜，用第二光电探测器采集半反镜的反射光波来获取自混合干涉信号，信号处理电路与第二光电探测器相连，用于将第二光电探测器采集到的光强信号转换成相应的电压信号。
3.根据权利要求1或2所述的激光自混合干涉测量装置，其特征在于，激光自混合干涉测量装置还包括调节反馈光的强度的衰减片，衰减片设置在激光器发射前端。
4.根据权利要求1所述的激光自混合干涉测量装置，其特征在于，所述的平行平晶可固定在旋转台的任意位置。
5.根据权利要求1所述的激光自混合干涉测量装置，其特征在于，所述的信号处理电路集成低通滤波功能，用于滤除包括环境灯在内的工频噪声的干扰。
6.一种基于权利要求1或2所述装置的激光自混合干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、开启激光器和计算机，调节光路使激光器输出的激光束通过平行平晶垂直入射到目标反射物上，再经该目标反射物反射，原路反馈回激光器的激光腔，与腔内激光形成干涉；
S2、激光束垂直入射平晶表面时为初始位置，旋转台控制器驱动旋转平台在±90°范围内转动，使得激光束在平晶内外的光程发生变化；
S3、信号处理电路将采集到的自混合干涉光强信号转变成电压信号，经信号采集器传输至相连的计算机；
S4、计算机对采集到的自混合干涉信号进行处理，得到干涉信号的相位值，通过相位值进一步获得目标反射物的待测参数。
7.根据权利要求6所述的激光自混合干涉测量装置，其特征在于，所述的第一光电探测器采集激光器后向漏光端出射的激光自混合干涉信号；也可以用所述的第二光电探测器采集激光器前端出射的激光自混合干涉信号。
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