CN112736634A - 一种基于y型腔正交偏振激光器的一体化激光传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Y型腔正交偏振激光器的一体化激光传感装置，包括Y型腔正交偏振激光器(100)、温控单元(200)、测量单元(300)、传感单元(400)、气体导管(500)、传感气体、信号控制与处理单元(600)、第一接插件(700)、第二接插件(800)和若干导线。通过一体化温控和稳流设计，将激光器周围温度控制在1mK以内，泵浦电流稳定到10uA以内，可大大降低频差漂移，减弱空气扰动对激光器光强和频率的影响，避免反复调整光路进行测量，实现快速，高灵敏度的激光传感。本发明具有结构简单、环境适应性强、稳频精度高、无需调试光路、便于工业应用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Y型腔正交偏振激光器的一体化激光传感装置，属于光学工程领域和精密测量技术领域。
背景技术
双频激光器可以在一个激光器内产生两种频率的激光，其利用一种频率作参考，另一种频率作信号，利用两者的拍频进行物理量测量，广泛应用于位移、速度、加速度、角度和微力测量等传感领域。目前可以作为激光传感装置的双频激光器主要有塞曼双频激光器、双折射双频激光器和双折射-塞曼双频激光器等。塞曼双频激光器现有技术相对成熟，但其频差上限为3MHz，这极大限制了双频激光干涉仪的测量速度和测量范围(Sargent M,Lamb W E,Fork R L.Theory of a Zeeman Laser.I[J].Phys.Rev.1967,164(2):436～449.)。双折射双频激光器是在内腔激光器内插入双折射晶体产生双频，可以输出40MHz-1000MHz频差，由于腔内存在强烈的模式竞争，激光器不能输出小于40MHz频差，错失了3MHz-40MHz测量范围(Zhang S,Wu M,Jin G.Birefringent tuning double frequencyHe-Ne laser[J].Applied Optics.1990,29(9):1265～1267)。双折射-塞曼双频激光器是在双折射双频激光器的基础上，将横向磁场施加在氦氖增益管，磁场的存在使得增益粒子分成两群，分别给两个频率激光提供增益，弱化了模式竞争，因此可以输出一兆赫到几百兆赫频差(张书练.正交偏振激光原理[M].北京:清华大学出版社,2005)。然而在腔内插入双折射晶体极易受环境振动和温度变化的影响，其频差稳定性难以达到工业应用的要求。
Y型腔正交偏振激光器利用特殊的膜系结构设计，产生正交偏振的P光和S光两种频率的激光，其利用一种频率作参考，另一种频率作信号，通过探测两者的拍频进行物理量测量，可以应用于位移、加速度和微力测量等传感领域(肖光宗.基于Y型腔正交偏振激光器的激光加速度计初步研究[D].国防科技大学)。其中，激光器的拍频稳定性关系到测量的灵敏度，然而，现有的Y型腔正交偏振激光器受放电电流激变和环境温度的影响，拍频稳定性还停留在MHz量级，加之测量模块外置，需要反复调整光路，难以有效应用到工业生产当中。因此，急需对基于Y型腔正交偏振激光器的传感装置进行一体化设计，才能更好地发挥其精密测量功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于Y型腔正交偏振激光器的一体化激光传感装置，具有稳频精度高、结构简单、环境适应性强、无需反复调试光路、便于工业应用等优点。
本发明的原理是：普通双频激光器在工作时，泵浦电流的激变和外界环境温度的变化将使激光频差产生漂移。如果利用超低膨胀系数的微晶玻璃加工成激光器的腔体，同时施加控制，稳定腔体温度和放电电流，就可以最大限度减少两子腔的温度梯度差，降低频差漂移。此外，将激光器、温控单元和测量单元集成化，既可有效隔绝外界环境对信号产生和采集过程的影响，又可使其功能集成化，避免反复调整光路。通过气体导管连接气体膜盒、活塞等不同传感单元，实现加速度、声波、质量和力等传感功能。
为了便于描述，规定Y型腔正交偏振激光器的激光输出方向为前向。
本发明采用的技术方案是：一种基于Y型腔正交偏振激光器的一体化激光传感装置，包括Y型腔正交偏振激光器100、温控单元200、测量单元300、传感单元400、气体导管500、传感气体、信号控制与处理单元600、第一接插件700、第二接插件800和若干导线；
所述Y型腔正交偏振激光器100，包括激光器腔体、偏振分光片104、第一反射镜105、第二反射镜106、第三反射镜107、第一压电陶瓷108、第二压电陶瓷109、第三压电陶瓷110、空腔111、第一通气孔112、增益管113、阴极114、阳极115；所述激光器腔体包括共用段101、S子段102和P子段103，所述共用段101和S子段102采用微晶玻璃和钻孔工艺一体化加工，共用一个端面；所述偏振分光片104固定设置在该共用端面上；所述P子段103的第一端面与设置偏振分光片后的共用段101和S子段102的共用端面密封固定连接；所述P子段103中心沿光路方向设置有封闭的空腔111，该空腔111设有第一通气孔112；所述第一反射镜105固定设置在共用段101的第一端面上，所述第一压电陶瓷108固定设置在第一反射镜105上，所述第二反射镜106固定设置在S子段102的第一端面上，所述第二压电陶瓷109固定设置在第二反射镜106上，第三反射镜107固定设置在P子段103的第二端面上，所述第三压电陶瓷110固定设置在第三反射镜107上；所述增益管113设置在共用段101内，充有气压比为7:1的氦氖气体；所述阴极114、阳极115固定设置在共用段101侧壁上，并与所述增益管113连通；
所述温控单元200包括第一级铝盒201、第二级铝盒202、第三级铝盒203、若干TEC制冷片204、若干热沉205、聚乙烯保温海绵206和NTC热敏电阻207；所述第二级铝盒202固定放置第三级铝盒203内后部，所述第一级铝盒201固定放置在所述第二级铝盒202内；所述第一级铝盒201和第二级铝盒202的左、右及后三个方向的外侧壁上利用导热硅胶都粘连有若干TEC制冷片204，所述第二级铝盒202和第三级铝盒203的左、右及后三个方向的内侧壁上利用导热硅胶都固定粘连热沉205；所述第一级铝盒201外侧壁上的TEC制冷片204利用导热硅胶都对应与所述第二级铝盒202内侧壁上的热沉205固定粘连，所述第二级铝盒202外侧壁上的TEC制冷片204利用导热硅胶都对应与所述第三级铝盒203内侧壁上的热沉205固定粘连；所述第一级铝盒201和第二级铝盒202之间，所述第二级铝盒202和第三级铝盒203的左、右及后侧壁之间，都填充有聚乙烯保温海绵206；所述NTC热敏电阻207固定设置在所述第一级铝盒201内右侧壁中心；所述Y型腔正交偏振激光器100固定设置在所述第一级铝盒201内，所述第一反射镜105前向设置有先后贯穿第一级铝盒201、聚乙烯保温海绵206和第二级铝盒202的通光孔，且与第一反射镜105保持同轴；
所述测量单元300，固定设置在所述第三级铝盒203内前部，包括可调衰减器301、50:50分光平片302、渥拉斯通棱镜303、两个光强探测器304、1/4波片305和光电雪崩二极管306；所述可调衰减器301为圆形中性可调旋转衰减器，固定设置在所述通光孔前侧，且与通光孔保持同轴；所述50:50分光平片302固定设置可调衰减器301的前侧；所述渥拉斯通棱镜303设置在可调衰减器301的左侧，用于将50:50分光平片302反射的两种频率激光分成两束，一束为S偏振光，另一束为P偏振光；所述两个光强探测器304粘接在渥拉斯通棱镜303上，用于分别探测两束偏振光的光强；所述1/4波片305设置在50:50分光平片302前侧，用于将透过50:50分光平片302的两种频率激光合拍；所述光电雪崩二极管306固定设置在1/4波片305前侧，用于接收激光合拍的拍频信号；
所述传感单元400为密封腔体，设有贯穿其外壁的第二通气孔401，用于接收待测物理量；所述气体导管500物理性能稳定，其一端与第一通气孔109密封连接，另一端分别密封穿过第一级铝盒201前侧壁、聚乙烯保温海绵206、第二级铝盒202前侧壁、第三级铝盒203前侧壁，与第二通气孔401密封连接；所述气体导管500与所述P子段103的空腔111和传感单元400连通构成一个封闭腔，所述传感气体化学性能稳定，且置入该封闭腔内；
所述信号控制与处理单元600，包括稳流模块601、温控模块602和测控模块603，所述稳流模块601和温控模块602分别通过导线与测控模块603连接，用于控制Y型腔正交偏振激光器100的驱动电流和工作点，控制所有TEC制冷片204，以及采集和处理光电雪崩二极管306输出的信号，获得待测物理量信息；
所述第一接插件700和第二接插件800并列设置在所述第三级铝盒203前外侧壁上；所述第一压电陶瓷108、第二压电陶瓷109、第三压电陶瓷110、阴极114和阳极115，分别利用导线穿过第一级铝盒201前侧壁、聚乙烯保温海绵206、第二级铝盒202前侧壁，通过第一接插件700与所述稳流模块601的连接；所述NTC热敏电阻207，利用导线穿过第一级铝盒201前侧壁、聚乙烯保温海绵206、第二级铝盒202前侧壁，通过第二接插件800与测控模块603的连接；所述第一级铝盒201外侧壁上的TEC制冷片204，利用导线穿过聚乙烯保温海绵206、第二级铝盒202前侧壁，通过第一接插件700与所述温控模块602的连接；所述第二级铝盒202外侧壁上的TEC制冷片204，利用导线通过第一接插件700与所述温控模块602的连接；所述两个光强探测器304和光电雪崩二极管306分别利用导线通过第二接插件800与所述测控模块603连接。
进一步地，所述气体导管500采用空芯光纤。
进一步地，所述传感单元400采用气体膜盒，该气体膜盒包括膜盒腔体402和膜片403，所述膜盒腔体402为一个端面开口的半封闭腔体，所述第二通气孔401设置在膜盒腔体402底面，所述膜片403密封固定在膜盒腔体402的开口端面。
本发明的有益效果是：
1)本发明通过施加控制，稳定温度和放电电流，可以获得高稳定性的频差信号，有利于提高测量灵敏度。
2)本发明采用一体化设计，将测量单元集成到系统当中，有效隔绝外界环境对信号产生和采集过程的影响，又使其功能集成化。通过气体导管连接气体膜盒、活塞等不同传感器件，实现加速度、声波、质量和力等传感功能；具有结构简单、环境适应性强、稳频精度高、无需反复调试光路、便于工业应用等优点。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明所述Y型腔正交偏振激光器的结构示意图；
图3为本发明所述温控单元的结构示意图；
图4为本发明所述测量单元的结构示意图；
图5为本发明所述传感单元的结构示意图；
图6为本发明所述信号控制与处理单元的结构示意图；
图7为本发明实施例中外界温度变化曲线；
图8为本发明实施例中未采用稳流和温控措施的激光器频差漂移曲线；
图9为本发明实施例中采用温控措施后激光器周围温度变化曲线；
图10为本发明实施例中采用稳流和温控措施后的激光器频差漂移曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施案例做详细的说明，但不应因此限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于Y型腔正交偏振激光器的一体化激光传感装置，包括Y型腔正交偏振激光器100、温控单元200、测量单元300、传感单元400、气体导管500、传感气体、信号控制与处理单元600、第一接插件700、第二接插件800和若干导线。
如图2所示，Y型腔正交偏振激光器100，包括激光器腔体、偏振分光片104、第一反射镜105、第二反射镜106、第三反射镜107、第一压电陶瓷108、第二压电陶瓷109、第三压电陶瓷110、空腔111、第一通气孔112、增益管113、阴极114、阳极115；激光器腔体包括共用段101、S子段102和P子段103，共用段101和S子段102采用微晶玻璃和钻孔工艺一体化加工，共用一个端面；偏振分光片104固定设置在该共用端面上；P子段103的第一端面与设置偏振分光片后的共用段101和S子段102的共用端面密封固定连接；P子段103中心沿光路方向设置有封闭的空腔111，该空腔111设有第一通气孔112；第一反射镜105固定设置在共用段101的第一端面上，第一压电陶瓷108固定设置在第一反射镜105上，第二反射镜106固定设置在S子段102的第一端面上，第二压电陶瓷109固定设置在第二反射镜106上，第三反射镜107固定设置在P子段103的第二端面上，第三压电陶瓷110固定设置在第三反射镜107上；增益管113设置在共用段101内，充有气压比为7:1的氦氖气体；阴极114、阳极115固定设置在共用段101侧壁上，并与增益管113连通。
如图3所示，温控单元200包括第一级铝盒201、第二级铝盒202、第三级铝盒203、若干TEC制冷片204、若干热沉205、聚乙烯保温海绵206和NTC热敏电阻207；第二级铝盒202固定放置第三级铝盒203内后部，第一级铝盒201固定放置在第二级铝盒202内；第一级铝盒201和第二级铝盒202的左、右及后三个方向的外侧壁上利用导热硅胶都粘连有若干TEC制冷片204，第二级铝盒202和第三级铝盒203的左、右及后三个方向的内侧壁上利用导热硅胶都固定粘连热沉205；第一级铝盒201外侧壁上的TEC制冷片204利用导热硅胶都对应与第二级铝盒202内侧壁上的热沉205固定粘连，第二级铝盒202外侧壁上的TEC制冷片204利用导热硅胶都对应与第三级铝盒203内侧壁上的热沉205固定粘连；第一级铝盒201和第二级铝盒202之间，第二级铝盒202和第三级铝盒203的左、右及后侧壁之间，都填充有聚乙烯保温海绵206；NTC热敏电阻207固定设置在第一级铝盒201内右侧壁中心；如图1所示，Y型腔正交偏振激光器100固定设置在第一级铝盒201内，第一反射镜105前向设置有先后贯穿第一级铝盒201、聚乙烯保温海绵206和第二级铝盒202的通光孔，该通光孔与第一反射镜105保持同轴。
如图1和图4所示，测量单元300，固定设置在第三级铝盒203内前部，包括可调衰减器301、50:50分光平片302、渥拉斯通棱镜303、两个光强探测器304、1/4波片305和光电雪崩二极管306；可调衰减器301为圆形中性可调旋转衰减器，固定设置在通光孔前侧，与通光孔保持同轴；50:50分光平片302固定设置可调衰减器301的前侧；渥拉斯通棱镜303设置在可调衰减器301的左侧；两个光强探测器304粘接在渥拉斯通棱镜303上；1/4波片305设置在50:50分光平片302前侧；光电雪崩二极管306固定设置在1/4波片305前侧。Y型腔正交偏振激光器100输出的激光通过通孔后，经过可调衰减器301，经50:50分光平片302分束后，其中一束由渥拉斯通棱镜303分成S光和P光，两者的光强分别由粘在渥拉斯通棱镜303上的两个光强探测器304接收；另一束光经过1/4波片305后，产生的拍频由电雪崩二极管306接收。
如图5所示，优选地，传感单元400采用气体膜盒，包括膜盒腔体(402)和膜片(403)，膜盒腔体(402)为一个端面开口的半封闭腔体，第二通气孔(401)设置在膜盒腔体(402)底面，膜片(403)密封固定在膜盒腔体(402)的开口端面。
优选地，气体导管500采用空芯光纤，其一端与第一通气孔109密封连接，另一端分别密封穿过第一级铝盒201前侧壁、聚乙烯保温海绵206、第二级铝盒202前侧壁、第三级铝盒203前侧壁，与第二通气孔401密封连接；气体导管500与P子段103的空腔111和传感单元400连通构成一个封闭腔，传感气体置入该封闭腔内。
如图6所示，信号控制与处理单元600，包括稳流模块601、温控模块602和测控模块603，稳流模块601和温控模块602分别通过导线与测控模块603连接。
第一接插件700和第二接插件800并列设置在第三级铝盒203前外侧壁上；第一压电陶瓷108、第二压电陶瓷109、第三压电陶瓷110、阴极114和阳极115，分别利用导线穿过第一级铝盒201前侧壁、聚乙烯保温海绵206、第二级铝盒202前侧壁，通过第一接插件700与稳流模块601的连接；NTC热敏电阻207，利用导线穿过第一级铝盒201前侧壁、聚乙烯保温海绵206、第二级铝盒202前侧壁，通过第二接插件800与测控模块603的连接；第一级铝盒201外侧壁上的TEC制冷片204，利用导线穿过聚乙烯保温海绵206、第二级铝盒202前侧壁，通过第一接插件700与温控模块602的连接；第二级铝盒202外侧壁上的TEC制冷片204，利用导线通过第一接插件700与温控模块602的连接；两个光强探测器304和光电雪崩二极管306分别利用导线通过第二接插件800与测控模块603连接。
本实施例中，外界温度变化如图7所示，当未采用稳流和温控措施时，激光器频差漂移如图8所示，可见外界温度变化对频差影响非常大；当采用温控措施后，激光器周围温度变化如图9所示，可见温度能够控制在1mK以内；当采用稳流和温控措施时，激光器频差漂移如图10所示。可见，良好的温控、稳流和隔振效果可以使得Y型腔双频激光器频差漂移低于80kHz，有效提升了测量精度，同时一体化设计使其具备了工业应用的基础，可以装上传感单元就能使用，避免了反复调试光路的麻烦。
Claims (3)
1.一种基于Y型腔正交偏振激光器的一体化激光传感装置，其特征在于：包括Y型腔正交偏振激光器(100)、温控单元(200)、测量单元(300)、传感单元(400)、气体导管(500)、传感气体、信号控制与处理单元(600)、第一接插件(700)、第二接插件(800)和若干导线；
所述Y型腔正交偏振激光器(100)，包括激光器腔体、偏振分光片(104)、第一反射镜(105)、第二反射镜(106)、第三反射镜(107)、第一压电陶瓷(108)、第二压电陶瓷(109)、第三压电陶瓷(110)、空腔(111)、第一通气孔(112)、增益管(113)、阴极(114)、阳极(115)；所述激光器腔体包括共用段(101)、S子段(102)和P子段(103)，所述共用段(101)和S子段(102)采用微晶玻璃和钻孔工艺一体化加工，共用一个端面；所述偏振分光片(104)固定设置在该共用端面上；所述P子段(103)的第一端面与设置偏振分光片后的共用段(101)和S子段(102)的共用端面密封固定连接；所述P子段(103)中心沿光路方向设置有封闭的空腔(111)，该空腔(111)设有第一通气孔(112)；所述第一反射镜(105)固定设置在共用段(101)的第一端面上，所述第一压电陶瓷(108)固定设置在第一反射镜(105)上，所述第二反射镜(106)固定设置在S子段(102)的第一端面上，所述第二压电陶瓷(109)固定设置在第二反射镜(106)上，第三反射镜(107)固定设置在P子段(103)的第二端面上，所述第三压电陶瓷(110)固定设置在第三反射镜(107)上；所述增益管(113)设置在共用段(101)内，充有气压比为7:1的氦氖气体；所述阴极(114)、阳极(115)固定设置在共用段(101)侧壁上，并与所述增益管(113)连通；
所述温控单元(200)包括第一级铝盒(201)、第二级铝盒(202)、第三级铝盒(203)、若干TEC制冷片(204)、若干热沉(205)、聚乙烯保温海绵(206)和NTC热敏电阻(207)；所述第二级铝盒(202)固定放置第三级铝盒(203)内后部，所述第一级铝盒(201)固定放置在所述第二级铝盒(202)内；所述第一级铝盒(201)和第二级铝盒(202)的左、右及后三个方向的外侧壁上利用导热硅胶都粘连有若干TEC制冷片(204)，所述第二级铝盒(202)和第三级铝盒(203)的左、右及后三个方向的内侧壁上利用导热硅胶都固定粘连热沉(205)；所述第一级铝盒(201)外侧壁上的TEC制冷片(204)利用导热硅胶都对应与所述第二级铝盒(202)内侧壁上的热沉(205)固定粘连，所述第二级铝盒(202)外侧壁上的TEC制冷片(204)利用导热硅胶都对应与所述第三级铝盒(203)内侧壁上的热沉(205)固定粘连；所述第一级铝盒(201)和第二级铝盒(202)之间，所述第二级铝盒(202)和第三级铝盒(203)的左、右及后侧壁之间，都填充有聚乙烯保温海绵(206)；所述NTC热敏电阻(207)固定设置在所述第一级铝盒(201)内右侧壁中心；所述Y型腔正交偏振激光器(100)固定设置在所述第一级铝盒(201)内，所述第一反射镜(105)前向设置有先后贯穿第一级铝盒(201)、聚乙烯保温海绵(206)和第二级铝盒(202)的通光孔，且与第一反射镜(105)保持同轴；
所述测量单元(300)，固定设置在所述第三级铝盒(203)内前部，包括可调衰减器(301)、50:50分光平片(302)、渥拉斯通棱镜(303)、两个光强探测器(304)、1/4波片(305)和光电雪崩二极管(306)；所述可调衰减器(301)为圆形中性可调旋转衰减器，固定设置在所述通光孔前侧，且与通光孔保持同轴；所述50:50分光平片(302)固定设置可调衰减器(301)的前侧；所述渥拉斯通棱镜(303)设置在可调衰减器(301)的左侧，用于将50:50分光平片(302)反射的两种频率激光分成两束，一束为S偏振光，另一束为P偏振光；所述两个光强探测器(304)粘接在渥拉斯通棱镜(303)上，用于分别探测两束偏振光的光强；所述1/4波片(305)设置在50:50分光平片(302)前侧，用于将透过50:50分光平片(302)的两种频率激光合拍；所述光电雪崩二极管(306)固定设置在1/4波片(305)前侧，用于接收激光合拍的拍频信号；
所述传感单元(400)为密封腔体，设有贯穿其外壁的第二通气孔(401)，用于接收待测物理量；
所述气体导管(500)物理性能稳定，其一端与第一通气孔(109)密封连接，另一端分别密封穿过第一级铝盒(201)前侧壁、聚乙烯保温海绵(206)、第二级铝盒(202)前侧壁、第三级铝盒(203)前侧壁，与第二通气孔(401)密封连接；所述气体导管(500)与所述P子段(103)的空腔(111)和传感单元(400)连通构成一个封闭腔，所述传感气体化学性能稳定，且置入该封闭腔内；
所述信号控制与处理单元(600)，包括稳流模块(601)、温控模块(602)和测控模块(603)，所述稳流模块(601)和温控模块(602)分别通过导线与测控模块(603)连接，用于控制Y型腔正交偏振激光器(100)的驱动电流和工作点，控制所有TEC制冷片(204)，以及采集和处理光电雪崩二极管(306)输出的信号，获得待测物理量信息；
所述第一接插件(700)和第二接插件(800)并列设置在所述第三级铝盒(203)前外侧壁上；
所述第一压电陶瓷(108)、第二压电陶瓷(109)、第三压电陶瓷(110)、阴极(114)和阳极(115)，分别利用导线穿过第一级铝盒(201)前侧壁、聚乙烯保温海绵(206)、第二级铝盒(202)前侧壁，通过第一接插件(700)与所述稳流模块(601)的连接；
所述NTC热敏电阻(207)，利用导线穿过第一级铝盒(201)前侧壁、聚乙烯保温海绵(206)、第二级铝盒(202)前侧壁，通过第二接插件(800)与测控模块(603)的连接；
所述第一级铝盒(201)外侧壁上的TEC制冷片(204)，利用导线穿过聚乙烯保温海绵(206)、第二级铝盒(202)前侧壁，通过第一接插件(700)与所述温控模块(602)的连接；
所述第二级铝盒(202)外侧壁上的TEC制冷片(204)，利用导线通过第一接插件(700)与所述温控模块(602)的连接；
所述两个光强探测器(304)和光电雪崩二极管(306)分别利用导线通过第二接插件(800)与所述测控模块(603)连接。
2.根据权利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的一体化激光传感装置，其特征在于：所述气体导管(500)采用空芯光纤。
3.根据权利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的一体化激光传感装置，其特征在于：所述传感单元(400)采用气体膜盒，该气体膜盒包括膜盒腔体(402)和膜片(403)，所述膜盒腔体(402)为一个端面开口的半封闭腔体，所述第二通气孔(401)设置在膜盒腔体(402)底面，所述膜片(403)密封固定在膜盒腔体(402)的开口端面。
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