CN1233093A - 位移自传感氦氖激光器系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光器及激光传感领域,包括一支半外腔激光器,设置在腔内的双折射元件,衰减元件,设置在腔外光轴上激光输出镜一端的分光镜,两个光电控测器,两个电子放大器,信号处理单元和显示元部件。本发明特点是综合利用几种激光物理现象,将一支HeNe激光器制成一各不使用干涉现象,但可以作为标定基准,又相对简单的位移传感仪器。将原方法的精度提高一倍,并具有造价低,测量精度高,不必校准等优点。

Description

位移自传感氦氖激光器系统及其实现方法

本发明属于激光器及激光传感领域，特别涉及利用氦氖激光器实现位移传感的方法。

有很多种位移传感器，如电容位移传感器，电涡流位移传感器，电感位移传感器。这些位移传感器应用广泛，但具有原理上的非线性，线性测量范围较小并需要校准。激光干涉仪利用干涉现象，以波长做尺子，精度高，测量范围大，缺点是系统复杂，价格昂贵。

本申请人曾于93114899.5专利申请中公开过“一种高精度激光腔变位移/折射率测量方法及其装置”，该装置包括由一支激光放电管，两个激光腔镜以及偏振分光镜，两个光电控测器，两个电子放大器，信号处理电路，显示器等元部件组成。这种方法在位移测量中达到λ/4精度(0.158μm)。

本发明旨在综合利用几种激光物理现象，将原方法的精度提高一倍，达到λ/8(0.079μm)，而且克服原方法中兰姆凹陷处和换膜凹陷处激光功率不等带来的调整困难，从而将一支HeNe激光器制成一种不使用干涉现象，但可以作为标定基准，又相对简单的位移传感仪器。它具有造价低，测量精度高，不必校准等优点。

本发明提出一种位移自传感HeNe激光器系统，包括一支由放电管、固定在该放电管一端的激光输出镜及置于放电管另一端的可移动的激光反射镜组成的半外腔激光器，设置在该激光腔内的双折射元件，设置在腔外光轴上激光输出镜一端的分光镜，以及接收并处理由该分光镜分出的两束光的两个光电探测器，两个电子放大器，信号处理单元和显示元部件，其特征在于，还包括设置在该激光腔内可调节腔内损耗的衰减元件。本发明还包括一种采用上述的系统实现位移传感的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将激光反射镜与待测件固定在一起；

2)调整激光器腔长以选定合适的激光频率间隔Δ；

3)调整衰减元件改变激光器损耗以改变激光器出光带宽以达到(激光纵模

  间隔Δ)/(出光带宽)=4/3；

4)调整双折射元件使激光器频率分裂成o光、e光，得到合适大小频差，

  使出光带宽被分成o光区，o光+e光区，e光区三等分且宽度相等，

  而纵模间隔Δ分成o光区，o光+e光区，e光区和无光区四个区域，

  且宽度相等；

5)将o光和e光分开，并分别照射到两个光电探测器上；

6)待测件沿激光轴线方向移动时，两个探测器的光照依次有四种状态：一个被照亮，两个同时被照亮，另一个被照亮，两个都不被照亮，电子放大器，信号处理单元将上述四种光照状态(四个区域)转化成位移量，状态每次改变表明待测件位移了λ/8。

上述方法中所说的激光频率分裂可由激光放电管的窗片上套一个压紧圈，压紧圈沿窗片直径施加了一个力使激光频率分裂；也可由放在激光器内部的一片晶体石英产生。所说一个反射镜可固定在滑动导轨上，弹簧把滑动导轨顶压在被测件上。

本发明所说位移传感HeNe激光器系统原理结构见图1。图中，1是激光放电管，2是固定在其上的一个激光腔输出镜，3是可沿激光腔轴方向移动的激光腔反射镜，4是两表面镀增透膜的激光放电管窗片，F是沿窗片直径施加一个外力。上述元件构成位移传感HeNe激光器系统的激光器部分。5是分光镜，6和7是两个光电控测器，8和9是两个放大器。10是信号处理及位移显示器，11是一个衰减片。

激光放电管和激光腔镜3构成一个半内腔HeNe激光器。激光器腔长应尽量短，在一般HeNe激光放电管制造水平下，长约130mm-140mm为宜，在此腔长下，激光器仅输出一个频率。衰减片11的作用是改变激光器的损耗，使激光器出光带宽为激光器纵模间隔的3/4，即在一个纵横间隔内，有3/4的带宽是有光振荡的，而另外1/4带宽内，激光器不输出激光(无光区)。力F的作用是使窗片4内部产生一个应力，此应力将窗片变成一个双折射元件，从而使激光器几何长度唯一的谐振腔变成有两个物理长度的谐振腔，激光频率发生分裂，输出一个频率的激光器变成输出二个频率的激光器，二个频率分开的大小正比于所加力的大小。力F合适时出光带宽分为三个区域：o光区，o光和e光区，e光区。于是，一个纵模间隔被分为四个区域：无光区，o光区，o光+e光区，e光。分光镜5将o光和e光分开照在光电控测器6和7上，反射镜3移动较慢时，可用眼睛看清上述四种状态，每改变一种状态表示反射镜3移动了八分之一波长，从而可断定反射镜3的位移量，本发明还可以从状态的变化顺序断定3是向左移动，还是向右移动。两个放大器8、9，信号处理及位移显示器10的作用是用电路代替眼睛快速地数出区域的改变数和断定状态的变化顺序，从而判断移动方向。

下面详细说明工作原理和实现方法：

本发明最原始的概念来自激光原理：腔镜3的位移(腔长改变)δL和激光频率移动δν的关系，可表示为： $\mathrm{\δv}=\frac{-v}{L}\mathrm{\δL}-----\left(1\right)$

ν：激光增益中心频率(HZ)，此式表明，只要我们移动反射镜一个位移δL，激光器的频率移动一个δν。

如果激光反射镜3移动λ/2，即δL=λ/2，代入(1)有： $\mathrm{\δv}=-\frac{v}{L}\frac{\mathrm{\λ}}{2}-----\left(2\right)$ $=-\frac{c}{2L}=-\mathrm{\Δ}$

(2)式表明，激光反射镜移动λ/2，激光频率移动一个纵模间隔Δ，反言之，激光频率移动一个纵模间隔Δ，激光反射镜移动λ/2。和干涉的原理进行对比，则可发现类似之处。在干涉仪器，干涉臂长改变一个λ/2，干涉条纹的亮暗改变一次。但在本发明中，没有使用干涉现象，自然也没有构成干涉的干涉臂，固定镜和动镜，因而比干涉仪简单得多。

仅由此原理并不能实现位移测量，因为激光腔镜3向左向右移动现象相同，无法判定它的左右移动方向，同时，也无法对λ/2进行细分以提高精度。为此，本发明通过以下步骤解决问题，将上述HeNe激光器改变成有λ/8精度，可判向的位移传感器。

第一步：调整激光器腔长(激光反射镜2和3之间的间距)，由式(1)可知，减小腔长L可使纵模间隔Δ增加。将L的长度选在130-140mm之间。由式(2)，如L=140mm，则激光频率间隔Δ=1070MHz。

第二步，改变激光器损耗，激光器出光带宽可由增加腔的衰减而改变。改变衰减片11对激光器轴线的倾斜度而改变损耗，以减小激光出光带宽，以至于达到

(激光纵模间隔Δ)/(出光带宽)=4/3如图2所示。图2中，A到B的宽度是3Δ/4、B到C的宽度是Δ/4。

第三步：使激光器频率分裂得到大小合适频差。

利用双折射元件引起激光频率分裂，即一个频率变成两个(一个o光频率，一个e光频率)。 $\mathrm{\Λv}=\frac{8c}{{\mathrm{\πLDf}}_0}F----\left(4\right)$

上式中C：光速，L：激光腔长，D：窗片直径，   f₀：窗片材料条纹系数。

在调谐激光腔长时，由于激光模竞争效应，如果o光比e光先进入出光带宽，o光将抑制后进入出光带宽的e光，e光不能形成振荡，于是形成一个远比Δν宽的多的o光工作区域。反之，如果e光比o光先进入出光带宽，则形成一个远比Δν宽的多的e光工作区域。

当Δν大小合适时(在本发明人的制造条件下，Δν约60MHz为宜)，如果我们移动激光腔镜3，则发现，从A到B的出光带宽又被分成三等分：Ⅰ(o光区)，Ⅱ(o光+e光区)，Ⅲ(e光区)，如图3所示。

第四步：沿激光轴线方向移动激光腔镜3时，光电探测器及电路系统将上述四个区域转化成位移。分光镜5将o和e光分开，它们分别照射到光电探测器6和7上，当沿激光轴线方向移动激光腔镜3时，将看到：6被照亮、7暗，→6、7同时被照亮，→6暗7亮，→6、7都暗，→6被照亮、7暗。如此反复循环。每循环一次，反射镜走了一个λ/2，每走过一个区，反射镜走λ/8。对波长0.6238μm的HeNe激光，λ/8是0.079μm。

因为上述一个纵模间隔内(从A到C)的四个区间的光功率亮暗性质各不相同，无论激光腔镜3位移前激光频率处于图3任一区域内，也无论向左或向右移动，都能从光电探测器6、7的亮暗判断出移动方向。例如初始位置在无光区，频率向左运动进入6暗、7亮的区域，频率向右运动进入6亮、7暗的区域。通过电路将光电探测器6、7的亮暗转化成电信号并处理，判定出运动的方向，这种信号处理属常规电路。

综上所述，本发明的特点是综合利用几种激光物理现象，如激光频率分裂现象，激光模竞争现象，激光腔调谐现象将一支HeNe激光器制成一种不使用干涉现象，但可以作为标定基准，又相对简单的位移传感仪器。它由一个可移动的激光反射镜和被测物固定在一起，由改变激光腔长选好一个激光纵模间隔并由改变激器的衰减改变出光带宽，使其纵模间隔和出光带宽之比为4∶3。当被测物发生沿激光方向的位移时，探测器探测出激光功率的周期性变化，计数器计出功率变化过程中的凹陷数，凹陷数代表了被测物的位移。这种位移传感HeNe激光器以“激光腔镜移动半波长频率移动一个纵模间隔”为工作原理，不必校准。在微米测量中的精度为八分之一波长(对于633nm波长HeNe激光，八分之一波长是0、079微米。

本发明也可用于测量激光谐振腔内的空气折射率的改变。

附图简要说明：

图1为本发明原理系统结构示意图。

图2为出光带宽和纵模间隔的分布，其宽度比是3∶4。

图3为出光带宽被分成三等分示意图。

图4为本发明实施例一的示意图。

图5为本发明实施例二的示意图。

本发明的位移自传感氦氖激光器系统及其实现方法实施例结合附图详细说明如下；

本发明的一种实施例结构及其实现方法，如图4所示。

图4中半内腔激光器设置在一融石英管壳20之中，用一片晶体石英片41做为激光放电管窗片。晶体石英片的天然双折射使激光形成频率分裂。当角度n(激光光束和晶体石英片法线的夹角)合适时，可得到合适的频率分裂大小。衰减片11用以调整激光器腔内的损耗。反射镜3固定在滑动导轨(即测杆)上。弹簧(未示出)把测杆顶压在被测工件21上。被测工件移动带动反射镜3位移，位移自传感HeNe激光器测出工件位移。

本发明的另一种实施例如图5所示，其系统结构与实施例一大体相同，不同之处为：该实施例中没有衰减片，但反射镜3的法线和激光器轴线夹一个非常小仅在秒的量级但合适的角度m(图中对m做了夸大)。这一小角度给激光腔带来损耗。一旦调整到角度合适时，将反射镜3的位置很好的固定。调整过程：先将激光器输出功率调到最大，然后边旋转反射镜3的支架(此种支架为市场上可买到的为大家所熟知的激光二维调整架，图中未示出)，边测量激光器输出光的出光带宽和在无光区带宽的比例随β增加，出光带宽减小，无光带宽增加，直至其比为3比1为止。该激光腔内的双折射元件由激光放电管的窗片42上套一个压紧圈，压紧圈沿窗片直径施加了一个力使激光频率分裂。反射镜3被置于被测工件22上(如微动台)，被测工件位移时，位移自传感HeNe激光器测出工件位移。

Claims (5)

1、一种位移自传感氦氖激光器系统，包括一支由放电管、固定在该放电管一端的激光输出镜及置于放电管另一端的可移动的激光反射镜组成的半外腔激光器，设置在该激光腔内的双折射元件，设置在腔外光轴上激光输出镜一端的分光镜，以及接收并处理由该分光镜分出的两束光的两个光电控测器，两个电子放大器，信号处理单元和显示元部件，其特征在于，还包括设置在该激光腔内可调节腔内损耗的衰减元件。

2、一种采用如权利1所述系统的实现位移传感的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将激光反射镜与待测件固定在一起；

2)调整激光器腔长以选定合适的激光频率间隔Δ；

3)调整衰减元件改变激光器损耗以改变激光器出光带宽以达到

  (激光纵模间隔Δ)/(出光带宽)=4/3；

4)调整双折射元件使激光器频率分裂成o光、e光，得到合适大小频差，

  使出光带宽被分成o光区，o光+e光区，e光区三等分，而纵模

  间隔Δ被分成等宽度的四个区域：o光区，o光+e光区，e光区

  和无光区；

5)将分开的o光和e光分别照射到两个光电探测器上；

6)待测件沿激光轴线方向移动时，两个探测器的光照有四种状态：一

  个被照亮，两个同时被照亮，另一个被照亮，两个都不被照亮，电

  子放大器，信号处理单元将上述四个区域转化成位移量。

3、如权利要求2所说的实现位移传感的方法，其特征在于，所说的激光频率分裂由激光放电管的窗片上套一个压紧圈，压紧圈沿窗片直径施加了一个力使激光频率分裂。

4、如权利要求2所说的实现位移传感的方法，其特征在于，所说的激光频率分裂由放在激光器内部的一片晶体石英产生。

5、如权利要求2所说的实现位移传感的方法，其特征在于，所说一个反射镜固定在滑动导轨上，弹簧把滑动导轨顶压在被测件上。

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