CN1312488C - 基于Zeeman－双折射双频激光器的光回馈测距仪 - Google Patents

Abstract

基于Zeeman-双折射双频激光器的光回馈测距仪属于激光测距技术领域。其特征在于，该测距仪由光源，测量部分和信号处理3个部分组成。测量过程中，通过激光器腔调谐实现激光器内腔模式的变换，同时对激光器进行光回馈信号的探测。激光器工作在双纵模时的光强调制深度与工作在单模时的光强调制深度的差别与外腔长有关。当外腔长为激光器腔长整数倍时，该调制深度差别最小；而当外腔长逐渐偏离激光器腔长整数倍时，该调制深度差别逐渐变大。本发明利用该特性来确定外腔反射镜位置而实现距离测量。本发明所设计的光回馈测距仪是一种结构紧凑简单紧凑，并且无需控制光回馈水平的激光测距仪。

Description

基于Zeeman-双折射双频激光器的光回馈测距仪

技术领域

基于Zeeman-双折射双频激光器的光回馈测距仪属于激光测距技术领域。

背景技术

当激光器输出光被外界物体反射或散射后，部分光将返回激光器谐振腔内与腔内光束相混合而引起激光器的输出光强的变化，该现象被称作光回馈现象(self-mixing interference)或光回馈(optical feedback)。King于1963年首次报道了光回馈现象。光回馈系统结构简单紧凑，一般仅由一个激光器和待测物体组成。光回馈信号的两个基本特征为：

1.外部反射镜或散射物每移动半个光波波长的位移，激光器光强化一个条纹；

2.条纹的波动深度与传统的双光束干涉系统相当。

Rudd对CO₂激光器的光回馈特性进行了研究，并首次将光回馈应用于速度测量。研究者们随后基于以上现象对光回馈现象进行了大量的研究，研究重点主要集中在基于光回馈现象的形貌测量、位移和距离的测量、速度和振动测量以及线宽测量等。同时人们也建立了一系列的理论模型对回馈中出现的各类现象进行了分析和解释。

光回馈测试技术大部分的研究都集中于半导体激光器中的光回馈现象的研究。半导体激光器中的光回馈现象比较复杂，可以根据回馈系数C的不同而分为四种光回馈水平：

A.很弱光回馈(C□1)，回馈信号为余弦波形；

B.弱光回馈(0.1＜C＜1)，回馈信号为类锯齿波波形；

C.中等光回馈(1＜C＜4.6)，回馈信号为类锯齿波波形，激光器出现双稳态；

D.强光回馈(C＞4.6)，回馈过强，不能用于干涉测量。

而以往研究者应用光回馈现象进行测距时，主要是利用半导体激光器中的模跳现象。而模跳现象的发生则依赖于光回馈的水平。如果光回馈水平过低，则没有模跳现象而使得测量无法进行。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构紧凑，性价比高，并且无需控制光回馈水平的光回馈测距仪。本发明特征在于，它含有：含有光源部分、测量部分和信号处理部分，其中，

光源部分，是一个小频差的双频激光器，该双频激光器包括：

激光增益管，内部充有HeNe混合气体；

尾光输出镜，位于所述激光增益管的尾光输出侧；

增透窗片，位于所述激光增益管的主输出光一侧；

机械式应力施加装置，沿垂直于激光增益管轴的方向安装，用于对增透窗片施加一个应力；

主光束输出镜，位于增透窗片的主输出光出射侧，输出两正交偏振光，即平行光和垂直光；

横向磁场发生器，位于与所述激光增益管的轴向平行的两侧，用于向激光增益管施加平行或垂直于上述应力方向的横向磁场；

第一驱动部件(7)，固定在尾光输出镜上，用于驱动尾光输出镜运动，实现腔调谐；

测量部分，有一个固定在待测物体上的第二驱动部件(9)，在所述第二驱动部件(9)上固定一个反射镜，所述反射镜被驱动沿着激光器主光束出射的方向运动，使入射到待测物体上的两束正交的偏振光被反射回激光器谐振腔分别与腔内的两束正交的偏振光混合，引起两束正交的偏振光各自的光强波动；

信号处理部分，包括：

Wollaston棱镜，位于尾光输出镜的光输出侧，用于将两束正交的偏振光分开；

两个光电探测器，位于Wollaston棱镜的光输出侧，用来检测Wollaston棱镜所分开的两束正交的偏振光光强的变化；

信号处理装置，为具有信号采集，分析以及显示功能的计算机，用于对上述光电探测器接受的信号进行处理，求得光强调制深度以计算出待测物体距离光源的距离。所述机械式应力施加装置是镶有螺钉的加力环。所述横向磁场发生器是两块永久磁铁。所述的第一驱动部件(7)和第二驱动部件(9)均是压电陶瓷。

实验证明，本发明所提供的基于Zeeman-双折射双频激光器的光回馈测距仪所用光源为短腔长的双频HeNe激光器，无论外界反射物表面情况如何，该激光器都将工作在很弱光回馈水平下，因此应用该激光器的光回馈系统，无需控制光回馈水平，达到了预期的目的。

附图说明

图1是本发明所述基于Zeeman-双折射双频激光器的光回馈测距仪的结构示意图。

图2是腔调谐过程中两垂直偏振光的回馈曲线图：(a)外腔长l＝310mm；(b)外腔l＝335mm；(c)外腔长l＝360mm；(d)外腔长l＝385mm。

图3是MD_min/M_S随外腔长变化实验及模拟曲线图。

具体实施方式

本发明的装置如图1所示，1为HeNe激光器的尾光输出镜，其反射率一般为99.8％，2为激光器的增益管，内部充有HeNe的混合气体，3为激光器的增透窗片，4为激光器的主光束输出镜，反射率一般为98％。1，2，3和4共同组成了一只HeNe激光器的主体，腔长为155mm。本发明所使用的光源为小频差的双频激光器，通过机械式应力施加装置5对现有激光器窗片3施加一应力来产生双折射效应。该机械式应力施加装置为一个镶有一个螺钉的加力环，调节螺钉的松紧可以调节应力的大小。激光增益管两侧放置横向磁场发生器6，它由两块永久磁铁共同组成。横向磁场发生器产生的横向磁场方向平行或垂直于上述应力的方向，磁场的加入可以大大减小双频激光器中两频率的模竞争以实现小频差的输出。7为安装在尾光输出镜1上面的压电陶瓷，用来对激光器进行腔调谐。1-7七个部件组成了一只双折射-塞曼双频激光器，该激光器将输出两线性垂直偏振光。本实验装置所用的双频激光器两线性垂直偏振光的频差为6.7MHz。8为外腔反射镜，在实际应用中，该反射镜为待测物体。压电陶瓷9驱动反射镜8沿着光线方向移动。8和9两个元件组成了光回馈系统的外腔。激光器的尾光经Wollaston棱镜10分为两束正交的偏振光，两束正交的偏振光分别由探测器11和12进行探测，所得两光电信号由计算机13进行处理。计算机13通过软件编程的方式实现集信号采集、信号分析以及测量结果显示的功能。整个系统可以分为三部分：14为光源部分，15为测量部分即光回馈系统的外腔，16为信号处理部分。

本发明原理如下。根据激光原理可知，激光器相邻两纵模的纵模间隔为：

                              Δ＝c/2L，                       (1)

c为光在真空中的速度，L为激光器的腔长。对于实验中所使用的155mm的长的激光器，其纵模间隔为968MHz，该值小于0.6328μmHeNe激光器的多普勒展宽宽度1500MHz，故该激光器可以工作在双纵模或单纵模状态下。对于工作在单纵模条件下的Zeeman-双折射双频激光器，它输出两个垂直偏振的频率，平行于磁场方向偏振的频率称为平行光，而垂直于磁场方向偏振的频率称为垂直光。我们此处仅考虑平行光的光强特性(对于垂直光的光强特性也可以用类似的方法推倒，此处不再详述)。平行光的光强可用下式表达：

                              I_//＝I_0//[1-mcos()]，          (2)

I_0//为激光器中的平行光在无光回馈条件下的光强。＝4πvl/c为光在外腔行进一个来回所产生的相位差。l为激光器的外腔长，v为激光器平行光的频率。m为回馈信号的调制系数。由公式2可知对于光回馈系统，外腔长每变化半个波长，激光器的光强变化一个周期。

激光器中光强的调制深度可以如下定义：

$M=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }},---\left(3\right)$

其中I_max和I_min分别为激光器输出光光强的最大值和最小值。当Zeeman-双折射双频激光器工作在单纵模状态时，根据公式2和3可以求得其输出的平行光的光强调制深度M_S＝m，即为回馈信号的调制系数。而当Zeeman-双折射双频激光器工作在双纵模状态时，每个模式都是由两个互相垂直偏振的频率组成。此处我们仍只研究平行光的光强特性。激光器中相邻两纵模中平行偏振的两频率各自光强I_q//和I_q+1//可以分别表示为：

                            I_q//＝I₀[1-κmcos()]，              (4)

I₀为q阶模中的平行光在无光回馈时的光强，ε为q+1阶模中的平行光在无光回馈时的光强与q阶模中的平行光在无光回馈时的光强的比值。κ为两相邻平行光间的耦合系数，为一常数。Δ为两相邻平行光间的频差，即激光器的纵模间隔。此时平行光的总光强为两平行光的各自光强的和，即：

根据公式6和3，可以计算出此时平行光的光强调制深度为：

$m_D=\frac{\mathrm{km}}{(1+\mathrm{\ϵ})}\sqrt{1+2\cos \left(\frac{2\mathrm{\πl}}{L}\right)\mathrm{\ϵ}+{\mathrm{\ϵ}}^2},---\left(7\right)$

当ε＝1，公式7有最小值，该值为：

$M_{D\min }=\mathrm{km}\left|\cos \left(\frac{\mathrm{\πl}}{L}\right)\right|,---\left(8\right)$

ε＝1所指的是两相邻平行光在无光回馈时光强相等，即激光器腔内两纵模恰好关于激光增益曲线中心频率对称。将M_S＝m带入公式8可以得到：

$\frac{M_{D\min }}{M_s}=k\left|\cos \left(\frac{\mathrm{\πl}}{L}\right)\right|,---\left(9\right)$

其中M_Dminn和M_S均可以通过实验获得。可以通过将激光器调谐为两等高纵模状态时，求此时的激光器光回馈信号的光强调制深度而获得M_Dmin。而通过将激光器调谐为单纵模状态时，求激光器光回馈信号的光强调制深度即可获得M_S。k和L均为常数，因此我们只需求得M_Dmin和M_S，便可以求得激光器外腔长l，从而确定外腔反射镜的位置而实现距离测量。而且由公式9可知，l为L的整数倍时，M_Dmin/M_S的值最大，说明此时外腔光束与内腔光束干涉条件比较好，光强的波动深度并不因激光器由相干长度很好的单纵模变为相干长度较差的双纵模而明显变化。而当l为L/2的奇数倍时，M_Dmin/M_S的值最小且为零，说明此时外腔光束与内腔光束干涉条件非常差，光强的波动深度会因激光器由相干长度很好的单纵模变为相干长度较差的双纵模而明显变化。因此在不同的外腔长条件对应不同的M_Dmin/M_S，这就是利用腔调谐的手段改变激光器振荡模式，求得不同模式下的光强调制深度而实现距离测量的原理。

在激光器腔调谐的过程中，同时对激光器进行光回馈，此时获得的光回馈信号如图2所示。实验中腔调谐信号和外腔反射镜驱动信号均为三角波，但腔调谐信号的周期为外腔反射镜驱动信号周期的150倍，即腔调谐的过程相比于光回馈的过程要缓慢的多。这样激光器纵模在增益曲线范围内的不同位置处时，我们都可以获得若干个周期的光回馈信号用以分析激光器的光强调制深度。图2中各图中，上部的曲线表示平行光光强变化曲线，图中部的曲线表示垂直光光强变化曲线，图下部的三角波信号为回馈镜的驱动信号。图中平行光信号向上平移了3500mV以便与垂直光曲线相区分。各图中的区域A为激光器工作在单纵模条件时的回馈曲线图，而区域B为激光器工作在双纵模条件时的回馈曲线图。

图2(a)为外腔长l＝310mm时的激光器在腔调谐过程中两垂直偏振光的回馈曲线图。此时外腔长l＝2L，为激光器腔长的两倍。图中的每个光强条纹都对应着外腔长半个光波长的变化。由图可见，无论是平行光曲线还是垂直光曲线，二者在腔调谐的过程光强调制深度无明显变化，在整个增益曲线范围内两光光强波动幅值都比较大，而且幅值相差不大。而图2(b)则是外腔长l＝335mm时的激光器在腔调谐过程中两垂直偏振光的回馈曲线图。此时外腔长l＝2.2L，即外腔长稍大于激光器腔长的两倍。图2(b)中的光强曲线在激光器工作在双纵模时(即区域B)时，两光光强调制深度相比于图2(a)有一些下降。而图2(c)则是为外腔长l＝360mm时的激光器在腔调谐过程中两垂直偏振光的回馈曲线图。此时外腔长l＝2.3L。相比于前两图，图2(c)中的光强曲线在激光器工作在双纵模平均光强相等时(即区域B中光强调制幅度最小区域位置处)，两光的光强调制深度都有较明显下降。而图2(d)则是为外腔长l＝385mm时的激光器在腔调谐过程中两垂直偏振光的回馈曲线图。此时外腔长l＝2.5L，即外腔长为激光器半个腔长长度奇数倍，相比于前三图，图2(d)中的光强曲线在激光器工作在双纵模条件下时，光强调制深度在较大区域范围内变化都不是很大，并且在激光器双纵模平均光强相等时，平行光光强调制深度几乎为零，这与公式9相符合。

纵观上述实验现象，我们可以发现当外腔长l为激光器腔长L的整数倍时，激光器无论是工作在单纵模还是双纵模，光强的波动深度都比较大，而且波动深度不因激光器模式而明显变化。而当外腔长l为激光器腔长L一半的奇数倍时，激光器工作在单纵模时的光强调制深度整体上要远好于激光器工作在双纵模时的光强调制深度，这与理论分析部分中关于公式9的讨论是相吻合的。

随着外腔长的进一步增大，激光器工作在双纵模条件下的光强调制深度整体上也将会逐渐增大，直到外腔长长度等于激光器腔长整数倍时，激光器工作在双纵模条件下时光强调制深度整体上又开始逐渐减小。鉴于篇幅的限制，外腔长l大于激光器腔长2.5倍以后的光的回馈曲线图不再给出。由实验中所得的曲线，我们可以分别计算出在不同外腔长条件下的M_Dmin和M_S，这样我们就可以描绘出M_Dmin/M_S随外腔长变化曲线图，如图3中星点图所示。图中的连续曲线为根据公式9所作出的理论曲线。图3中实验结果与模拟结果整体上吻合，因此激光器光强因外腔长与激光器腔长比例关系的不同，而导致的当激光器在腔调谐的过程中光强波动深度明显变化的现象可以用于距离测量。由于对于特定的M_Dmin/M_s值，根据公式9将会有多个解，各个解之间相差半个激光器腔长的整数倍。因此本系统的距离测量的范围为半个激光器腔长。当首先知道待测物体在激光器若干个半个激光器腔长以外时，可以通过计算M_Dmin/M_S的比值，利用公式9计算获得外腔长度，从而确定待测物体的位置。

本发明所设计的基于Zeeman-双折射双频激光器的光回馈测距仪由光源，测量部分和信号处理3个部分组成。测量过程中，通过激光器腔调谐实现激光器内腔模式的变换，同时对激光器进行光回馈信号的探测。激光器工作在双纵模时的光强调制深度与工作在单模时的光强调制深度的差别与外腔长有关。当外腔长为激光器腔长整数倍时，该调制深度差别最小；而当外腔长逐渐偏离激光器腔长整数倍时，该调制深度差别逐渐变大。本发明利用该特性来确定外腔反射镜位置而实现距离测量。本发明所设计的光回馈测距仪是一种结构紧凑简单紧凑，并且无需控制光回馈水平的激光测距仪。

Claims (4)

1.基于Zeeman-双折射双频激光器的光回馈测距仪，其特征在于，含有光源部分、测量部分和信号处理部分，其中，

光源部分，是一个小频差的双频激光器，该双频激光器包括：

激光增益管，内部充有HeNe混合气体；

尾光输出镜，位于所述激光增益管的尾光输出侧；

增透窗片，位于所述激光增益管的主输出光一侧；

机械式应力施加装置，沿垂直于激光增益管轴的方向安装，用于对增透窗片施加一个应力；

主光束输出镜，位于增透窗片的主输出光出射侧，输出两正交偏振光，即平行光和垂直光；

横向磁场发生器，位于与所述激光增益管的轴向平行的两侧，用于向激光增益管施加平行或垂直于上述应力方向的横向磁场；

第一驱动部件(7)，固定在尾光输出镜上，用于驱动尾光输出镜运动，实现腔调谐；

测量部分，有一个固定在待测物体上的第二驱动部件(9)，在所述第二驱动部件(9)上固定一个反射镜，所述反射镜被驱动沿着激光器主光束出射的方向运动，使入射到待测物体上的两束正交的偏振光被反射回激光器谐振腔分别与腔内的两束正交的偏振光混合，引起两束正交的偏振光各自的光强波动；

信号处理部分，包括：

Wollaston棱镜，位于尾光输出镜的光输出侧，用于将两束正交的偏振光分开；

两个光电探测器，位于Wollaston棱镜的光输出侧，用来检测Wollaston棱镜所分开的两束正交的偏振光光强的变化；

信号处理装置，为具有信号采集，分析以及显示功能的计算机，用于对上述光电探测器接受的信号进行处理，求得光强调制深度以计算出待测物体距离光源的距离。

2、如权利要求1所述的基于Zeeman-双折射双频激光器的光回馈测距仪，其特征在于，所述机械式应力施加装置是镶有螺钉的加力环。

3、如权利要求1所述的基于Zeeman-双折射双频激光器的光回馈测距仪，其特征在于，所述横向磁场发生器是两块永久磁铁。

4、如权利要求1所述的基于Zeeman-双折射双频激光器的光回馈测距仪，其特征在于，所述的第一驱动部件(7)和第二驱动部件(9)均是压电陶瓷。

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