CN1547293A

CN1547293A - 以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统

Info

Publication number: CN1547293A
Application number: CNA2003101155406A
Authority: CN
Inventors: 张书练; 杜文华; 李岩
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: CN1291531C

Abstract

以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统属于激光位移传感技术领域，其特征在于：应用一个由凸透镜和凹面镜构成，且凸透镜和凹面镜之间的间距又可调的猫眼代替半内腔激光器中的反射镜，所述的猫眼是与一个可在导轨上移动的测杆相连的；半内腔激光器中的双折射元件是一位于放电管一端口上，且左、右两通光面都镀有增透膜的增透窗片，在该窗片上还扣有一个加力环。激光器经过简单调整，就能轻松地实现纵模间隔和出光带宽之比为4∶3的目的，而且猫眼在移动过程中激光功率比较稳定，避免了激光腔的失调，保证了系统在大的测量范围内都能正常工作。

Description

以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统

技术领域

以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统属于激光位移传感技术领域。

背景技术

中国专利“位移自传感HeNe激光器系统及其实现方法”(ZL 199103514.3)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、激光功率调谐现象等，将一支普通HeNe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仪器。该方法具有λ/8的位移测量分辨率(对于波长为0.6328μm的HeNe激光器，λ/8为79nm)。这一发明的主体结构是一支普通的半内腔HeNe激光器，其两个反射腔镜之一作为动镜固连在一直线导轨(测杆)上以便可沿激光器光轴做轴向移动。该方法有广泛的潜在应用前景。但是，因其不能克服如下问题以至在仪器化的过程中遇到了困难。位移自传感HeNe激光器系统测量物体位移时，待测物体的位移是通过测杆的移动传递给激光器腔镜的。测杆在移动过程中会因其直线性误差和间隙而摆动，并带动激光器的腔镜摆动，从而造成光腔失谐(即两个腔镜的平行性被破坏)。因此，在测杆的移动中，激光器的输出光强极不稳定，忽大忽小、时强时弱，甚至常常停止出光。故已有位移自传感HeNe激光器的测量范围的大小具有偶然性。一个测次可能达到7mm，而下一个测次可能只有1mm。期望提高测杆的加工精度来解决这一问题也存在困难。比如：一个3cm长的测杆，3μm的轴—孔间隙带来的反射镜角度偏转为20秒，这一转角会破坏激光谐振腔的稳定性。其二是原专利装调困难。就系统的基本原理来说，必须同时做到：①控制纵模间隔与出光带宽之比(4∶3)，要达到此要求既要控制腔长又要实行衰减，非常麻烦，②激光器必须基横模运转。因此调整较为费时费力。

发明内容

本发明的目的是使用一个“猫眼”来代替位移自传感HeNe激光器的一个反射镜，使其实施大范围测量时仍能保持激光器输出光强的稳定。实现位移自传感HeNe激光器系统的仪器化，使其大范围推广应用。同时，使装调变得简便。

以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统，由一支半内腔激光器，置于激光腔内的双折射元件，置于激光输出镜一端光轴上的腔外偏振分光棱镜，和接收由棱镜分开的两束光的光电探测器及后续的信号处理和位移量显示单元等组成。该系统使用了一个“猫眼”充当激光腔的一个反射镜并与测杆固连在一起，被测物体位移是推动测杆移动，测杆又推动“猫眼”位移。“猫眼”的聚焦透镜和凹面镜之间的间距可调，从而可以控制激光器输出的横向模式。

本发明的特征在于：所述的激光反射镜是一与可在装有弹簧的导轨上移动的测杆固连于一起的猫眼；所述的猫眼由双面镀增透膜的凸面镜和镀有高反膜的凹面反射镜构成，而该凸透镜和凹面反射镜之间的间距是可调的。在由凸透镜和凹面反射镜构成的猫眼中，凹面反射镜紧固在测杆上，而凸透镜是固定在用于调节凸透镜和凹面反射镜之间间距的套筒上的；所述的双折射元件是由一位于放电管端口上且左、右两个通光面都镀有增透膜的增透窗片以及扣在该增透窗片周边的加力环构成的；所述测杆的导轨、放电管、凹面反射镜即凹面输出镜、分光镜即偏振分光棱镜以及光电检测器共同粘结在同一个圆筒上；所述的测杆的导轨、放电管、凹面输出镜、偏振分光棱镜以及光电探测器还可都固定在同一个平面支架上。

实验证明：首先，“猫眼腔”比传统的平凹腔更好调整，不必用测角仪或十字叉小孔就可调整腔镜的平行性，可使整个导轨移动范围内出光均匀。其次，适当调整“猫眼”中凸透镜和凹面镜之间的距离，很容易使激光器基横模运转。再者，沿光轴侧向平移“猫眼”，可控制激光器增益，轻松达到纵模间隔和出光带宽之比为4∶3的目的。

下面结合附图对本发明带来的效果做进一步说明。图5为光腔改变不同长度时的功率调谐曲线，实验数据表明“猫眼”在移动过程中光腔功率稳定。图6为用HP双频激光干涉仪和本发明中所说的“纳米激光器测尺”测量同一位移所得的对比实验结果。实验表明以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统的分辨率为79nm，线性度0.0047％，测量范围达12mm，最终成为了一个真正实用的仪器。

附图说明

图1.以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统的实施例一(圆柱结构)。

图2.以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统的实施例二(板式结构)。

图3.猫眼反射镜的原理图。

图4.以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统中猫眼反射镜的实施例。

图5.以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统中抗失调的效果图(不同腔长改变量下的功率调谐曲线)。

图6.以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统同HP双频激光干涉仪的对比实验结果。

具体实施方式

本发明所说的以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统的原理结构可参见图1。凹面输出镜01、激光增益管02及猫眼03(由凸透镜04和凹面反射05构成)组成一个半内腔的HeNe激光器。猫眼03固连于测杆06上。被测物07的左移，弹簧08使测杆06的右端与被测物07压紧，以保证被测物07的位移完全传递到猫眼03上。被测物07位移时推动测杆06，测杆06推动猫眼03移动，激光器腔长(即凹面输出镜01和凹面反射镜05之间的距离)改变。激光器增益管02右端有增透窗片09，它的左右两个通光面都镀有增透膜以减小光通过时的界面反射损耗。加力环10对增透窗片09施加一个力。力的作用使激光器内形成两频率不同、偏振态正交的光成分。从激光器左端输出的两正交偏振光束经偏振分光棱镜11分束后，分别入射到两光电探测器12、13上。随着被测物07，测杆06，猫眼03的位移变化，激光器输出光的偏振态发生周期性改变：平行光输出→平行光和垂直光都输出→垂直光输出→无光输出。随着待测物07发生位移过程中输出光偏振态周期性改变时，光电探测器12和13将被轮流照亮：12被照亮→12和13同时被照亮→13被照亮→12和13都不被照亮。每次改变意味着被测物07，测杆06，猫眼03发生了λ/8的位移。通过随后的信号处理电路14处理，便可在显示电路15中显示被测到的位移量。

下面对各图进行说明

图1.系统的圆柱结构中，测杆06的导轨16，激光增益管02，凹面输出镜01，偏振分光棱镜11，光电检测器12、13.共同固连于同一圆筒17(如石英管壳)上。

图2.板式结构与图1圆柱结构不同的是，测杆的导轨16、激光增益管02、凹面输出镜01、偏振分光棱镜11及光电检测器12、13可固定于一平面支架上18。此实施例中也可不采用应力双折射，代之的是另一双折射元件19(如石英晶体)。其它部件同图1。

图3.为本发明中所说猫眼原理图。光束入射到双面镀有增透膜的会聚透镜04上，出射后经镀有高反膜的凹面镜05反射，最后原方向返回，与入射角无关。04双面的曲率半径r、05的曲率半径R及04的焦距f相等，且两者之间的间距约等于f，但适当可调。

图4.猫眼反射镜应用于位移自传感HeNe激光系统中的的实施例。测杆06受导轨16支撑，06上左端装有猫眼03，其中凹面镜05紧固于06上，而会聚透镜04却由套筒20支撑，调节套筒20可改变04和05之间的间距。为保证测杆06和被测物体07的紧密接触，在测杆06和导轨16间设置了一压簧08。

图5.以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统在不同位移量时功率调谐曲线稳定性比较(通过在压电陶瓷上施加锯齿波调来谐腔长)。(a)没发生位移时的功率调谐曲线，(b)有位移为4mm时的功率调谐曲线，(c)位移为8mm时的功率调谐曲线，(d)位移为12mm时的功率调谐曲线。

图6.以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统同HP双频激光干涉仪的对比实验结果。利用本测量系统同HP干涉仪同时测量同一位移，该位移约以0.2mm步长变化。本系统计脉冲数，而干涉仪记录所测的位移量。最终以脉冲数为横坐标，位移量为纵坐标建立如图所示的数据曲线。

Claims

1.以猫眼作为腔镜的位移自传感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、置于放电管另一端的可移动激光反射镜组成的半内腔激光器，设置在该激光器腔内的双折射元件，设置在该激光器腔外光轴上激光输出镜一端的偏振分光镜以及接收并处理由该镜分出的两束偏振光的两个光电探测器、两个放大器及信号处理和位移量显示电路，其特征在于：所述的激光反射镜是一与可在装有弹簧的导轨上移动的测杆固连于一起的猫眼，所述的猫眼由双面镀增透膜的凸面镜和镀有高反膜的凹面反射镜构成，而且该凸透镜和凹面反射镜之间的间距是可调的。

2.根据权利要求书1所述的以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统，其特征在于：在由凸透镜和凹面反射镜构成的猫眼中，凹面反射镜紧固在测杆上，而凸透镜是固定在用于调节凸透镜和凹面反射镜之间间距的套筒上的。

3.根据权利要求1所述的以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统，其特征在于：所述的双折射元件是由位于放电管一端且左、右两个通光面都镀有增透膜的增透窗片以及扣在该增透窗片周边的加力环构成的。

4.根据权利要求1所述的以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统，其特征在于：所述测杆的导轨、放电管、凹面反射镜即凹面输出镜、分光镜即偏振分光棱镜以及光电探测器共同固连在同一个圆筒上。

5.根据权利要求1所述的以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统，其特征在于：所述的测杆的导轨、放电管、凹面输出镜、偏振分光棱镜以及光电探测器都固定在同一个平面支架上。