CN1603739A - 纳米激光器测尺及实现纳米测量的细分方法 - Google Patents

Abstract

纳米激光器测尺及其实现纳米测量的细分方法属于激光精密计量技术领域，其特征在于：它在以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统的基础上，增加一个可和待测物体共同改变腔长的精密的微位移压电传感器，即PZT。输出的正交偏振光经偏振分光镜分光后，投射到两支光电探测器上，并由其后续电路进行计大数、测小数处理，得到位移测量结果并输出。它在测量前，用输出等光强电的办法，消除了现有技术中起始脉冲的误差，再在大范围的位移测量过程中，对功率调谐曲线所经过的周期数计数，最后，用微位移压电传感器测量最后一个没有被校准的周期，即测小数，从而达到更高精度、更高分辨率。

Description

纳米激光器测尺及实现纳米测量的细分方法

技术领域

本发明属于基于激光的精密计量技术领域。

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)通过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，将一个激光纵模间隔，划分成4个宽度相等且具有不同偏振态的出光区域(o光区，o光e光共存区，e光区，无光区)，从而使得一支普通HeNe激光器变成了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)。

中国发明专利申请“以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统”(申请号：200310115540.6)使用一个“猫眼”来代替“位移自传感HeNe激光器系统”中的一个反射镜，完全克服了上一专利中因腔镜摆动造成的激光腔失调，将系统的测量范围提高到了十几个毫米(分辨率仍为79nm)并已仪器化。根据理论分析和实验验证，“猫眼”的使用完全能够使系统的测量范围达到30、40甚至50mm，但对于用户的更高要求(更高分辨率、更高精度)仍难以满足。系统测量误差主要来自两个方面：1、仪器的量化误差，“位移自传感HeNe激光器系统”原理上是通过偏振态的改变来测量的，每一次偏振态的改变代表位移变化79nm，这将造成在实际测量过程中，至少有头尾两个脉冲的误差(2×79nm＝158nm)。2、四区不均等造成的误差。严格地说，很难使“位移自传感HeNe激光器系统”的功率调谐曲线中的四个区分得完全均等，尤其，当测量范围变大时，纵模间隔随腔长的变化而有较大变化，而出光带宽因“猫眼腔”的极低失调特性而基本保持不变，此时四区不均等的状况将非常明显。例如，如果半内腔HeNe激光器的放电管长为100mm，且腔长可从110mm到140mm间变化，即系统的测量范围为30mm时，则激光器的纵模间隔相应的从1364MHz变到1071MHz。假设在腔长为140mm时，四区完全等，则在腔长等于110mm时，无光区将比其它三个区要宽；出光带宽只占据(3/4×1071)/1364个纵模间隔，故误差为3λ/8-0.59λ/2＝50.62nm，这也是一个相对较大的误差。

发明内容

本发明的目的是在“以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统”的基础上，利用系统可溯源到光波长的特性和自校准能力，采用计大数、测小数的方法，通过增加一个精密的微位移压电传感器，即PZT，和适当的控制电路对原有系统的分辨率进行更大程度的细分，以实现低成本，高性能(高分辨率，高精度，大范围)的纳米位移测量。

本发明所述的纳米激光器测尺，其特征在于：它含有：

可动测杆6，它的一端与待测位移的物体接触；

全外腔HeNe激光器，含有：

猫眼逆反镜7，它与可动测杆6的另一端相连；

与猫眼逆反镜7同光轴安装的激光器腔体，它含有增益管9以及沿光轴方向分别安装在增益管两侧的增透窗片8和10，其中增透窗片8或10的周边装有加力环，使其成为一个应力双折射元件，把单频激光变成具有两个正交偏振方向的双频激光；

凹面输出镜11位于增透窗片10一侧，输出上述两个频率的正交偏振光；

微位移压电传感器12，粘接于凹面输出镜11另一侧，可使凹面输出镜11沿光轴方向做细微移动；

石英管18，一侧有开口，供可动测杆6滑移，另一侧的开口则与微位移压电传感器12粘连；

偏振分光镜13，位于石英管18一端的外侧，分离自凹面输出镜11输出的共束的两正交偏振光；

两个光电探测器14，接收偏振分光镜13分开的两束不同频率的正交偏振光；

信号处理电路15，它的两个输入端分别与两个光电探测器14的信号输出相连；

高压放大器16，它与信号处理电路15互连；

显示设备17，它与信号处理电路15相连。

本发明所述的纳米激光器测尺，其特征还在于：它含有：

可动测杆6，它的一端与待测位移的物体接触，另一端同微位移压电传感器12相连；

半内腔HeNe激光器含有：

猫眼逆反镜7，它与微位移压电传感器12相粘连，并可在其作用下作细微的移动；

与猫眼逆反镜7同光轴安装的激光管腔体，它含有增益管9以及沿光轴方向分别安装在增益管9两侧的增透窗片8和凹面输出镜11，其中增透窗片8位于猫眼逆反镜7的一侧；

晶体石英19，同光轴地位于猫眼逆反镜7与增透窗片8之间，它把单频激光变成具有两个频率的正交偏振光，并从凹面输出镜11处输出；

上端开口的平板支架20，一侧有开口，与可动测杆6滑动连接，另一侧也有开口并与凹面输出镜11相连，同时，平板支架的内底面分别固连着晶体石英19与增益管9；

偏振分光镜13，位于凹面输出镜11的出光侧，分离自凹面输出镜11输出的共束的两正交偏振光；

两个光电探测器14，接收偏振分光镜13分开的两束不同频率的正交偏振光；

信号处理电路15，它的两个输入端分别与两个光电探测器14的信号输出相连；

高压放大器16，它与信号处理电路15互连；

显示设备17，它与信号处理电路15相连。

本发明所述的纳米激光器测尺，其中信号处理电路，其特征在于：所述的信号处理电路(15)含有：

电流/电压转换器，即I/V转换器，它的两输入端分别接收来自两个光电探测器14的输出的光电流信号；

前置放大和滤波器，它的两个输入端分别同I/V转换器的两个输出端相连；

依次连接的减法器、过零比较器以及边缘检测与整形电路，其中，减法器的两输入端分别与前置放大和滤波器的o光、e光功率调谐信号输出端相连；

依次串接的隔离放大器、滞回比较器以及判向电路，其中隔离放大器的两个输入端分别与前置放大和滤波器的o光、e光功率调谐信号输出端相连，滞回比较器的比较信号输入端与一个电阻分压电路的可调电压输出端相连，

与门，它的两个输入端分别与滞回比较器的一输出端及边缘检测和整形电路的对应于高、低等光强点的正向脉冲输出端相连；

多位十进制加减计数器，它的计数控制信号输入端与判向电路的输出端相连，它的计数信号输入端和与门的高等光强点脉冲输出端相连；

单片机，它的中断触发端INT反向经过一个反相器后和与门的高等光强点脉冲输出端相连，它的清零信号输出端与多位十进制加减可逆计数器的相应输入端相连，它的8位计数信号输入端与多位十进制加减计数器的相应输出端相连；它的12位数字线性驱动电压信号输出端经D/A转换后与高压放大器的驱动信号输入端相连。它的另外一些输出端作为数码显示的输入。

本发明所述的基于纳米激光器测尺而提出的实现纳米测量的细分方法，其特征在于：它依次含有如下步骤：

第1步：

清零，信号处理电路15输出线性电压驱动微位移压电传感器12，改变激光器的腔长，直到两偏振光处于高等光强状态；此时，使计数器、显示器清零，并记录当前加于微位移压电传感器12上的电压值U₁；

第2步：

计大数，此时，单片机不断读取多位十进制加减计数器中记录的高等光强点脉冲的个数，再乘以λ/2得到大数值，λ为光波波长；

第3步：

单片机判断是否处于等光强点状态：

若是，则结束测量；

若否，则改变D/A转换器的输出值，进入测小数阶段，直至等光强点出现，并记录当前加在微位移压电传感器12上的电压值U₂；

第4步：

把上述由微位移压电传感器上电压改变量U₂-U₁得到的小数位移值同计大数得到的大数值相叠加，得到最终位移测量结果

本方法在“以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统”的基础上，增加的微位移压电传感器，即PZT，和待测物体共同改变腔长。输出的正交偏振光束经偏振分光镜分光后，继而投射到两支光电探测器上，并由后续电路进行计大数、测小数处理，得到位移测量结果并输出。测量前，PZT先改变腔长，使系统处于功率调谐曲线的起始状态(输出高等光强点)，消除了以前专利中起始第1个脉冲的误差(79nm)。然后在大范围内的位移测量中，对功率调谐曲线所经过的周期数计数(计大数)，最后用PZT测最后一个没有被校准的周期(测小数)，从而可达到更高精度、更高分辨率(10～20nm)。

附图说明

图1、同一增益管时，不同腔长的功率调谐曲线对比。

图2、使“纳米激光器测尺”实现纳米位移测量的细分方法的实施例一(全外腔结构)

图3、使“纳米激光器测尺”实现纳米位移测量的细分方法的实施例二(半内腔结构)

图4、使“纳米激光器测尺”实现纳米位移测量的细分方法中采用的电路框图。

图5、使“纳米激光器测尺”实现纳米位移测量的细分方法中测量过程流程图。

具体实施方式：

本发明是基于激光频率每变化一个纵模间隔，腔长变化λ/2原理上，通过利用系统的自校准的特性，以达到计大数、测小数的目的，即整数个λ/2的位移通过脉冲计数，不足半个波长的位移利用微位移压电传感器，即PZT，来测量。其基本原理为：

在驻波激光器中，如专利ZL 199103514.3所述，激光的频率变化和腔长改变满足：

$\mathrm{dv}=-\frac{v}{L}\mathrm{dL},---\left(1\right)$

式中v为激光频率，L为腔长。通过频率分裂和模竞争，使功率调谐曲线中任一个纵模间隔(Δ)范围平均分成4等份，故可实现λ/8分辨率的可判向位移测量。但系统存在如下现实：随着腔长的改变量加剧，纵模间隔(Δ＝c/2L)必将随之改变，因出光带宽基本保持不变，必定出现如图1中a)和b)两种不同形式的功率调谐曲线。由于系统中HeNe激光实为一个正交偏振的双频激光器(腔中双折射元件)，所以图中1和2便分别为o光和e光形成的功率调谐曲线。由图可以发现1和2之间存在高等光强点3和低等光强点4，且由电平阈值5分出的四个区是不均等的，必将给测量结果带来误差。

但我们可以发现，不管四区均匀与否，曲线中任何相邻的一对高等光强点间，为一纵模间隔，对应的腔长变化为

$\mathrm{dL}=-\frac{L}{v}\mathrm{\Δ}=-\frac{L}{v}\×\frac{c}{2L}=-\mathrm{\λ}/2,---\left(2\right)$

式中c为光速。即“频率每改变一个纵模间隔(周期)，腔长改变λ/2”，这一点是恒成立的，也就为我们进行细分的基本立足点。另外系统中不需要稳频，上述两式中采用的是平均波长的概念。

本发明的特征在于：实现上述细分方法的“纳米激光器测尺”，由一支半内腔或全外腔HeNe激光器，腔内用于频率分裂的双折射元件，细微改变腔镜位置的微位移压电传感器，即PZT，腔外偏振分光棱镜，两个光电探测器和相应的测量电路及驱动PZT的高压放大器等构成。其特征在于：所述的半内腔或全外腔的激光器的一个或两个腔镜都可沿激光轴移动，腔长也随之改变。为了近一步提高系统测量的分辨率和精度，与前面专利不同的是：上述可动腔镜之一与PZT粘连，因电压改变，可在1～2μm的范围内移动，且同待测物体的位移共同控制腔长的改变。

所述的共同控制腔长为待测物体通过一测杆或直接接触腔镜，大范围的改变其位置，该腔镜每移动λ/2，系统便产生一个计数脉冲，实现计大数。而PZT则将最后不足λ/2的位移补充到λ/2，据施加的电压，实现精测。

所述微位移压电传感器，即PZT，由D/A转换器输出一线性的并经高压放大器放大的电压驱动，在一定电压范围内能够线性伸缩或经计算机程序补偿后能产生一线性位移。另外该PZT具有高分辨率的定位精度。

上述的高压放大器具有极高的稳定输出(长时间稳定和极低的温度漂移)，极好的电压精度和极佳的线性度。另外它能输出一个稳定的静态直流输出电压，同时随着D/A输出的改变，放大器的输出在一个以上述静态直流输出电压为中心的电压范围内线性变化，在该电压范围内，PZT具有良好的线性。

实施例1；(图2)

可动测杆6(同待测物体接触，因位移而移动)上的猫眼逆反镜7通过增透窗片8和10，同增益管9及凹面输出镜11构成一个全外腔的HeNe激光器。增透窗片8上的加力环使其成为一个应力双折射元件，将单频激光变成具有两个频率的正交偏振光并从11输出。凹面输出镜11粘连在一微位移压电传感器，即PZT，12上，可做细微移动。正交偏振光经偏振分光镜13分光后分别投射到两光电探测器14上。在电路15中，光信号转成电信号并被处理。在测量过程中15可送出一扫描信号经高压放大器16驱动PZT 12，同时将测量结果送17显示输出。除电路15，高压放大器16和显示设备17外，其它部件都封装于一石英管18中。

实施例2：(图3)

同例1，可动测杆6上的猫眼逆反镜7通过增透窗片8和增益管9及凹面输出镜11构成一个半内腔的HeNe激光器。与图2不同的是激光的频率分裂不是由应力双折射而是由晶体石英19造成。PZT 12不与凹面输出镜11相连而是粘连于测杆6和猫眼7之间。激光束同样经偏振分光器13分束后投射到光电探测器14上。电路15处理光信号、计算测量结果并送17显示输出。高压放大器16受15控制，以驱动PZT 12。除电路部分外，系统各部件安装于-平板支架20上。

对于电路15的具体框图可参见图4，系统流程图参见图5。采用上述两种实施结构预计分辨率可达10nm，测量范围为50mm。

图4：系统的电路框图。光信号经I/V转换、放大和滤波后于①处形成o光，e光的功率调谐曲线，两者相减后经过零比较，于②处形成跳变的方波信号，再经边缘检测与整形，每一个高、低等光强点便可于③处形成一个正向脉冲。同时功率调谐曲线和④处的比较电平比较形成高低电平，其一方面可送⑤处通过与门，作为高等光强点的选通信号，另一方面经判向电路产生一判向信号于⑥处控制计数器的加减计数。经与门选通后的高等光强点脉冲一则可作为计数器的计数脉冲，也可在⑦处成为单片机系统的外部中断信号，在清零阶段和测小数阶段，此信号可作为高等光强点到来的判断依据，否则一直改变D/A的输出，于⑧处输出放大后的电压以驱动PZT，直至⑦处出现中断信号为止。

本发明的方法依次含有以下步骤：

1.选择比较电平。计算机控制PZT，自动扫描腔长，并实时记录整个测量范围中各处功率调谐曲线中高、低等光强点的强度(零光强点也是低等光强点)。在界于所有高、低等光强点的电平之间选取一个中间电平值，作为测量电路的比较电平。这样，与“位移自传感HeNe激光器系统”一样，将功率调谐曲线分成4个具有不同偏振状态的区，以实现系统测量判向。

2.系统调零。开机热平衡后，触发清零按钮，系统通过D/A输出一线性电压(经高压放大器放大)驱动PZT以改变腔长，使激光器输出功率调谐曲线位于-高等光强时时停止。计数器清零，数码显示清零，测量准备结束。

3.计大数。待测物体因位移变化推动测杆改变腔长，激光器每输出一个高等光强点，电路产生一个脉冲。根据四区出现的顺序，将此脉冲送入可逆计数器实现加1或减1操作。

4.测小数。位移停止变化时，判断激光器输出的两偏振光是否处于高等光强点。否则根据位移方向线性加减PZT上电压，轻微推动腔镜，改变腔长，直到出现等光强点，记录电压的改变量。通过计算机的线性补偿，便可得到最后一个不足半个波长的精测位移量。

5.结果输出。将计大数和测小数两部分结果叠加，将最终结果输出。

图5：纳米激光器测尺位移测量细分方法中测量过程流程图。测量过程实分为三个子过程：清零，计大数和测小数。a)清零时程序输出线性电压驱动PZT改变腔长，使系统处于输出高等光强点状态。此时计数器清零，显示器清零，并计录当前PZT上电压值U₁。b)计大数时不断读取计数器中所记录的高等光强点脉冲的个数，乘以λ/2得到大数结果。c)计大数结束，判断是否处于高等光强点状态，如是，则测量结束，否则改变D/A输出实行测小数，直至等光强点出现，并记录当前电压值U₂。最后将两步结果叠加，得到最终位移结果。

Claims (4)

1.纳米激光器测尺，其特征在于，它含有：

可动测杆(6)，它的一端与待测位移的物体接触；

全外腔HeNe激光器，含有：

猫眼逆反镜(7)，它与可动测杆(6)的另一端相连；

与猫眼逆反镜(7)同光轴安装的激光器腔体，它含有增益管(9)以及沿光轴方向分别安装在增益管两侧的增透窗片(8)和(10)，其中增透窗片(8)或(10)的周边装有加力环，使其成为一个应力双折射元件，把单频激光变成具有两个正交偏振方向的双频激光；

凹面输出镜(11)位于增透窗片(10)一侧，输出上述两个频率的正交偏振光；

微位移压电传感器，即PZT，(12)，粘接于凹面输出镜(11)另一侧，可使凹面输出镜(11)沿光轴方向做细微移动；

石英管(18)，一侧有开口，供可动测杆(6)滑移，另一侧的开口则与微位移压电传感器，即PZT，(12)粘连；

偏振分光镜(13)，位于石英管(18)一端的外侧，分开自凹面输出镜(11)输出的共束的两正交偏振光；

两个光电探测器(14)，接收偏振分光镜(13)分开的两束不同频率的正交偏振光；

信号处理电路(15)，它的两个输入端分别与两个光电探测器(14)的信号输出相连；

高压放大器(16)，它与信号处理电路(15)互连；

显示设备(17)，它与信号处理电路(15)相连。

2.纳米激光器测尺，其特征在于，它含有：

可动测杆(6)，它的一端与待测位移的物体接触，另一端同微位移压电传感器，即PZT，(12)相连；

半内腔HeNe激光器含有：

猫眼逆反镜(7)，它与微位移压电传感器，即PZT，(12)相粘连，并可在其作用下作细微的移动；

与猫眼逆反镜(7)同光轴安装的激光管腔体，它含有增益管(9)以及沿光轴方向分别安装在增益管(9)两侧的增透窗片(8)和凹面输出镜(11)，其中增透窗片(8)位于猫眼逆反镜(7)的一侧；

晶体石英(19)，同光轴地位于猫眼逆反镜(7)与增透窗片(8)之间，它把单频激光变成具有两个频率的正交偏振光，并从凹面输出镜(11)处输出；

上端开口的平板支架(20)，一侧有开口，与可动测杆(6)滑动连接，另一侧也有开口并与凹面输出镜(11)相连，同时，平板支架的内底面分别固连着晶体石英(19)与增益管(9)；

偏振分光镜(13)，位于凹面输出镜(11)的出光侧，分离自凹面输出镜(11)输出的共束的两正交偏振光；

两个光电探测器(14)，接收偏振分光镜(13)分开的两束不同频率的正交偏振光；

信号处理电路(15)，它的两个输入端分别与两个光电探测器(14)的信号输出相连；

高压放大器(16)，它与信号处理电路(15)互连；

显示设备(17)，它与信号处理电路(15)相连。

3.权利要求1或2中的任何一项纳米激光器测尺，其特征在于，所述的信号处理电路(15)含有：

电流/电压转换器，即I/V转换器，它的两输入端分别接收来自两个光电探测器(14)的输出的光电流信号；

前置放大和滤波器，它的两个输入端分别同I/V转换器的两个输出端相连；

依次连接的减法器、过零比较器以及边缘检测与整形电路，其中，减法器的两输入端分别与前置放大和滤波器的o光、e光功率调谐信号输出端相连；

依次串接的隔离放大器、滞回比较器以及判向电路，其中隔离放大器的两个输入端分别与前置放大和滤波器的o光、e光功率调谐信号输出端相连，滞回比较器的比较信号输入端与一个电阻分压电路的可调电压输出端相连，

与门，它的两个输入端分别与滞回比较器的一输出端及边缘检测和整形电路的对应于高、低等光强点的正向脉冲输出端相连；

多位十进制加减计数器，它的计数控制信号输入端与判向电路的输出端相连，它的计数信号输入端和与门的高等光强点脉冲输出端相连；

单片机，它的中断触发端INT反向经过一个反相器后和与门的高等光强点脉冲输出端相连，它的清零信号输出端与多位十进制加减可逆计数器的相应输入端相连，它的8位计数信号输入端与多位十进制加减计数器的相应输出端相连；它的12位数字线性驱动电压信号输出端经D/A转换后与高压放大器的驱动信号输入端相连。它的另外一些输出端作为数码显示的输入。

4.基于权利1、3或2、3中的任何一项所述的纳米激光器测尺而提出的位移测量细分方法，其特征在于，它依次含有如下步骤：

第1步：

清零，信号处理电路(15)输出线性电压驱动微位移压电传感器，即PZT，(12)改变激光器的腔长，直到两偏振光处于高等光强状态；此时，使计数器、显示器清零，并记录当前加于微位移压电传感器，即PZT，(12)上的电压值U₁；

第2步：

计大数，此时，单片机不断读取多位十进制加减计数器中记录的高等光强点脉冲的个数，再乘以λ/2得到大数值，λ为光波波长；

第3步：

单片机判断是否处于等光强点状态：

若是，则结束测量；

若否，则改变D/A转换器的输出值，进入测小数阶段，直至等光强点出现，并记录当前加在微位移压电传感器，即PZT，(12)上的电压值U₂；

第4步：

把上述由微位移压电传感器，即PZT(12)上电压改变量U₂-U₁得到的小数位移值同计大数得到的大数值相叠加，得到最终位移测量结果。

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