CN1645036A - 基于双频激光器的自混合干涉位移传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于自混合干涉效应的位移传感器，属于激光位移测量领域，其特征在于：该位移传感器由光源，测量部分和信号处理3个部分组成，结构紧凑，仅有一个干涉通道。其系统光源使用的是双频激光器，在测量过程中，对双频激光器输出的两束正交的偏振光进行探测可以获得两路相位差为90度的余弦信号，对两路信号进行反相可获得另两路相位差为90度的余弦信号。上述四路余弦信号相位差依次为90度，该四路信号作为四倍频电路的输入信号可以实现电子细分，实现分辨率提高四倍，并且能够实现对待测物体移动方向的识别。本发明所设计的自混合干涉位移传感器是一种结构紧凑简单紧凑，分辨率和性价比高，并且易于实现物体移动方向识别的位移测量装置。

Description

基于双频激光器的自混合干涉位移传感器

技术领域

本发明属于激光测位移技术领域。

背景技术

激光位移传感器应用广泛，基于干涉的位移传感器有传统的干涉仪和自混合干涉仪等。对于传统的干涉仪例如双频激光干涉仪其技术成熟并且在计量和测量中应用广泛。但双频激光干涉仪结构复杂，准直性要求高，价格昂贵。自混合干涉位移测试技术的研究是80年开始兴起的，大部分的研究都集中于半导体激光器中的自混合干涉研究。该种位移测量装置光路系统只有一只激光器和一个外界反射物(例如一反射镜)。激光器输出的光被反射或散射后返回激光谐振腔，与腔内光混合引起激光器的功率变化，外部反射镜每移动半个光波波长的位移激光器功率变化一个条纹，条纹的波动深度与传统双光束干涉系统可比较。此时激光器功率条纹可直接用于计数而实现位移测量实现分辨率为半个波长。半导体激光器中的自混合干涉比较复杂，可以根据回馈系数C的不同而分为四种光回馈水平：很弱光回馈(C＜＜1)，弱光回馈(0.1＜C＜1)，中等光回馈(1＜C＜4.6)和强光回馈(C＞4.6)。在弱光回馈和中等光回馈水平下，半导体激光器的自混合干涉信号为非对称的类锯齿波形状，锯齿波的倾斜方向与外腔反射物的移动方向有关。同时考虑到每个周期类锯齿波对应外腔反射物半个波长的位移，因此不仅可以利用类锯齿波实现方向识别而且也可以实现位移的测量。但此时自混合干涉系统的分辨率仅为λ/2(λ为激光器的波长)，分辨率并不高。在中等光回馈水平下，自混合干涉信号会出现迟滞的现象，将给计数带来误差。相比之下，弱光回馈水平下能够有效的实现位移测量，但需要将激光器的回馈水平控制在弱光回馈水平。如果光回馈水平因外界反射物表面反射或散射性能的变差而使得激光器工作在很弱光回馈水平，系统将因自混合干涉信号为对称的正弦信号而不能实现判向。如果光回馈水平因外界反射物表面反射或散射性能的改善而使得激光器工作在中等光回馈水平，此时系统将因自混合干涉信号的迟滞现象而引起测量误差。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构紧凑，性价比高，无需控制光回馈水平的高分辨率的自混合干涉位移传感器。

本发明特征在于，它含有：

光源部分，它是一个双频激光器，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，反射率为99.8％，位于激光增益管轴向一侧；

增透窗片，位于激光增益管轴向另一侧；

机械式应力施加装置，它沿垂直于激光增益管轴的方向对增透窗片施加一个应力；

主光束输出镜，反射率为98％，位于增透窗片另一侧，输出两正交偏振光，即平行光和垂直光；

横向磁场发生器，它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；

测量部分，指的是外腔反射镜即待测物体；当外腔反射镜沿着激光器输出光的方向运动时，入射到它上面的两束正交的偏振光将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。由于两束正交的偏振光同存在于同一谐振腔，二者之间有一定的模竞争。模竞争使得两束正交的偏振光的功率曲线间有一定的相位差。实验结果表明，对于我们实验中所用的频差为6.7MHz的Zeeman-双折射双频激光器，其输出两束正交的偏振光的回馈曲线间相位差约为90度。

很弱光回馈水平下单纵模Zeeman-双折射双频激光器两束正交的偏振光的光强表示为：

                  I_∥＝I_∥0[1+mcos()]

                  I_⊥＝I_⊥0[1+mcos(+Δ)]

I_∥和I_⊥分别代表平行光和垂直光在光回馈存在时的光强，而I_∥0和I_⊥0则分别代表平行光和垂直光在无光回馈时的光强。m为光回馈的调制系数。＝4πl/λ为光束在外腔行进一个来回所引起的相位差，其中l为外腔长度。Δ为因两光间的模竞争而引起的相位差，对于本申请的系统Δ取π/2。由以上两式可知，外腔反射镜每移动半个波长的位移，上述两光各自光强变化一个余弦条纹，而且两条纹间有一个相位差，外腔在伸长时垂直光回馈曲线超前于平行光，而在外腔缩短时垂直光回馈曲线落后于平行光。两光回馈曲线因外腔反射镜移动方向不同而出现二者间超前或落后的关系可以实现判向。

信号处理部分，包括：

Wollaston棱镜，它位于尾光输出镜的另一侧，用于将两束正交的偏振光分开；

光电探测器，共两个，位于Wollaston棱镜另一侧，用来检测Wollaston棱镜所分开的两束正交的偏振光光强的变化；

微分器，共两个，用于将两光电探测器的电信号进行微分，去除信号中的直流分量，此时可以获得两路相位差为90度的余弦信号，设定这两路信号为sin()和cos()；

反相器，共两个，用于将被两微分器所微分的信号进行反相，此时获得另两路相位差为90度的余弦信号-sin()和-cos()；

四倍频电路，用于实现电子细分并对外界物体移动方向进行识别。四倍频电路的输入信号为微分器微分后所得的两路信号sin()和cos()以及反相器反相后所得的两路信号-sin()和-cos()。此四路信号相位差依次为90度，经四倍频电路处理后，可以实现系统分辨率提高四倍同时实现判向；

数字显示器，用于对四倍频电路的输出的脉冲信号进行加减计数，并对位移测量结果进行显示。

本发明提供了一种结构紧凑简单，性价比高，并且易于实现位移方向的判别的高分辨率的位移测量装置，见图2。

附图说明

图1为本发明所述自混合干涉位移传感器实施实例之一。

图2为本发明所述自混合干涉位移传感器实施实例之二。

图3为光回馈过程中两束正交的偏振光光强曲线图。

图4(a)为两束正交的偏振光光强曲线图；(b)为电子细分后的位移曲线图。

具体实施方式

本发明的实验装置(实例1)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。1-6六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。7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8驱动反射镜7沿着光线方向的移动。7和8两个元件组成了自混合干涉系统的外腔，腔长为310mm。激光器的尾光经Wollaston棱镜9分为两束正交的偏振光，两束正交的偏振光分别由探测器10和11进行探测，所得两光电信号由计算机12进行处理。计算机12通过软件编程的方式实现集信号采集、信号反相、信号微分、四倍频电路处理以及测量结果显示的功能。整个系统可以分为三部分：19为光源部分，20为测量部分即自混合干涉系统的外腔，21为信号处理部分。

本发明原理如下。很弱光回馈水平下单纵模Zeeman-双折射双频激光器两束正交的偏振光的光强表示为：

         I_∥＝I_∥0[1+mcos()]                       (1)

         I_⊥＝I_⊥0[1+mcos(+Δ)]                  (2)

I_∥和I_⊥分别代表平行光和垂直光在光回馈存在时的光强，而I_∥0和I_⊥0则分别代表平行光和垂直光在无光回馈时的光强。m为光回馈的调制系数。＝4πl/λ为光束在外腔行进一个来回所引起的相位差，其中l为外腔长度。Δ为因两光间的模竞争而引起的相位差，实验结果表明，对于频差为6.7MHz的单纵模Zeeman-双折射双频激光器在光回馈存在的条件下，两束正交的偏振光的光强曲线间相位差约为90度。因此对于本申请的系统Δ取π/2。

因此当将单纵模Zeeman-双折射双频激光器输出的两束正交的偏振光同时回馈回激光谐振腔后，可以直接获得有一定相位差的两光强曲线，例如图所示。图中上图为两束正交的偏振光光强曲线，圈点曲线为平行光回馈曲线而实点曲线图则为垂直光回馈曲线。图中下图为压电陶瓷的三角波驱动信号。

由以上两式可知，外腔反射镜每移动半个波长的位移，两光各自光强变化一个余弦条纹，而且两条纹间有一个相位差，外腔在伸长时垂直光回馈曲线超前于平行光，而在外腔缩短时垂直光回馈曲线落后于平行光。两光回馈曲线因外腔反射镜移动方向不同而出现二者间超前或落后的关系可以实现判向。

图中两光强信号由计算机12上的采集卡采集到计算机12中，通过对采集到的两路信号进行微分去除信号中的直流分量以获得两路相位差为90度的信号sin()和cos()，然后对微分后的信号反相以获得另两路相位差为90度的信号-sin()和-cos()。以上4路信号相位差依次相差90度，用四倍频电路的软件程序进行处理可以实现电子细分，实现系统分辨率提高四倍同时可以实现对外腔反射镜的移动方向的识别。

用四倍频电路的软件程序进行处理后的实验结果如图所示，图中(a)和(b)两图是同时获得的。图(a)为两束正交的偏振光光强曲线，图(a)上图为平行光光强曲线，图(a)下图为垂直光光强曲线。图(b)上图的三角波为压电陶瓷的驱动电压，图(b)下图为电子细分后所获得的位移曲线。由图(a)可见，随着压电陶瓷电压的上升，条纹由疏变密，这主要是由压电陶瓷8的非线性引起的。由式1和式2可知图中每个条纹对于外腔反射镜7半个波长的位移，在压电陶瓷电压8的整个上升过程中，总共有15个条纹产生，所对应的压电陶瓷8的伸长量为λ/2×15＝4746nm。但条纹计数法的分辨率比较低，只有λ/2，所以4746nm不够精确。而电子细分后，在压电陶瓷电压的整个上升过程中，总共有62个计数脉冲，每个脉冲对应λ/8，所以此时所对应的压电陶瓷8的伸长量为λ/8×62＝4904nm，相比于条纹计数法测量结果4746nm，4904nm更为精确。从图(b)所得的位移曲线可见，在压电陶瓷电压的整个上升过程中位移曲线开始变化缓慢，然后均匀变化，这与图(a)中条纹由疏变密相一致，都是由压电陶瓷8的非线性所致。图(b)位移曲线上升和下降过程中两曲线不能重合，这是由于压电陶瓷8的迟滞效应引起的。同时图(b)中位移曲线有两个最小值，二者都是0，说明本申请的位移传感器具有很好的归零特性。在不同外腔长的条件下，例如外腔长为285mm，335mm，360mm，385mm，410mm……535mm的条件下仍能获得图中的曲线，说明本申请位移传感器能够测量较大的位移范围。考虑到单纵模HeNe激光器有很好的干涉特性，原理上本位移传感器所能测量最大位移范围为单纵模HeNe激光器相干长度的一半。

本发明的实例2的结构示意图如

图2所示。1-11十一个元件与

图1中1-11十一个元件相同，故此处不再重复介绍。13和14为两微分器，用于将两光电探测器10和11所接收信号进行微分，去除信号中的直流分量，此时可以获得两路相位差为90度的余弦信号sin()和cos()。15和16为反相器，用于将被两微分器所微分的信号进行反相，此时获得另两路相位差为90度的余弦信号-sin()和-cos()。17为四倍频电路，用于实现电子细分和对外界物体移动方向进行识别。四倍频电路17的输入信号为微分器13和14微分后所得的两路信号sin()和cos()以及反相器15和16反相后所得的两路信号-sin()和-cos()。此四路信号相位差依次为90度，经四倍频电路17处理后，可以实现系统分辨率提高四倍同时可以判向。18为数字显示器，用于对四倍频电路17的输出的脉冲信号进行加减计数以显示位移测量结果。与图1中的实例1相比，实例2在信号处理部分使用硬件实现，可以提高信号处理速度，降低成本。

本发明所设计的自混合干涉位移传感器由光源，测量部分和信号处理3个部分组成。其系统光源使用的是双频激光器，在测量过程中，对双频激光器输出的两束正交的偏振光进行探测可以获得两路相位差为90度的余弦信号，该两路信号进行反相可获得另两路相位差为90度的余弦信号。相位差依次为90度的四路余弦信号作为四倍频电路的输入信号实现了电子细分，达到分辨率提高四倍，并且能够实现对待测物体移动方向的识别。本发明所设计的自混合干涉位移传感器是一种结构紧凑简单紧凑，分辨率和性价比高，并且易于实现物体移动方向识别的位移测量装置。

Claims (1)

1、基于双频激光器的自混合干涉位移传感器包括光源，测量和信号处理三个部分，其特征在于，它含有：

光源部分，它是一个单纵模Zeeman-双折射双频激光器，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，反射率为99.8％，位于激光增益管轴向一侧；

增透窗片，位于激光增益管轴向另一侧；

机械式应力施加装置，它沿垂直于激光增益管轴的方向对增透窗片施加一个应力；

主光束输出镜，反射率为98％，位于增透窗片另一侧，输出两正交偏振光，平行光和垂直光；

横向磁场发生器，它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；

测量部分，指的是外腔反射镜即待测物体；当外腔反射镜沿着激光器输出光的方向运动时，入射到它上面的两束正交的偏振光将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，而且两束正交的偏振光的功率曲线间有一定的相位差；

很弱光回馈水平下单纵模Zeeman-双折射双频激光器两束正交的偏振光的光强表示为：

                          I_//＝I_//0[1+mcos()]

                          I_＝I_0[1+mcos(+Δ)]

I_//和I_分别代表平行光和垂直光在光回馈存在时的光强，而I_//0和I_0则分别代表平行光和垂直光在无光回馈时的光强；m为光回馈的调制系数；＝4πl/λ为光束在外腔行进一个来回所引起的相位差，其中l为外腔长度；Δ为因两束光间的模竞争而引起的相位差，Δ取π/2：

信号处理部分，包括：

Wollaston棱镜，它位于尾光输出镜的另一侧，用于将两束正交的偏振光分开；

光电探测器，共两个，位于Wollaston棱镜另一侧，用来检测Wollaston棱镜所分开的两束正交的偏振光光强的变化；

微分器，共两个，用于将两光电探测器的电信号进行微分，获得两路相位差为90度的余弦信号，设定这两路信号为sin()和cos()；

反相器，共两个，将被两微分器所微分的信号进行反相，获得另两路相位差为90度的余弦信号-sin()和-cos()；

四倍频电路，实现电子细分并对外界物体移动方向进行识别；四倍频电路的输入信号为微分器微分后所得的两路信号sin()和cos()以及反相器反相后所得的两路信号-sin()和-cos()；此四路信号相位差依次为90度，输入四倍频电路进行电子细分；

数字显示器，用于对四倍频电路的输出的脉冲信号进行加减计数，并对位移测量结果进行显示。

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