CN202196172U - 一种激光测距综合实验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于激光测距领域，公开了一种激光测距综合实验仪，包括半导体激光器，偏振分束器、电光调制装置、平面镜、光功率计、双踪示波器、主控单元和光电倍增管；沿所述半导体激光器输出的激光的方向依次设置第一偏振分束器、电光调制装置、第二偏振分束器和平面镜；所述光功率计相对第二偏振分束器的侧面设置；所述光电倍增管相对第一偏振分束器的侧面设置；所述半导体激光器、电光调制装置和光功率计与主控单元连接；所述示波器与光电倍增管连接。本实用新型的主要部件安装于实验箱内，实现了仪器的小型化和便携化。本实用新型改善了激光仪器的可调节性，可以观察电光偏转现象和电光调制通信现象。

Description

一种激光测距综合实验仪

技术领域

本实用新型涉及光电子通讯技术领域的实验仪器，具体涉及一种激光测距综合实验仪。 

背景技术

激光测距是当前工程建设领域一项重要的技术之一，在建筑施工、交通事故处理等方面有重要的应用。 

激光测距与光速测量实验方法研究（王勋、赵振明、王春雨；仪器仪表用户，vol16，No.3,pp10-11）提出了一种连续激光相位测距的方法。相位激光测距通过测量高频调制相位差来实现测距，利用调制器将光源发出的连续光调制为调制光射向目标。调制光的光强随时间作周期性变换，采用正弦波调制，测定光波往返过程中的正弦波周期数，就可以确定光波的往返时间，从而确定待测距离。该现有技术的激光测距主要过程依赖于电路系统来实现，因而光学现象不明显。 

名称为电光调制激光测距方法及其装置的专利（CN1624492A）公开了一种电光调制激光测距方法和装置。其装置构成包括一台准直连续激光器，偏振分束器、单轴电光调制晶体、偏振检偏器等。该方法利用激光的偏振特性作为待测距离信息的载体，在单轴电光调制晶体上平行于光轴方向加半波电压，将往返于电光调制晶体和待测物体之间的光束作为一定脉宽的激光脉冲，通过测量脉冲的时间宽度t即可计算得到电光调制晶体和待测物体之间的距离。由于其光路中各个元件为不保留空隙的相互紧贴放置降低了其可调节性，同样降低了将其用于学生实验项目时所能达到的教学效果。 

此外，上述现有技术激光测距实验仪所能实现的实验项目较为单一。本实用新型克服了上述现有技术激光测距实验仪的缺点，提出了一种电光调制激光测距系统，能够使得光学现象更为明显。并且本实用新型激光测距实验仪能够增加激光仪器的可调节性，可以观察电光偏转现象和电光调制通信现象。本实用新型可作为高等院校教学仪器，能够实施光电子专业、光通讯专业多个实验项目，可用于学生的实验室实验及教师的课堂演示，增强学生对晶体光学、偏振光学等内容的理解。 

实用新型内容

本实用新型提供一种激光测距综合实验仪，其特征在于，包括半导体激光器，偏振分束器、电光调制装置、平面镜、光功率计、双踪示波器、主控单元和光电倍增管。其中，沿所述半导体激光器输出的激光的方向依次设置第一偏振分束器、电光调制装置、第二偏振分束器和平面镜；所述光功率计相对第二偏振分束器的侧面设置；所述光电倍增管相对第一偏振分束器的侧面设置；所述半导体激光器、电光调制装置和光功率计分别与主控单元连接；所述双踪示波器与光电倍增管连接。 

其中，所述半导体激光器设置在调节支架上；所述调节支架实现对半导体激光器的旋转及俯仰角度的调节。 

其中，所述偏振分束器设置在调节支架上；所述调节支架实现对偏振分束器的旋转及俯仰角度的调节；所述偏振分束器的轴线与所述激光平行，偏振分束器的两端设置有轴向透光孔，偏振分束器的侧面设置有侧向透光孔。 

其中，所述光功率计正对第二偏振分束器的侧面上的侧向透光孔设置；所述光电倍增管正对第一偏振分束器的侧面上的侧向透光孔设置。 

其中，所述电光调制装置包括电光调制晶体和一对电极片，所述一对电极片设置在所述电光调制晶体与所述激光平行的相对的两个表面上。 

其中，所述主控单元包括激光器电源、调制信号发生器、光功率计电路和高压直流电源。所述激光器电源与半导体激光器连接；所述光功率计电路与光功率计连接；所述调制信号发生器、高压直流电源与电极片连接。 

双踪示波器还可以通过实验仪后面板“高压方波监控”连接至高压直流电源，在激光测距时监控方波信号；双踪示波器也可以通过实验仪后面板的“调制监视”、“解调监视”连接至调制信号发生器，在演示电光通信时监控调制信号和解调信号。 

本实用新型激光测距综合实验仪除平面镜、双踪示波器和光电倍增管外的所有组件，包括半导体激光器、偏振分束器、电光调制装置、光功率计以及主控单元均安装在实验箱内，实现了仪器的小型化和便携化，便于实验室管理和教师课堂演示。 

本实用新型激光测距综合实验仪以现有技术为基础，增加设置了光通信演示电路和光功率计控制电路，使得本实用新型在实现激光测距实验的同时能够用于电光调制和光电通信实验。 

本实用新型的所有光学元件通过支架安装在实验箱的操作平台上，均可绕光轴方向360°旋转，且二维可调。增加了实验的可操作性，提高了激光测距综合实验仪用于学生实验项目时所能达到的教学效果。 

附图说明

图1是本实用新型激光测距综合实验仪结构示意图。 

图2是本实用新型激光测距综合实验仪中半导体激光器的结构示意图。其中，图2(a)是半导体激光器的正视图，图2(b)是半导体激光器的侧视图。 

图3是本实用新型激光测距综合实验仪中偏振分束器的结构示意图。其中，图3(a)是偏振分束器的正视图，图3(b) 是偏振分束器的侧视图。 

图4是本实用新型激光测距综合实验仪中电光调制装置的结构示意图。其中，图4(a)是电光调制装置的正视图，图4(b) 是电光调制装置的侧视图。 

图5是本实用新型激光测距综合实验仪中电光调制装置的电光调制晶体在施加电压后x轴旋转情况示意图。 

图6是本实用新型激光测距综合实验仪的实验箱正面操作面板示意图。 

图7是本实用新型激光测距综合实验仪的实验箱后面板示意图。 

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。 

如图1-7所示，1-半导体激光器，2-偏振分束器，3-电光调制晶体，4-电极片，5-偏振分束器，6-平面镜，7-光功率计，8-双踪示波器，9-主控单元，10-光电倍增管，1-1 –角度盘，1-2 –标度线，1-3–俯仰螺丝，1-4 –水平螺丝，1-5 –调节支架，2-1 –轴向透光孔，2-2 –格兰棱镜盖，2-3–角度盘，2-4 –标度尺，2-5 –俯仰螺丝，2-6 –二维调节架，2-7 –水平螺丝，2-8 -侧向透光孔，3-1 –绝缘层，3-2 –角度盘，3-3 –标度线，3-4 –可调支架，3-5 –电极片的外接线柱，9-1 –激光器电源，9-2 –调制信号发生器，9-3 –光功率计电路，9-4 –连续可调的高压直流电源。 

本实用新型提出一种激光测距综合实验仪，其特征在于，包括半导体激光器1，偏振分束器2、5，电光调制装置，平面镜6，光功率计7，双踪示波器8，主控单元9和光电倍增管10；沿半导体激光器1输出的激光的方向依次设置偏振分束器2、电光调制装置、偏振分束器5和平面镜6；电光调制装置中的电光调制晶体3上装有一对电极片4；光功率计7正对偏振分束器5的侧向透光孔2-8设置；光电倍增管10正对偏振分束器2的侧向透光孔2-8设置；半导体激光器1、电极片4、光功率计7分别与主控单元9连接；双踪示波器8与光电倍增管10连接。 

如图2，半导体激光器1固定在二维调节支架上。半导体激光器1可以绕其自身轴线转动，并通过角度盘1-1和标度线1-2确定旋转的角度。通过调整俯仰螺丝1-3、水平螺丝1-4，可以调整半导体激光器1的输出激光光线的方向。 

如图3，偏振分束器2、5中包括格兰棱镜,格兰棱镜外设置有格兰棱镜盖2-2。格兰棱镜上有轴向透光孔2-1和侧向透光孔2-8，并设置在带有360°角度盘2-3的二维调节支架2-6上，转过的角度由标度线2-4确定，格兰棱镜的角度由俯仰螺丝2-5和水平螺丝2-7调整。在本实用新型使用过程中，需要通过旋转棱镜调整其偏振轴。 

如图4所示，电光调制装置包括具有横向电光调制性能的单轴电光调制晶体3，其形状是长方体，几何尺寸为a×b×c，且c＞a=b，其中c即为电光调制装置的c轴方向。光束B垂直入射a×b面，沿c的方向传播。在电光调制装置的两个b×c表面覆盖有电极片4，电极片4的外接线柱为3-5。电光调制装置及其电极片4由绝缘层3-1包裹为一个整体，且置于可调支架3-4上，电光调制晶体3可以绕轴线旋转，其转过的角度由角度盘3-2和标度线3-3确定。 

主控单元9包括激光器电源9-1、调制信号发生器9-2、光功率计电路9-3和连续可调的高压直流电源9-4。激光器电源9-1与半导体激光器1连接；光功率计电路9-3与光功率计7连接；调制信号发生器9-2与高压直流电源9-4均与电极片4连接。 

本实用新型激光测距综合实验仪的主要组成部件，比如半导体激光器（1）、偏振分束器（2、5）、电光调制装置、光功率计（7）、主控单元（9），均通过支架安装在实验箱的操作平台上。 

如图1，偏振分束器2有两方面作用：第一，将半导体激光器1发射出的原始出射光A变为偏振方向和起偏分束器2起偏方向平行的线偏振光B；第二，当由待测物体反射回来的线偏振光H偏振方向和起偏分束器2起偏方向垂直时，将回光H由棱镜的侧向出光孔2-8反射偏离出原光路，以便光电倍增管10接收。 

所述电光调制装置放置于偏振分束器2之后，由偏振分束器出射的光B垂直入射到电光调制晶体上3。在电光调制晶体3上没有加偏压时，电光调制晶体3的x轴方向不会改变，激光束穿过晶体后偏振方向不发生改变。在电光调制晶体3上施加偏压后，晶体的x轴在垂直z轴平面内旋转45°，如图5所示，因而垂直入射的光束B偏振方向与旋转后的x轴的夹角为45°，从而被分解为偏振方向相会垂直的两束光，该两束光穿过晶体将附加不同的位相改变，当所加电压值为： 

则两束光的相位差相差

，

称为半波电压。此时光束C偏振方向将垂直于光束B。

偏振分束器5将电光调制晶体3出射的光C分束为偏振方向相互垂直的两束光E和D。在电光调制实验中，当电光调制晶体3上缓慢从0加电压至

时，能够观察到其中一束光光强增加，另外一束光光强减弱，从而实现电光调制现象的观察。当电光调制晶体3上的电压从0直接跳到

，或从

直接跳回到0时，可以观察到光束的传播方向发生变化，原来传播方向的光束（D或E）成为一个脉冲。 

实施例1激光测距实验

本实施例中，将本实用新型操作面板上的实验模式选择开关打向“激光测距”。此时加在晶体上的高压信号为方波，幅值为半波电压。旋转偏振分束器2，使转过的角度为90°，此时偏振分束器起偏方向为水平方向，侧向出光孔水平向外；旋转电光调制晶体3，使转过的角度为45°；旋转偏振分束器5转过的角度为90°，此时偏振分束器5的检偏方向也为水平方向。将平面镜6置于待测位置，调整其俯仰，使偏振分光镜2的I方向有光出射，用光电倍增管10接收出射光，双踪示波器8的一个通道与光电倍增管10连接观察输出的信号。另一个通道连接至实验仪后面板的高压方波监控，观察电光调制晶体3上的方波信号。高压方波监控连接至高压直流电源9-4。

初始所加高压方波处于0电平，即电光调制晶体未加偏压时，激光束穿过电光调制晶体3后偏振方向不发生改变。出射光A经过偏振分束器2后变为偏振方向为水平方向的光束B，光束B能够依次经过电光调制晶体3、偏振分束器5后被平面镜6原路反射回去。反射光F的偏振方向仍为水平方向，并能通过偏振分束器5、电光调制晶体3反射回偏振分束器2。此时反射光H的偏振方向为水平方向，不与偏振分束器2的起偏方向垂直，侧向透光孔2-8没有光束射出，光电倍增管10没有电信号输出。 

当所加高压方波幅值为半波电压

后，晶体的x轴偏转45°，入射的线偏振光B在从晶体出射后，出射光C的偏振方向旋转90°，即为竖直方向。由于出射光C的偏振方向与偏振分束器5的起偏方向垂直，该光线将不能直接透过偏振分束器5。在加半波电压之前的光束E被中断，该中断的光束经平面镜6反射回原光路，再经电光调制晶体3后，偏振方向将变为竖直方向，与偏振分束器2的起偏方向垂直，从而从偏振分束器2的侧向透光孔2-8射出光路I，由光电倍增管10接收。光电倍增管10接收的波形将是一个矩形波，在双踪示波器8上测量其时间宽度t，则可以计算出待测距离为： 

例如：在实验中，在示波器上测得矩形的宽度t为90ns，光的传播速度c为299792458m/s，则仪器距平面镜6的距离L为13.5m。

利用本实用新型激光测距综合实验仪能够准确计算被测物体与实验仪之间的距离。 

实施例2 电光调制实验

本实施例中，将本实用新型操作面板上的实验模式选择开关打向“电光调制”。实验前先将光功率计7的输出调零。偏振分束器2的旋转角度为0°，则其起偏方向为竖直方向；将电光调制晶体3旋转315°；旋转偏振分束器5为270°，则检偏方向为水平方向，侧向透光孔2-8对准光功率计7。初始出射光A通过偏振分束器2后，出射光B的偏振方向为竖直方向，电光调制晶体3在不加偏压的情况下，出射光C与出射光B的偏振方向相同。当光束入射到偏振分束器5时，该光束的偏振方向与偏振分束器5的检偏方向垂直，因而光束直接沿垂直方向射出至光功率计7。打开“晶体偏压调节”按钮，并逐渐增大调制电压9-4，使得光束B在通过电光调制晶体3时，偏振方向发生改变。此时光功率计7上的光强逐渐变弱，记录光信号的值，则可以得到电光晶体的半波电压。

实施例3 电光通信演示

本实施例中，将本实用新型操作面板上的实验模式选择开关打向“电光调制”，将光功率计7的输出调零，偏振分束器2的旋转角度为0°，则其起偏方向为竖直方向；将电光调制晶体3旋转315°；旋转偏振分束器5为270°，则检偏方向为水平方向，侧向透光孔对准光功率计7。将音频信号（来自收音机、MP3或电脑的音频输出端）通过音频输出线与实验仪后面板的 “外调输入”直接相连，将音频播放器与实验仪后面板的“功率输出”相连。将双踪示波器8的两个通道输入端分别连接至实验仪后面板上的“调制监视”与“解调监视”。“外调输入”、“功率输出”和“调制监视”、“解调监视”均与控制单元9内的调制信号发生器9-2连接。

收音机、电脑等的音频输出端经电缆连接至“外调输入”，音频信号输入后经调制信号发生器9-2放大，同时与直流偏压加于电光调制晶体3两端，用于对激光进行调制，旋转实验仪面板上的“调制幅度”则可以调整调制信号的幅度，接收到调制后的电信号再在调制信号发生器9-2电路中进行解调为音频信号，并输出至音频播放器，旋转实验仪面板上的“解调幅度”则可以调节功率输出信号的幅度，“调制幅度”和“解调幅度”旋钮均与调制信号发生器9-2相连。 

打开“晶体偏压调节”并逐渐增大电压，同时将双踪示波器8两个输入端观察到波形相比较，或将音频播放器发出的声音和音频输入相比较，观察晶体偏压对电光通信的影响，验证电光通信的最佳工作点为

，此时音频信号可以无失真的传输。 

Claims (8)

1.一种激光测距综合实验仪，其特征在于，包括半导体激光器（1），偏振分束器（2、5）、电光调制装置、平面镜（6）、光功率计（7）、双踪示波器（8）、主控单元（9）和光电倍增管（10）；其中，沿所述半导体激光器（1）输出的激光的方向依次设置第一偏振分束器（2）、电光调制装置、第二偏振分束器（5）、平面镜（6）；所述光功率计（7）相对第二偏振分束器（5）的侧面设置；所述光电倍增管（10）相对第一偏振分束器（2）的侧面设置；所述半导体激光器（1）、电光调制装置和光功率计（7）分别与所述主控单元（9）连接；所述双踪示波器（8）与光电倍增管（10）连接。

2.如权利要求1所述激光测距综合实验仪，其特征在于，所述半导体激光器（1）设置在调节支架上；所述调节支架实现对半导体激光器（1）的旋转及俯仰角度的调节。

3.如权利要求1所述激光测距综合实验仪，其特征在于，所述偏振分束器（2、5）设置在调节支架上；所述调节支架实现对偏振分束器（2、5）的旋转及俯仰角度的调节；所述偏振分束器（2、5）的轴线与所述激光平行，偏振分束器（2、5）的两端设置有轴向透光孔（2-1），偏振分束器（2、5）的侧面设置有侧向透光孔（2-8）。

4.如权利要求3所述激光测距综合实验仪，其特征在于，所述光功率计（7）正对第二偏振分束器（5）的侧面上的侧向透光孔（2-8）设置；所述光电倍增管（10）正对第一偏振分束器（2）的侧面上的侧向透光孔（2-8）设置。

5.如权利要求1所述激光测距综合实验仪，其特征在于，所述电光调制装置包括电光调制晶体（3）和一对电极片（4），所述一对电极片（4）设置在所述电光调制晶体（3）与所述激光平行的相对的两个表面上。

6.如权利要求1所述激光测距综合实验仪，其特征在于，所述主控单元（9）包括激光器电源（9-1）、调制信号发生器（9-2）、光功率计电路（9-3）和高压直流电源（9-4）；所述激光器电源(9-1)与半导体激光器（1）连接；所述光功率计电路(9-3)与光功率计(7) 连接；所述调制信号发生器（9-2）、高压直流电源(9-4)与电极片(4)连接。

7.如权利要求1所述激光测距综合实验仪，其特征在于，所述半导体激光器（1）、偏振分束器（2、5）、电光调制装置、光功率计（7）、主控单元（9）安装在实验箱内。

8.如权利要求6所述激光测距综合实验仪，其特征在于，所述双踪示波器（8）还可以与高压直流电源（9-4）连接，或与调制信号发生器（9-2）连接。

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