專利名稱：位相正交雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光位移傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種位相正交雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光回饋，又稱激光自混合干涉，其基本原理是一個(gè)外部反射面將激光的輸出光反射回激光增益管，與激光器內(nèi)部的光場進(jìn)行自混合干涉，從而調(diào)制激光器的增益，使激光的輸出光強(qiáng)發(fā)生周期性變化，通過解調(diào)輸出光強(qiáng)就可以得到外部反射面的信息?；诩す饣仞伒奈灰茰y量系統(tǒng)只有一個(gè)光學(xué)通道，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易準(zhǔn)直、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)回饋方式的不同，激光回饋可以分為準(zhǔn)直外腔回饋和非準(zhǔn)直外腔回饋等。其中，準(zhǔn)直外腔回饋一般采用低反射率的回饋鏡，其光學(xué)細(xì)分較低，一般為λ /2，對于632. 8納米波長的氦氖激光器，位移測量的分辨率為316. 4納米。專利文獻(xiàn)“激光回饋納米位移測量裝置”(申請?zhí)?00510011258. 2)綜合利用非準(zhǔn)直外腔激光回饋、激光自混合干涉、激光偏振態(tài)跳變等多種激光物理現(xiàn)象，將一支普通的單頻激光器成功地改造成一支具有納米級(jí)分辨率的位移傳感器。這一發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)是一支全內(nèi)腔或半外腔He-Ne單頻激光器和一個(gè)高反射率的外部反射鏡，外部反射鏡固定在被測物體上，并與激光軸有一定的夾角。當(dāng)外部反射鏡，即被測物體移動(dòng)時(shí)，對激光強(qiáng)度變化的周期數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)位移測量；當(dāng)外部反射鏡，即被測物體運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)，利用激光的偏振態(tài)跳變可以實(shí)現(xiàn)對外部反射或被測物體位移的方向識(shí)別。該方法具有λ/80的光學(xué)細(xì)分，能夠達(dá)到7. 91納米的位移測量分辨率(對于632.8納米波長氦氖激光器，λ/80為7. 91 納米)。但是若要求分辨率進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)的位移測量，以單頻激光回饋的方法已無法達(dá)到。由于原理上的限制，單頻激光回饋的激光強(qiáng)度變化不具有余弦性，無法進(jìn)一步進(jìn)行電子細(xì)分，所以分辨率的提高受到制約。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述背景技術(shù)中提到的單頻激光回饋的激光強(qiáng)度變化不具有余弦性，無法進(jìn)一步進(jìn)行電子細(xì)分的不足，本發(fā)明提出了一種位相正交雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案是，位相正交雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括殼體及底座15內(nèi)壓電陶瓷1、高反射率反射鏡2、第二內(nèi)腔反射鏡3、石英晶體4、增透窗片5、激光增益管6、第一內(nèi)腔反射鏡7 ；殼體及底座15外偏振分光棱鏡8、第一光電探測器9、第二光電探測器10、濾波放大電路16、五細(xì)分電路17、復(fù)雜可編程邏輯器芯片及外圍電路18 ；殼體及底座15內(nèi)從左至右依次為壓電陶瓷1、高反射率反射鏡2、第二內(nèi)腔反射鏡 3、石英晶體4、增透窗片5、激光增益管6、第一內(nèi)腔反射鏡7 ；殼體及底座15外依次為偏振分光棱鏡8、第一光電探測器9和第二光電探測器10、濾波放大電路16、五細(xì)分電路17、復(fù)雜可編程邏輯器及外圍電路18 ；
所述石英晶體4用于產(chǎn)生頻率分裂，輸出雙頻激光；所述五細(xì)分電路17用于對信號(hào)進(jìn)行五細(xì)分，輸出兩路有90度位相差的方波信號(hào)；所述復(fù)雜可編程邏輯器及外圍電路18用于實(shí)現(xiàn)四細(xì)分，根據(jù)兩路90度位相差的方波信號(hào)的位相相對超前或滯后來判斷物體位移方向，并對位移的測量結(jié)果進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示。所述石英晶體4，其切割方向與晶軸平行，左右表面都鍍增透膜。所述高反射率反射鏡2的反射率大于90%。所述激光增益管6內(nèi)為氦He和氖Ne混合氣體。所述氦He、氖Ne混合氣體的比例為7 1。本發(fā)明提供了一種位相正交雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)，對氦氖激光器采用頻率分裂的方法使其產(chǎn)生雙頻激光回饋，經(jīng)過20倍電子細(xì)分后，系統(tǒng)分辨率可達(dá)亞納米量級(jí)。 該系統(tǒng)具有分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點(diǎn)。


圖1為位相正交雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)示意圖。圖2為90度位相差的回饋光強(qiáng)高階倍頻曲線圖；圖a為測量波形；圖b為時(shí)間軸展開波形(向右運(yùn)動(dòng))；圖c為時(shí)間軸展開波形 (向左運(yùn)動(dòng))。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，它包含半外腔He-Ne雙頻激光器、非準(zhǔn)直外腔回饋和信號(hào)探測與處理三部分1.半外腔He-Ne雙頻激光器，包括激光增益管6、增透窗片5、諧振腔(由第一內(nèi)腔反射鏡7和第二內(nèi)腔反射鏡3組成)、石英晶體4;2.非準(zhǔn)直外腔回饋，包括高反射率的反射鏡2和壓電陶瓷1 ；3.信號(hào)探測與處理部分，包括偏振分光棱鏡8、第一光電探測器9、第二光電探測器10、濾波放大電路16、五細(xì)分電路17、復(fù)雜可編程邏輯器芯片及外圍電路18。圖1中各組成及功能為壓電陶瓷1，在輸入電壓的作用下，推動(dòng)高反射率的反射鏡2沿激光軸線方向左、右移動(dòng)；高反射率的反射鏡2，為凹鏡，反射膜鍍在凹面，另一面不鍍膜，反射鏡的表面與激光束成一個(gè)夾角θ ；1和2組成了非準(zhǔn)直外腔回饋部分；第二內(nèi)腔反射鏡3，其反射率為99. 5%，反射膜鍍在該平面鏡的右表面，增透膜鍍在該平面鏡的左表面；石英晶體4，其切割方向與晶軸平行，左右表面都鍍增透膜，放置在3與5之間，用于產(chǎn)生頻率分裂形成雙頻激光輸出；增透窗片5，左右表面都鍍增透膜，封接在激光增益管6的左端；激光增益管6，內(nèi)充氦He、氖Ne混合氣體，比例為7 1 ；第一內(nèi)腔反射鏡7，為凹鏡， 它封接在激光增益管6的右端，其面向激光增益管6的凹面鍍反射膜，另外一面鍍增透膜； 該系統(tǒng)的3、4、5、6、7部分共同組成了半外腔的雙頻激光器，腔長為160毫米到200毫米，頻差的大小通過旋轉(zhuǎn)石英晶體4進(jìn)行調(diào)節(jié)；偏振分光棱鏡8，位于第一內(nèi)腔反射鏡7的右側(cè)， 把輸出的激光在空間分成兩路具有90度位相差的X向、Y向光強(qiáng)余弦分量；第一光電探測器9和第二光電探測器10位于偏振分光棱鏡8的右側(cè)，分別探測由偏振分光棱鏡8輸出的 X向和Y向兩個(gè)光強(qiáng)余弦分量；該系統(tǒng)的11、12、13、14部分都為支架，分別將6、4、3、1部分固定在殼體及底座15上；殼體及底座15，起到固定、保溫和熱平衡的作用；濾波放大電路 16，對第一光電探測器9和第二光電探測器10輸出的兩路余弦信號(hào)進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換、 放大及濾波處理，并對其中一路余弦信號(hào)進(jìn)行反向，形成三路有90度位相差的余弦光強(qiáng)信號(hào)；五細(xì)分電路17，對上述三路90度位相差的余弦信號(hào)進(jìn)行五細(xì)分，輸出兩路有90度位相差的方波信號(hào)；復(fù)雜可編程邏輯器芯片及外圍電路18，主要完成對數(shù)字信號(hào)的整形、濾波， 對上述兩路有90度位相差方波信號(hào)的邊沿進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)四細(xì)分，根據(jù)兩路方波信號(hào)的位相相對超前或滯后判斷物體位移方向，并對位移的測量結(jié)果進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示。本發(fā)明的原理為氦氖雙頻激光的非準(zhǔn)直外腔高階回饋，不但具有氦氖單頻激光非準(zhǔn)直外腔高階回饋的高階倍頻效應(yīng)(在外腔移動(dòng)λ/2時(shí)產(chǎn)生的激光強(qiáng)度的波動(dòng)頻率為普通回饋的幾到幾十倍，達(dá)到納米級(jí)的位移測量分辨率)，而且激光強(qiáng)度的波動(dòng)曲線為兩路有90度位相差的類余弦信號(hào)，這使信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步電子細(xì)分，達(dá)到亞納米級(jí)的位移測量分辨率，其基本原理如下由石英晶體頻率分裂產(chǎn)生的兩個(gè)正交偏振光ο光和e光，在光回饋的情況下，光場可以分為兩個(gè)部分。一是光束在激光內(nèi)腔往返一周后的內(nèi)腔傳播場，二是光束在外腔往返η 周后再耦合進(jìn)內(nèi)腔的傳播場。內(nèi)腔傳播場與外腔往返η周傳播場疊加形成自混合干涉，由于光在外腔經(jīng)過多次反射，回饋到腔內(nèi)的光已經(jīng)變的較弱(或加衰減片實(shí)現(xiàn))，在弱光回饋條件下正交偏振雙頻激光器的振蕩條件為TxV0eff exp[(g0 -a0)L]Qxp(ia0Tc) = 1 ⑴VlVeeff exp[(ge -ae)L]exp(iaeTc) = 1式中Γι為第一內(nèi)腔反射鏡的反射系數(shù)；r2為第二內(nèi)腔反射鏡的反射系數(shù)；r3為高反射率反射鏡的反射系數(shù)；α。和α e是ο光和e光的損耗；略和re》分別代表O光和e光的等效腔反射系數(shù)，r°eff = r2[l + f expOy7r)]和 4 = 〃2[1 + $^\口0/77)]，其中《=(1-廠2>3斤2代表光回饋因子，11為光在外腔往返的次數(shù)(定義為階次)；ω。和ω e是O光和e光的光學(xué)角頻率；L為內(nèi)腔長度；τ。= 2L/c是光束在內(nèi)腔往返一周的時(shí)間，c是真空中的光速。激光閾值增益的變化為AK = Stj-^1和八& = &-^，其中^1和^1是沒有光回饋時(shí)的激光閾值增益，可以由(1)式求出。歸一化的增益閾值的變化為AG。= Ag0L^P AGe =A&L。因?yàn)?ζ <<l，m&AGo=-ln(|re》|/r2) f'COS(>om")，AGe ζ ‘ οο8(ω6ητ),
其中ζ ‘是激光回饋因子。由于激光強(qiáng)度的變化比例于AG。和Δ&，所以在光回饋條件下，兩個(gè)正交偏振光的輸出強(qiáng)度可以表示為I0 = Ιο0+ζοοο8(ωοητ)(2)Ie = Ι60+ζ6οο8(ω6ητ)式中I0和Ie兩個(gè)正交偏振光的輸出強(qiáng)度；Io0和Ietl是無光回饋時(shí)兩個(gè)正交偏振光的輸出強(qiáng)度；ζ。和ζ e是激光回饋因子。(2)式表明有光回饋時(shí)，兩個(gè)正交偏振光的輸出強(qiáng)度均被調(diào)制，波形類似于余弦， 如果ο光和e光的初始光強(qiáng)相等，它們將具有相同的調(diào)制深度。為方便起見，將( 式改寫為
4πIo = Io0 + ζ。cos(—ηνο ) (3)
C
4π/e=/e0 + Ccos(—nvj)
C式中V。和Ve是ο光和e光的光學(xué)頻率；1為外腔長。(3)式表明當(dāng)外腔長1變化λ /2η時(shí)，兩個(gè)偏振光的強(qiáng)度都波動(dòng)一個(gè)周期，但它們之間存在一個(gè)位相差δ δ = 4πηΑνΙ Ic = 2πη—^~(4)
L Λ式中Δ ν = V0-Ve是兩個(gè)正交偏振光的頻差；η為回饋光的階次；A是激光縱模間隔。由(4)式知，當(dāng)激光器和外腔反射鏡的位置選定后，δ頻差由Δ ν決定，所以通過旋轉(zhuǎn)石英改變頻差就可以得到有90度位相差的雙頻條紋。測量時(shí)，高反射率反射鏡2在壓電陶瓷1的推動(dòng)下，沿激光軸線左右移動(dòng)時(shí)，第一光電探測器9、第二光電探測器10得到的激光強(qiáng)度曲線如圖加所示，為很密的高階倍頻條紋，其光學(xué)細(xì)分可達(dá)λ/60，兩個(gè)條紋的調(diào)制深度基本相同。圖2b和圖2c是圖加的時(shí)間軸展開波形，其中圖2b為壓電陶瓷1伸長高反射率反射鏡2向右運(yùn)動(dòng)時(shí)的曲線圖，PZT為壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓曲線，Ix和Iy為有90度位相差的雙頻曲線，Ix的相位滯后于Iy90度；圖 2c為壓電陶瓷1縮短高反射率反射鏡2向左運(yùn)動(dòng)時(shí)的曲線圖，PZT為壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓曲線，Ix和Iy為有90度位相差的雙頻曲線，Ix的相位超前于Iy90度。圖2b、圖2c中由Ix 和Iy組成的雙頻曲線稱之為位相正交雙頻納米條紋。利用該條紋的類余弦性用五細(xì)分電路 17和復(fù)雜可編程邏輯器芯片及外圍電路18將其20倍細(xì)分，對于氦氖激光器，細(xì)分后的分辨率可達(dá)0. 5納米；同時(shí)利用Ix和Iy的位相相對超前和滯后可以判別反射鏡2的位移方向。 該位移測量系統(tǒng)具有分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點(diǎn)。 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.位相正交雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括殼體及底座(15)內(nèi) 壓電陶瓷(1)、高反射率反射鏡O)、第二內(nèi)腔反射鏡(3)、石英晶體0)、增透窗片(5)、激光增益管(6)、第一內(nèi)腔反射鏡(7)；殼體及底座(15)外偏振分光棱鏡(8)、第一光電探測器(9)、第二光電探測器(10)、濾波放大電路(16)、五細(xì)分電路(17)、復(fù)雜可編程邏輯器芯片及外圍電路(18)；殼體及底座(15)內(nèi)從左至右依次為壓電陶瓷(1)、高反射率反射鏡O)、第二內(nèi)腔反射鏡(3)、石英晶體G)、增透窗片(5)、激光增益管(6)、第一內(nèi)腔反射鏡(7)；殼體及底座 (15)外依次為偏振分光棱鏡(8)、第一光電探測器(9)和第二光電探測器(10)、濾波放大電路(16)、五細(xì)分電路(17)、復(fù)雜可編程邏輯器及外圍電路(18)；所述石英晶體(4)用于產(chǎn)生頻率分裂，輸出雙頻激光；所述五細(xì)分電路(17)用于對信號(hào)進(jìn)行五細(xì)分，輸出兩路有90度位相差的方波信號(hào)；所述復(fù)雜可編程邏輯器及外圍電路(18)用于實(shí)現(xiàn)四細(xì)分，根據(jù)兩路90度位相差的方波信號(hào)的位相相對超前或滯后來判斷物體位移方向，并對位移的測量結(jié)果進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯 示。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述位相正交雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)，其特征是所述石英晶體，其切割方向與晶軸平行，左右表面都鍍增透膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述位相正交雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)，其特征是所述高反射率反射鏡O)的反射率大于90%。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述位相正交雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)，其特征是所述激光增益管(6)內(nèi)為氦He和氖Ne混合氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求書4所述位相正交雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)，其特征是所述氦He、 氖Ne混合氣體的比例為7 1。
全文摘要
本發(fā)明公開了激光位移傳感技術(shù)領(lǐng)域中的一種位相正交雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)引入五細(xì)分芯片對光強(qiáng)信號(hào)五細(xì)分后得到兩路有90度位相差的方波信號(hào)，對方波信號(hào)的邊沿進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)四細(xì)分，達(dá)到亞納米級(jí)的分辨率，并根據(jù)兩路方波信號(hào)位相的相對超前或滯后識(shí)別物體位移方向。該位移測量系統(tǒng)具有分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102155916SQ20111005000
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月2日
發(fā)明者張書練, 曾召利, 李巖 申請人:清華大學(xué)