專利名稱：一種完全共路式微片激光器回饋干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微片激光器回饋干涉儀，特別是關(guān)于一種用于非配合目標(biāo)非接觸式精密位移測量的完全共路式微片激光器回饋干涉儀。
背景技術(shù)：
微片激光器具有極高的光回饋敏感度，把移頻光回饋系統(tǒng)和相位外差測量技術(shù)相結(jié)合可以實現(xiàn)高位移分辨率的運(yùn)動位移測量。普通微片激光器回饋干涉儀由于整個回饋外腔都屬于死程，空氣折射率波動，溫度變化引起的元器件變形以及激光器自身的不穩(wěn)定等因素都會導(dǎo)致回饋光的外腔相位發(fā)生漂移，嚴(yán)重影響位移測量的精度。為了消除普通微片激光器回饋干涉儀死程帶來的負(fù)面影響，提高回饋干涉儀的抗環(huán)境干擾能力，現(xiàn)有技術(shù)中有人提出在原有測量回饋光的基礎(chǔ)上，在移頻光回饋系統(tǒng)中增加一路參考回饋光，測量回饋光和參考回饋光呈準(zhǔn)共路關(guān)系，通過外差測相分別測量出測量回饋光的相位變化量和參考回饋光的相位變化量，二者之差即為待測物的位移變化量。但是利用準(zhǔn)共路式微片激光器回饋干涉儀對待測物進(jìn)行位移測量時，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)共路式微片激光器回饋干涉儀中設(shè)置的參考鏡是一個極其不穩(wěn)定的光學(xué)元件，它很大程度影響整個回饋干涉儀的工作穩(wěn)定性，而且在測量時，由于測量回饋光與參考回饋光之間的夾角很小，參考鏡在對測量回饋光和參考回饋光進(jìn)行選擇時，表現(xiàn)出很強(qiáng)的角度敏感度，即當(dāng)參考鏡的偏擺角或俯仰角發(fā)生微小變化時容易引起參考光信號和測量光信號發(fā)生串?dāng)_。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠有效消除參考鏡不穩(wěn)定和信號串?dāng)_現(xiàn)象且能夠進(jìn)一步提高微片激光器回饋干涉儀的工作穩(wěn)定性和抗環(huán)境干擾能力的完全共路式微片激光器回饋干涉儀。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種完全共路式微片激光器回饋干涉儀，其特征在于它包括一微片激光器，所述微片激光器的發(fā)射端軸線上設(shè)置有第一分光鏡，所述第一分光鏡的反射光路上設(shè)置有第一全反射鏡，所述第一全反射鏡反射光路上設(shè)置有第二全反射鏡，所述第二全反射鏡反射光路上依次設(shè)置有第一聲光移頻器、第二聲光移頻器和第二分光鏡，同時所述第二分光鏡在所述第一分光鏡的透射光路上，所述第二分光鏡透射光路上設(shè)置有一光電探測器；所述微片激光器發(fā)射的激光經(jīng)所述第一分光鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第一聲光移頻器、第二聲光移頻器和第二分光鏡構(gòu)成的環(huán)形光路一次回到所述微片激光器的諧振腔中對激光的輸出功率進(jìn)行調(diào)制形成參考回饋光；經(jīng)過環(huán)形回路一次的激光經(jīng)待測物反射再一次經(jīng)過環(huán)形光路回到所述微片激光器的諧振腔中對激光的輸出功率進(jìn)行調(diào)制形成測量回饋光。所述第一分光鏡與第一全反射鏡之間設(shè)置有一會聚透鏡。所述第一分光鏡與待測物之間設(shè)置有一會聚透鏡。它還包括一信號控制和處理系統(tǒng)，所述信號控制和處理系統(tǒng)包括第一正弦信號發(fā)生源、第二正弦信號發(fā)生源、參考電信號發(fā)生電路、第一相敏檢波器和第二相敏檢波器，其中，所述第一正弦信號發(fā)生源的輸出端連接所述第一聲光移頻器的輸入端，輸出頻率為Q1 的驅(qū)動信號；所述第二正弦信號發(fā)生源的輸出端連接所述第二聲光移頻器的輸入端，輸出頻率為ω2的驅(qū)動信號；所述參考電信號發(fā)生電路的兩個輸入端分別和所述第一正弦信號發(fā)生源和第二正弦信號發(fā)生源的頻率監(jiān)測端連接，輸出頻率為Ω和2Ω的兩路參考電信號，其中Ω = Q1-Q2，所述第一相敏檢波器的一輸入端連接所述光電探測器的一輸出端， 另一輸入端連接所述參考電信號發(fā)生電路的頻率為Ω的參考電信號的輸出端，輸出所述參考回饋光的外腔相位變化量；所述第二相敏檢波器的一輸入端連接所述光電探測器的另一輸出端，另一輸入端連接所述參考電信號發(fā)生電路的頻率為2Ω的測量電信號的輸出端，輸出所述測量回饋光的外腔相位變化量，所述第一相敏檢波器和第二相敏檢波器的輸出端分別連接到一計算機(jī)上。所述第一聲光移頻器發(fā)生+1級衍射的同時，所述第二聲光移頻器發(fā)生-1級衍射； 或所述第一聲光移頻器發(fā)生-1級衍射的同時，所述第二聲光移頻器發(fā)生+1級衍射，所述參考回饋光的移頻量為兩個聲光移頻器驅(qū)動頻率之差。所述微片激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述第一聲光移頻器和第二聲光移頻器的移頻量與所述微片激光器的弛豫振蕩頻率匹配。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明的光路傳播采用環(huán)形光路，環(huán)形光路中沒有設(shè)置參考鏡，參考光一次經(jīng)過環(huán)形光路，測量光兩次經(jīng)過環(huán)形光路， 分別返回微片激光器的諧振腔對激光輸出頻率進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而輸出不同頻率的參考回饋光和測量回饋光，因此從光學(xué)原理上徹底消除信號串?dāng)_和參考鏡不穩(wěn)定的問題，有效地減小了測量誤差。2、本發(fā)明的測量回饋光信號包含了待測物的位移和環(huán)境的漂移，參考回饋光信號的相位變化只反映環(huán)境的漂移，由于測量回饋光是兩次經(jīng)過第一聲光移頻器和第二聲光移頻器移頻，而參考回饋光是一次經(jīng)過第一聲光移頻器和第二聲光移頻器移頻，即測量回饋光的相位變化與兩倍參考回饋光相位變化之差可以準(zhǔn)確反映了待測物的位移變化量， 因此更有效地抑制環(huán)境干擾。3、本發(fā)明的環(huán)形光路中僅有一束光，測量回饋光和參考回饋光在空間上是完全共路的，即測量回饋光與參考回饋光完全重合，通過同時檢測測量回饋光和參考回饋光的外腔相位變化量，可以準(zhǔn)確測量出待測物的位移變化量不僅消除了死程誤差，而且進(jìn)一步提高了回饋干涉儀的精度和穩(wěn)定性。4、本發(fā)明利用外差測相獲得測量結(jié)果只與回饋信號的相位有關(guān)，而與信號的幅值無關(guān)，微片激光器自身功率的漂移不影響測量結(jié)果，因此進(jìn)一步提高了儀器的抗干擾能力。5、本發(fā)明由于采用環(huán)形光路，依次經(jīng)過第一聲光移頻器和第二聲光移頻器未經(jīng)衍射的光會被反射出環(huán)形光路，可以不用專門設(shè)置擋光板，因此使得結(jié)構(gòu)更加簡單。6、本發(fā)明的測量光直接由待測物進(jìn)行反射，由于待測物的反射率一般都比較小，在忽略二重及多重回饋的情況下，本發(fā)明只對待測物的一次反射的信號進(jìn)行測量，有效保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。本發(fā)明具有高靈敏度和高位移分辨力，因此可以廣泛應(yīng)用于非配合目標(biāo)非接觸式精密位移測量中。


圖1是本發(fā)明位移測量裝置原理示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明包括一微片激光器1，微片激光器1發(fā)射的激光沿環(huán)形光路 (loop)進(jìn)行傳播，環(huán)形光路中光學(xué)元件的具體設(shè)置如下微片激光器1的發(fā)射端軸線上設(shè)置有第一分光鏡2，第一分光鏡2的反射光路上依次設(shè)置有一會聚透鏡3和第一全反射鏡 4，第一全反射鏡4反射光路上設(shè)置有第二全反射鏡5，第二全反射鏡5反射光路上依次設(shè)置有第一聲光移頻器6、第二聲光移頻器7和第二分光鏡8，第二分光鏡8透射光路設(shè)置有一光電探測器9，其中第二分光鏡8同時在第一分光鏡2的透射光路上。上述實施例中，本發(fā)明還包括一信號控制和處理系統(tǒng)10，信號控制和處理系統(tǒng)10 包括第一正弦信號發(fā)生源101、第二正弦信號發(fā)生源102、參考電信號發(fā)生電路103、第一相敏檢波器104和第二相敏檢波器105。其中，第一正弦信號發(fā)生源101的輸出端連接第一聲光移頻器6的輸入端，輸出頻率為Q1的驅(qū)動信號；第二正弦信號發(fā)生源102的輸出端連接第二聲光移頻器7的輸入端，輸出頻率為Ω2的驅(qū)動信號；參考電信號發(fā)生電路103的兩個輸入端分別和第一正弦信號發(fā)生源101和第二正弦信號發(fā)生源102的頻率監(jiān)測端連接，輸出頻率為Ω和2Ω的兩路參考電信號，其中Ω = Q1-Q20第一相敏檢波器104的一輸入端連接光電探測器9的一輸出端，另一輸入端連接頻率為Ω的參考電信號的輸出端，輸出參考回饋光的外腔相位變化量；第二相敏檢波器105的一輸入端連接光電探測器9的另一輸出端，另一輸入端連接頻率為2 Ω的參考電信號的輸出端，輸出測量回饋光的外腔相位變化量，第一相敏檢波器104和第二相敏檢波器105的輸出端分別連接到一計算機(jī)106完成位移結(jié)果計算和顯示。上述各實施例中，由于待測物11的反射率比較小，會聚透鏡3主要是為了使發(fā)散的光會聚，因此還可以設(shè)置在第一分光鏡2和待測物11之間。上述各實施例中，當(dāng)激光經(jīng)過兩個聲光移頻器6、7移頻后并回饋到諧振腔引起激光頻率調(diào)制的頻率接近微片激光器1的弛豫振蕩時即激光經(jīng)過兩個聲光移頻器6、7的移頻量與微片激光器1的弛豫振蕩頻率匹配時，微片激光器1的動態(tài)特性對回饋光信號很高的靈敏度。例如微片激光器1的弛豫振蕩頻率為200ΚΗζ左右，第一聲光移頻器6的驅(qū)動頻率為70ΜΗΖ，第二聲光移頻器7的頻率為70. 4ΜΗΖ，兩者之差為40ΚΗΖ，參考光經(jīng)第一聲光移頻器6和第二聲光移頻器7后的移頻量為40ΚΗΖ，測量光由于兩次經(jīng)過第一聲光移頻器6和第二聲光移頻器7后移頻量為80ΚΗΖ，參考光和測量光的移頻量接近微片激光器1的諧振腔的弛豫振蕩頻率200ΚΗΖ，對激光輸出功率能夠進(jìn)行很好地調(diào)制，能對參考光和測量光進(jìn)行放大形成參考回饋光和測量回饋光。上述各實施例中，由于本發(fā)明的光路傳播采用環(huán)形光路，光在環(huán)形光路中傳播時， 在第一分光鏡2處會發(fā)生反射和透射，反射光和透射光會沿著不同的方向傳播，對待測物進(jìn)行位移測量時可以存在六種光路傳播路徑，光經(jīng)過這六種光路傳播路徑均可以返回到微片激光器1的諧振腔中對激光輸出頻率進(jìn)行調(diào)制構(gòu)成回饋光，六種光路傳播路徑如下表所示表1光的六種傳播路徑
權(quán)利要求
1.一種完全共路式微片激光器回饋干涉儀，其特征在于它包括一微片激光器，所述微片激光器的發(fā)射端軸線上設(shè)置有第一分光鏡，所述第一分光鏡的反射光路上設(shè)置有第一全反射鏡，所述第一全反射鏡反射光路上設(shè)置有第二全反射鏡，所述第二全反射鏡反射光路上依次設(shè)置有第一聲光移頻器、第二聲光移頻器和第二分光鏡，同時所述第二分光鏡在所述第一分光鏡的透射光路上，所述第二分光鏡透射光路上設(shè)置有一光電探測器；所述微片激光器發(fā)射的激光經(jīng)所述第一分光鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第一聲光移頻器、 第二聲光移頻器和第二分光鏡構(gòu)成的環(huán)形光路一次回到所述微片激光器的諧振腔中對激光的輸出功率進(jìn)行調(diào)制形成參考回饋光；經(jīng)過環(huán)形回路一次的激光經(jīng)待測物反射再一次經(jīng)過環(huán)形光路回到所述微片激光器的諧振腔中對激光的輸出功率進(jìn)行調(diào)制形成測量回饋光。
2.如權(quán)利要求1所述的一種完全共路式微片激光器回饋干涉儀，其特征在于所述第一分光鏡與第一全反射鏡之間設(shè)置有一會聚透鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的一種完全共路式微片激光器回饋干涉儀，其特征在于所述第一分光鏡與待測物之間設(shè)置有一會聚透鏡。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的一種完全共路式微片激光器回饋干涉儀，其特征在于它還包括一信號控制和處理系統(tǒng)，所述信號控制和處理系統(tǒng)包括第一正弦信號發(fā)生源、 第二正弦信號發(fā)生源、參考電信號發(fā)生電路、第一相敏檢波器和第二相敏檢波器，其中，所述第一正弦信號發(fā)生源的輸出端連接所述第一聲光移頻器的輸入端，輸出頻率為Q1的驅(qū)動信號；所述第二正弦信號發(fā)生源的輸出端連接所述第二聲光移頻器的輸入端，輸出頻率為Ω2的驅(qū)動信號；所述參考電信號發(fā)生電路的兩個輸入端分別和所述第一正弦信號發(fā)生源和第二正弦信號發(fā)生源的頻率監(jiān)測端連接，輸出頻率為Ω和2Ω的兩路參考電信號，其中Ω = Q1-Q2，所述第一相敏檢波器的一輸入端連接所述光電探測器的一輸出端，另一輸入端連接所述參考電信號發(fā)生電路的頻率為Ω的參考電信號的輸出端，輸出所述參考回饋光的外腔相位變化量；所述第二相敏檢波器的一輸入端連接所述光電探測器的另一輸出端，另一輸入端連接所述參考電信號發(fā)生電路的頻率為2Ω的測量電信號的輸出端，輸出所述測量回饋光的外腔相位變化量，所述第一相敏檢波器和第二相敏檢波器的輸出端分別連接到一計算機(jī)上。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的一種完全共路式微片激光器回饋干涉儀，其特征在于 所述第一聲光移頻器發(fā)生+1級衍射的同時，所述第二聲光移頻器發(fā)生-1級衍射；或所述第一聲光移頻器發(fā)生-1級衍射的同時，所述第二聲光移頻器發(fā)生+1級衍射，所述參考回饋光的移頻量為兩個聲光移頻器驅(qū)動頻率之差。
6.如權(quán)利要求4所述的一種完全共路式微片激光器回饋干涉儀，其特征在于所述第一聲光移頻器發(fā)生+1級衍射的同時，所述第二聲光移頻器發(fā)生-1級衍射；或所述第一聲光移頻器發(fā)生-1級衍射的同時，所述第二聲光移頻器發(fā)生+1級衍射，所述參考回饋光的移頻量為兩個聲光移頻器驅(qū)動頻率之差。
7.如權(quán)利要求1或2或3或6所述的一種完全共路式微片激光器回饋干涉儀，其特征在于所述微片激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述第一聲光移頻器和第二聲光移頻器的移頻量與所述微片激光器的弛豫振蕩頻率匹配。
8.如權(quán)利要求4所述的一種完全共路式微片激光器回饋干涉儀，其特征在于所述微片激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述第一聲光移頻器和第二聲光移頻器的移頻量與所述微片激光器的弛豫振蕩頻率匹配。
9.如權(quán)利要求5所述的一種完全共路式微片激光器回饋干涉儀，其特征在于所述微片激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述第一聲光移頻器和第二聲光移頻器的移頻量與所述微片激光器的弛豫振蕩頻率匹配。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種完全共路式微片激光器回饋干涉儀，其特征在于它包括一微片激光器，微片激光器的發(fā)射端軸線上設(shè)置有第一分光鏡，第一分光鏡的反射光路上設(shè)置有第一全反射鏡，第一全反射鏡反射光路上設(shè)置有第二全反射鏡，第二全反射鏡反射光路上依次設(shè)置有第一聲光移頻器、第二聲光移頻器和第二分光鏡，同時第二分光鏡在第一分光鏡的透射光路上，第二分光鏡透射光路上設(shè)置有一光電探測器；微片激光器發(fā)射的激光經(jīng)第一分光鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第一聲光移頻器、第二聲光移頻器和第二分光鏡構(gòu)成的環(huán)形光路一次回到微片激光器的諧振腔中對激光的輸出功率進(jìn)行調(diào)制形成參考回饋光；經(jīng)過環(huán)形回路一次的激光經(jīng)待測物反射再一次經(jīng)過環(huán)形光路回到微片激光器的諧振腔中對激光的輸出功率進(jìn)行調(diào)制形成測量回饋光。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于非配合目標(biāo)非接觸式精確位移測量中。
文檔編號G01B11/02GK102410809SQ20111027771
公開日2012年4月11日 申請日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者任舟, 張書練, 張松, 談宜東 申請人:清華大學(xué)