專利名稱：基于y型腔正交偏振激光器的位移測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于Y型腔正交偏振激光器的位移測量方法及裝置，屬于激光測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光位移傳感器在工業(yè)測量和計量領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，其中基于干涉現(xiàn)象的位移傳感器，如干涉式光纖位移傳感器、激光干涉儀等，具有測量范圍大、精度高、線性度好等特點，可以應(yīng)用于許多對測量精度要求高的場合。但是這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，體積大，不便于攜帶，準直性要求很高，各組成部分精度要求也高，維護起來比較困難，整個系統(tǒng)價格
曰蟲印貝。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有的位移測量方法和裝置的非線性、精度低、抗干擾能力差等不足，本發(fā)明提供一種基于Y型腔正交偏振激光器的高精度位移測量方法及裝置。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明的裝置，包括帶角錐棱鏡的半外腔Y型腔正交偏振激光器、導(dǎo)軌、工作點選擇與控制單元和信號采集與處理單元，其中，帶角錐棱鏡的Y型腔正交偏振激光器(100)中的角錐棱鏡(106)安裝在導(dǎo)軌(109)上，并與待測物體固連，當待測物體運動時，可隨待測物體沿導(dǎo)軌移動；工作點選擇與控制單元(200)接收Y型腔正交偏振激光器的S子段和P子段輸出的S偏振光和P偏振光，采用等光強的方法將兩偏振態(tài)縱模穩(wěn)定在增益曲線上關(guān)于中心頻率對稱的位置；它與Y型腔正交偏振激光器的氦氖放電管的陰極和陽極相連，為Y型腔正交偏振激光器的氦氖放電管提供泵浦電壓；它與Y型腔正交偏振激光器的第二壓電陶瓷相連接，通過調(diào)節(jié)第二壓電陶瓷的電壓，使得Y型腔正交偏振激光器中兩偏振光的頻差大于閉鎖閾值。信號采集與處理單元(300)與Y型腔正交偏振激光器的共用段相連接，接收Y型腔正交偏振激光器的輸出頻差，并進行濾波、計數(shù)、運算和顯示。其中，帶角錐棱鏡的半外腔Y型腔正交偏振激光器包括第一壓電陶瓷、第二壓電陶瓷、第一高反射率鏡片、第二高反射率鏡片、第三高反射率鏡片、角錐棱鏡、偏振分光膜、 氦氖放電管、共用段、S子段和P子段；共用段和S子段采用微晶玻璃材料和鉆孔工藝一體化加工；第一高反射率鏡片以光膠的方式貼在共用段的第一端面上，第一壓電陶瓷安裝在第一高反射率鏡片上；第二高反射率鏡片以光膠的方式貼在S子段的第一端面上；第二壓電陶瓷安裝在第二高反射率鏡片上；共用段和S子段的第二個端面共用；偏振分光膜鍍制在S子段和共用段的共用端面上。共用段內(nèi)傳播的S偏振光經(jīng)偏振分光膜反射后進入S子段。第一高反射率鏡片、第二高反射率鏡片、偏振分光膜構(gòu)成S偏振光的諧振腔，簡稱“S子腔”。共用段內(nèi)傳播的P 偏振光經(jīng)偏振分光膜后透射至角錐棱鏡上，再經(jīng)第三高反射率鏡片反射后沿原光路返回至第一高反射率鏡片。第一高反射率鏡片、偏振分光膜、角錐棱鏡和第三高反射率鏡片構(gòu)成P 偏振光的諧振腔，簡稱“P子腔”。其中，角錐棱鏡安裝在導(dǎo)軌上，并與待測物體固連。當待測物體運動時，角錐棱鏡隨待測物體沿導(dǎo)軌移動。氦氖放電管包括增益區(qū)、陰極和陽極，增益區(qū)置于共用段中，其內(nèi)充有氦氖混合氣體，氦氣和氖氣的氣壓比約為7 1。所述測量裝置的工作點是指Y型腔正交偏振激光器中縱模在其增益曲線上的相對位置。工作點選擇與控制單元包括第一光電探測器、第二光電探測器、工作點選擇和控制電路。第一光電探測器接收Y型腔正交偏振激光器S子段出射的S偏振光，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號。第二光電探測器接收Y型腔正交偏振激光器P子段出射的P偏振光，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號。工作點選擇和控制電路與Y型腔正交偏振激光器的陰極和陽極，為氦氖放電管提供泵浦電壓；它與第一光電探測器、第二光電探測器、第一壓電陶瓷相連，通過比較S偏振光和P偏振光的光強大小，采用等光強的方法，通過調(diào)節(jié)第一壓電陶瓷的電壓，使得S偏振光縱模和P偏振光縱模在增益曲線上關(guān)于中心頻率對稱；它與第二壓電陶瓷相連， 通過調(diào)節(jié)第二壓電陶瓷的電壓，使得Y型腔正交偏振激光器中兩偏振光的頻差大于閉鎖閾值。信號采集與處理單元包括偏振片、第三光電探測器、計數(shù)與信號處理電路。S偏振光和P偏振光沿著偏振片的偏振方向的分量產(chǎn)生拍頻。第三光電探測器將拍頻信號轉(zhuǎn)化為電壓信號后送入計數(shù)與信號處理電路中。計數(shù)與信號處理電路測量拍頻信號的頻率，并進行濾波、運算和顯示。本發(fā)明的基本工作過程如下當待測物體運動時，它帶動角錐棱鏡沿導(dǎo)軌移動，改變了 P子段的幾何長度，從而導(dǎo)致S子腔和P子腔光學(xué)長度差的變化，Y型腔正交偏振激光器中S偏振光和P偏振光的拍頻頻差也將發(fā)生變化，根據(jù)激光器的駐波條件，該拍頻頻差的變化值與待測物體的位移的大小成正比。本發(fā)明的有益效果是(一 )所述的位移測量方法和裝置，輸出信號為S偏振光和P偏振光的拍頻頻差， 為數(shù)字信號，可采用計數(shù)器直接讀出，信號讀出方法和設(shè)備簡單；( 二)所述的位移測量方法和裝置，利用角錐棱鏡折疊光路，將待測物體的位移大小轉(zhuǎn)化為諧振腔光學(xué)長度的變化，一方面降低了待測物體擺動對激光器失諧的影響，提高了測量裝置的穩(wěn)定性，另一方面通過折疊光路，使得測量裝置的比例因子提高到原來的兩倍；(三)所述的位移測量方法和裝置中，Y型腔正交偏振激光器中S偏振光和P偏振光共用增益區(qū)，兩偏振光的頻率差動產(chǎn)生的拍頻頻率基本消除了增益區(qū)的溫度變化對激光器頻差穩(wěn)定性的影響，因此Y型腔正交偏振激光器的頻差穩(wěn)定性較高，保證了所述的位移測量方法和裝置有較高的零偏穩(wěn)定性、較高的分辨率。


圖1為力和質(zhì)量測量裝置中帶角錐棱鏡的半外腔Y型腔正交偏振激光器的原理結(jié)構(gòu)圖；圖2為基于Y型腔正交偏振激光器的位移測量裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式在圖1中，帶角錐棱鏡的Y型腔正交偏振激光器100包括第一壓電陶瓷101、第二壓電陶瓷102、第一高反射率鏡片103、第二高反射率鏡片104、第三高反射率鏡片105、角錐棱鏡106、偏振分光膜107、氦氖放電管108、共用段110、S子段111和P子段112。氦氖放電管108包括增益區(qū)114、陰極113和陽極115，增益區(qū)114內(nèi)充有氦氖混合氣體，氦氣和氖氣的氣壓比約為7 1。共用段110和S子段111采用微晶玻璃材料一體化加工。第一高反射率鏡片103 以光膠的方式貼在共用段110的第一端面上，第一壓電陶瓷101固定在第一高反射率鏡片 103上。第二高反射率鏡片104以光膠的方式貼在S子段111的第一端面上。第二壓電陶瓷102固定在第二高反射率鏡片104上。共用段110和S子段111的第二端面共用，偏振分光膜107鍍制在S子段111的共用端面上。共用段內(nèi)S偏振光經(jīng)偏振分光膜107反射后進入S子段。第一高反射率鏡片103、第二高反射率鏡片104、偏振分光膜107構(gòu)成S偏振光的諧振腔，簡稱“S子腔”。第三高反射率鏡片105以光膠的方式貼在P子段112的第一端面上，P子段112的第二端面與共用段110和S子段111的共用端面以光膠的方式連接在一起。共用段內(nèi)P偏振光經(jīng)偏振分光膜107后透射至角錐棱鏡106上，再經(jīng)第三高反射率鏡片105反射后沿原光路返回至第一高反射率鏡片103。第一高反射率鏡片103、偏振分光膜107、角錐棱鏡106和第三高反射率鏡片105構(gòu)成P偏振光的諧振腔，簡稱“P子腔”。角錐棱鏡106安裝在導(dǎo)軌109上，并與待測物體固連，當待測物體運動時，可隨待測物體沿導(dǎo)軌移動，圖中的箭頭表示角錐棱鏡106的移動方向。在圖2中，基于Y型腔正交偏振激光器的位移測量裝置包括半外腔Y型腔正交偏振激光器100、工作點選擇與控制單元200(未標出)、信號采集與處理單元300。工作點選擇與控制單元200包括第一光電探測器201、第二光電探測器202、工作點選擇和控制電路203。工作點選擇和控制電路203與第一光電探測器201、第二光電探測器202、第一壓電陶瓷、第二壓電陶瓷相連。第一光電探測器201接收Y型腔正交偏振激光器100S子段出射的S偏振光，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號。第二光電探測器201接收Y型腔正交偏振激光器100P子段出射的P偏振光，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號。工作點選擇和控制電路 203有三個主要功能，第一個功能是為氦氖放電管提供高電壓，第二個功能是調(diào)節(jié)第二壓電陶瓷102的電壓，使得Y型腔正交偏振激光器100中兩偏振光的頻差大于閉鎖閾值，第三個功能是比較兩個光電探測器的輸出電壓大小，采用等光強的方法穩(wěn)頻，即通過調(diào)節(jié)第一壓電陶瓷101的電壓，使得S偏振光縱模和P偏振光縱模在增益曲線上關(guān)于中心頻率對稱。信號采集與處理單元300包括偏振片301、第三光電探測器302、計數(shù)與信號處理電路、303。S偏振光和P偏振光沿著偏振片301的偏振方向的分量產(chǎn)生拍頻，第三光電探測器302將拍頻信號轉(zhuǎn)化為電壓信號后送入計數(shù)與信號處理電路303中，計數(shù)與信號處理電路303測量拍頻信號的頻率，并進行濾波、運算和顯示。
權(quán)利要求
1.一種基于Y型腔正交偏振激光器的位移測量裝置，包括帶角錐棱鏡的半外腔Y型腔正交偏振激光器(100)、導(dǎo)軌(109)、工作點選擇與控制單元(200)和信號采集與處理單元 (300)，其特征在于，帶角錐棱鏡的Y型腔正交偏振激光器(100)中的角錐棱鏡(106)安裝在導(dǎo)軌(109)上， 并與待測物體固連，當待測物體運動時，可隨待測物體沿導(dǎo)軌移動；工作點選擇與控制單元(200)接收Y型腔正交偏振激光器的S子段和P子段輸出的S 偏振光和P偏振光，采用等光強的方法將兩偏振態(tài)縱模穩(wěn)定在增益曲線上關(guān)于中心頻率對稱的位置；它與Y型腔正交偏振激光器的氦氖放電管的陰極和陽極相連；它與Y型腔正交偏振激光器的第二壓電陶瓷相連接；信號采集與處理單元(300)與Y型腔正交偏振激光器的共用段相連接，接收Y型腔正交偏振激光器的輸出頻差，并進行濾波、計數(shù)、運算和顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的位移測量裝置，其特征在于，帶角錐棱鏡的Y型腔正交偏振激光器(100)包括第一壓電陶瓷(101)、第二壓電陶瓷(102)、 第一高反射率鏡片(103)、第二高反射率鏡片(104)、第三高反射率鏡片(105)、角錐棱鏡 (106)、偏振分光膜(107)、氦氖放電管(108)、共用段(110)、S子段(111)和P子段(112)；共用段(110)和S子段(111)采用微晶玻璃材料一體化加工；第一高反射率鏡片(103) 以光膠的方式貼在共用段(110)的第一端面上，第一壓電陶瓷(101)固定在第一高反射率鏡片(10 上；第二高反射率鏡片(104)以光膠的方式貼在S子段(111)的第一端面上；第二壓電陶瓷(102)固定在第二高反射率鏡片(104)上；共用段(110)和S子段(111)的第二端面共用，偏振分光膜(107)鍍制在S子段(111)的共用端面上；共用段內(nèi)S偏振光經(jīng)偏振分光膜(107)反射后進入S子段；第一高反射率鏡片(103)、 第二高反射率鏡片(104)、偏振分光膜(107)構(gòu)成S偏振光的諧振腔，簡稱“S子腔”；第三高反射率鏡片(10 以光膠的方式貼在P子段(11 的第一端面上，P子段(112)的第二端面與共用段(110)和S子段(111)的共用端面以光膠的方式連接在一起；共用段內(nèi)P偏振光經(jīng)偏振分光膜(107)后透射至角錐棱鏡(106)上，再經(jīng)第三高反射率鏡片(10 反射后沿原光路返回至第一高反射率鏡片(10 ；第一高反射率鏡片(103)、偏振分光膜(107)、 角錐棱鏡(106)和第三高反射率鏡片(105)構(gòu)成P偏振光的諧振腔，簡稱“P子腔”。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的位移測量裝置，其特征在于，角錐棱鏡安裝在導(dǎo)軌上，并與待測物體固連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Y型腔正交偏振激光器的位移測量裝置，其特征在于，氦氖放電管(108)包括增益區(qū)(114)、陰極113和陽極(115)，增益區(qū)(114)內(nèi)充有氦氖混合氣體，氦氣和氖氣的氣壓比約為7 1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于Y型腔正交偏振激光器的位移測量方法及裝置，包括帶角錐棱鏡的半外腔Y型腔正交偏振激光器、導(dǎo)軌、工作點選擇與控制單元、信號采集與處理單元。待測物體運動時帶動角錐棱鏡沿導(dǎo)軌移動，改變Y型腔正交偏振激光器的P子段的幾何長度，從而導(dǎo)致S子腔和P子腔光學(xué)長度差的變化，Y型腔正交偏振激光器中S偏振光和P偏振光的拍頻頻差也將發(fā)生變化，該拍頻頻差的變化值與待測物體的位移的大小成正比。本發(fā)明具有高分辨率、大動態(tài)范圍、高線性度和直接數(shù)字式輸出等特點。
文檔編號G01B11/04GK102506728SQ201110341798
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者張斌, 肖光宗, 龍興武 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)