專利名稱：基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)的制作方法
基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于激光測距技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測距系統(tǒng)，尤其是一種基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光自混合干涉，又稱激光回饋，其基本原理是激光器的輸出光被外部反射面反射回激光增益管，與激光諧振腔內(nèi)的光場進(jìn)行自混合干涉，并調(diào)制激光器的損耗，使激光器的輸出光強發(fā)生周期性變化，通過解調(diào)輸出光強就可以得到外部反射面的信息?；诩す饣仞伒臏y距系統(tǒng)只有一個光學(xué)通道，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易準(zhǔn)直、性價比高等優(yōu)點。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)分辨率較低，一般為λ /2，對于632. 8nm波長的氦氖激光器，位移測量的分辨率為316. 4nm。
中國專利“基于Zeeman雙折射雙頻激光器的激光回饋測距儀”(申請?zhí)?200510011514. 8)綜合利用Zeeman雙折射效應(yīng)、激光自混合干涉、激光動態(tài)調(diào)制等多種激光物理現(xiàn)象，將一支普通的雙頻激光器成功地改造成一支測距傳感器。這一發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)是一支Zeeman雙折射雙頻He-Ne激光器和動態(tài)調(diào)制的外部反射鏡，外部反射鏡固定在被測物體上。當(dāng)外部反射鏡以一定的幅度往返運動時，激光器的輸出光強在不同的位置處具有不同的光強調(diào)制深度，根據(jù)光強調(diào)制深度的不同得到被測物體的距離。該方法具有測距能力，但是分辨率和精度不高，而且Zeeman雙折射雙頻激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。中國專利“雙頻 HeNe激光器光回饋測距儀”(申請?zhí)?00810104260. 8)，利用半內(nèi)腔雙折射雙頻激光器的自混合效應(yīng)和鑒相的方法實現(xiàn)了回饋距離測量，其的光學(xué)分辨率為λ /2，但是半內(nèi)腔雙折射雙頻激光器腔內(nèi)要放置雙折射元件，容易受到溫度等因素的影響，而且沒有穩(wěn)頻系統(tǒng)，測量精度難以保證；同時，該方法的光學(xué)分辨率難以進(jìn)一步提高。由于原理上的限制，上述兩種回饋測距方法都存在激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光學(xué)分辨率低，沒有穩(wěn)頻系統(tǒng)和精度低等不足 。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)，該測距系統(tǒng)在簡化激光器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用非準(zhǔn)直外腔回饋提高測距系統(tǒng)的分辨率，并且利用等光強穩(wěn)頻系統(tǒng)保證測量精度，從而提高儀器性能并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的
這種基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)，包括全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器、非準(zhǔn)直回饋外腔、信號探測處理和穩(wěn)頻系統(tǒng)四部分，其中
(A)所述全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器包括
激光增益管，內(nèi)充He、Ne混合氣體；
諧振腔，包括
第一內(nèi)腔反射鏡，位于所述激光增益管的一端，為凹鏡，其面向激光增益管的凹面鍍反射膜，外表面鍍增透膜；
第二內(nèi)腔反射鏡，固定在所述激光增益管的另一端，為平鏡，其面向激光增益管的平面鍍反射膜，外表面鍍增透膜；
(B)所述非準(zhǔn)直回饋外腔包括
反射鏡，為凹鏡，面向全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器的凹面鍍反射膜，另一端不鍍膜，所述反射鏡的表面與激光軸成一個夾角Θ ;
壓電陶瓷，固定在上述反射鏡的沿輸入光方向的外側(cè)，在輸入電壓的作用下，所述壓電陶瓷推動反射鏡沿激光軸線方向左、右移動；
(C)所述信號探測處理包括
偏振分光棱鏡，位于第一內(nèi)腔反射鏡的外側(cè)，把輸出的激光在空間分成兩路具有位相差的X向、Y向光強余弦分量；
光電探測器，共兩個，位于所述偏振分光棱鏡的光出射端，分別探測所述偏振分光棱鏡輸出的X向和Y向兩個光強余弦分量；
放大濾波電路，位于上述光電探測器的后端，兩個光電探測器的信號輸出端分別連接至放大濾波電路的信號輸入端，所述放大濾波電路將光電探測器接收到的光回饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并對信號進(jìn)行濾波、放大處理；
鑒相電路，連接放大濾波電路的輸出端，對放大后的兩路類余弦信號進(jìn)行鑒相；
CPLD模塊，連接鑒相電路的輸出端，完成對數(shù)字信號的整形、濾波,并對上述兩路有位相差的信號進(jìn)行計算，得出激光回饋外腔長度；
(D)所述穩(wěn)頻系統(tǒng)包括
電阻絲，纏繞在激光增益管的管殼上；
穩(wěn)頻電路，將X向、Y向兩路光強幅值的差值信號作為穩(wěn)頻的控制信號，控制電阻絲對全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器進(jìn)行加熱的時間，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的雙縱模激光輸出。
上述激光增益管內(nèi)充的He、Ne混合氣體的體積比為7:1。
上述電阻絲為細(xì)銅絲，電阻為15歐。
上述放大濾波電路與穩(wěn)頻電路連接。
上述光電探測器為PIN光電探測器。
本發(fā)明具有以下有益效果
本發(fā)明采用非準(zhǔn)直外腔回饋提高測距系統(tǒng)的分辨率，并且利用等光強穩(wěn)頻系統(tǒng)， 提供一種非準(zhǔn)直外腔雙縱模激光回饋測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)的全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器在其兩端都輸出偏振正交的激光，其中一端輸出的激光入射到由平面反射鏡與凹面反射鏡組成的非準(zhǔn)直回饋外腔，兩個反射鏡都鍍有高反射率膜，入射光束在回饋外腔中多次往返，然后再返回到激光器中，形成高階回饋；穩(wěn)頻系統(tǒng)控制纏繞在激光器表面電阻絲的通電時間，采用等光強穩(wěn)頻的方法對激光器進(jìn)行穩(wěn)頻，保證穩(wěn)定的雙縱模激光輸出；激光器另一端輸出的激光經(jīng)沃拉斯頓棱鏡分光后，由光電探測器接收，并由信號處理單元進(jìn)行分析，輸出測量結(jié)果。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，其對于氦氖激光器，系統(tǒng)光學(xué)分辨率可達(dá)納米量級。該系統(tǒng)具有分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單、精度高和成本低等特點。


圖1 :基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)示意圖2 :非準(zhǔn)直外腔高階回饋光強調(diào)制曲線；
圖3 :回饋外腔長L=IlOmm時，兩相鄰縱模的位相曲線；
圖4 :回饋外腔長L=I 12mm時，兩相鄰縱模的位相曲線；
圖5 :回饋外腔長L=I 14mm時,兩相鄰縱模的位相曲線。
其中1為壓電陶瓷；2為反射鏡；3為第二內(nèi)腔反射鏡；4為激光增益管；5為電阻絲；6為第一內(nèi)腔反射鏡；7為偏振分光棱鏡；8、9為光電探測器；10為放大濾波電路；11為鑒相電路；12為CPLD模塊；13為穩(wěn)頻電路。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述
參見圖1，本發(fā)明的該種基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)，包括全內(nèi)腔 He-Ne雙縱模激光器、非準(zhǔn)直回饋外腔、信號探測處理和穩(wěn)頻系統(tǒng)四部分，以下對各部分進(jìn)行詳細(xì)說明
(A )全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器
全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器包括激光增益管4、諧振腔，其中諧振腔包括第一內(nèi)腔反射鏡6和第二內(nèi)腔反射鏡3。
激光增益管4內(nèi)充He、Ne混合氣體，兩種氣體體積比為7:1。第一內(nèi)腔反射鏡6位于激光增益管4的一端，為凹鏡，其面向激光增益管4的凹面鍍反射膜，外表面鍍增透膜；第二內(nèi)腔反射鏡3固定在激光增益管4的另一端，為平鏡，其面向激光增益管4的平面鍍反射膜，外表面鍍增透膜。
(B)非準(zhǔn)直回饋外腔
非準(zhǔn)直回饋外腔包括反射鏡2和壓電陶瓷I (PZT)。其中反射鏡2為高反射率的凹鏡，面向全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器的凹面鍍反射膜，另一端不鍍膜，反射鏡2的表面與激光軸成一個夾角Θ。壓電陶瓷I固定在上述反射鏡2的沿輸入光方向的外側(cè)，在輸入電壓的作用下，壓電陶瓷I推動反射鏡2沿激光軸線方向左、右移動。
(C)信號探測處理
信號探測處理部分包括偏振分光棱鏡7、光電探測器和放大濾波電路10、鑒相電路11和CPLD模塊12。其中
偏振分光棱鏡7位于第一內(nèi)腔反射鏡6的外側(cè),把輸出的激光在空間分成兩路具有位相差的X向、Y向光強余弦分量；
光電探測器共兩個，如圖1中的光電探測器8和9,位于偏振分光棱鏡7的光出射端，分別探測偏振分光棱鏡7輸出的X向和Y向兩個光強余弦分量；
放大濾波電路10位于上述光電探測器8、9的后端，兩個光電探測器為PIN光電探測器，兩光電探測器的信號輸出端分別連接至放大濾波電路10的信號輸入端，所述放大濾波電路10將光電探測器接收到的光回饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并對信號進(jìn)行濾波、放大處理。
鑒相電路11連接放大濾波電路10的輸出端，對放大后的兩路類余弦信號進(jìn)行鑒相。
CPLD模塊12包括CPLD芯片及外圍電路，其連接鑒相電路11的輸出端，完成對數(shù)字信號的整形、濾波，并對上述兩路有位相差的信號進(jìn)行計算，得出激光回饋外腔長度。
另外，本發(fā)明在信號探測處理部分還可設(shè)置其余信號處理電路，包括相互關(guān)聯(lián)計數(shù)及數(shù)字顯示電路，對位移的測量結(jié)果進(jìn)行計數(shù)和顯示。
(D)穩(wěn)頻系統(tǒng)
包括電阻絲5和穩(wěn)頻電路13。其中電阻絲5纏繞在激光增益管4的管殼上。放大濾波電路10與穩(wěn)頻電路13連接，穩(wěn)頻電路13將X向、Y向兩路光強幅值的差值信號作為穩(wěn)頻的控制信號，控制電阻絲5對全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器進(jìn)行加熱的時間，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的雙縱模激光輸出。
本發(fā)明的壓電陶瓷I和反射鏡2組成了非準(zhǔn)直外腔回饋部分。第二內(nèi)腔反射鏡3、 激光增益管4和第一內(nèi)腔反射鏡6共同組成了全內(nèi)腔的雙縱模激光器，整個腔長為200_。 本發(fā)明的工作原理如下
氦氖雙縱模激光器的非準(zhǔn)直外腔高階回饋，不但具有氦氖雙折射雙頻激光器準(zhǔn)直外腔回饋的位相調(diào)諧特性(激光強度的波動曲線可以為兩路有位相差的類余弦信號，測量目標(biāo)回饋鏡在不同的回饋外腔位置時，具有不同的位相差)，而且激光調(diào)諧曲線具有更高的密度，可以達(dá)到準(zhǔn)直回饋時的幾十倍，所以具有更高的光學(xué)分辨率。同時，由于采用了穩(wěn)頻的全內(nèi)腔激光器，所以還具有更簡單的結(jié)構(gòu)和更高的測量精度，其基本原理如下
由全內(nèi)腔激光器產(chǎn)生的雙縱模激光，由于激光器殘應(yīng)力的存在，相鄰兩個縱模的激光將具有正交的偏振態(tài)，可稱之為丄偏振光和11偏振光，在光回饋的情況下，激光光場可以分為兩個部分。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周后再返回到激光器諧振腔的傳播場。內(nèi)腔傳播場與在回饋外腔往返η周后的傳播場疊力口，形成自混合干涉，由于光在外腔經(jīng)過多次反射，返回到諧振腔內(nèi)的光已經(jīng)變的較弱，在弱光回饋條件下正交偏振雙縱模激光器的振蕩條件為
權(quán)利要求
1.一種基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)，包括全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器、非準(zhǔn)直回饋外腔、信號探測處理和穩(wěn)頻系統(tǒng)四部分，其特征在于 (A)所述全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器包括 激光增益管(4)，內(nèi)充He、Ne混合氣體； 諧振腔，包括 第一內(nèi)腔反射鏡(6)，位于所述激光增益管(4)的一端，為凹鏡，其面向激光增益管(4)的凹面鍍反射膜，外表面鍍增透膜； 第二內(nèi)腔反射鏡(3)，固定在所述激光增益管(4)的另一端，為平鏡，其面向激光增益管(4)的平面鍍反射膜，外表面鍍增透膜； (B)所述非準(zhǔn)直回饋外腔包括 反射鏡(2)，為凹鏡，面向全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器的凹面鍍反射膜，另一端不鍍膜，所述反射鏡(2)的表面與激光軸成一個夾角Θ ； 壓電陶瓷(1)，固定在上述反射鏡(2)的沿輸入光方向的外側(cè)，在輸入電壓的作用下，所述壓電陶瓷(I)推動反射鏡(2)沿激光軸線方向左、右移動； (C)所述信號探測處理包括 偏振分光棱鏡(7),位于第一內(nèi)腔反射鏡(6)的外側(cè),把輸出的激光在空間分成兩路具有位相差的X向、Y向光強余弦分量； 光電探測器，共兩個，位于所述偏振分光棱鏡(7)的光出射端，分別探測所述偏振分光棱鏡(7)輸出的X向和Y向兩個光強余弦分量； 放大濾波電路(10)，位于上述光電探測器的后端，兩個光電探測器的信號輸出端分別連接至放大濾波電路(10)的信號輸入端，所述放大濾波電路(10)將光電探測器接收到的光回饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并對信號進(jìn)行濾波、放大處理； 鑒相電路(11)，連接放大濾波電路(10)的輸出端，對放大后的兩路類余弦信號進(jìn)行鑒相； CPLD模塊(12 )，連接鑒相電路(11)的輸出端，完成對數(shù)字信號的整形、濾波，并對上述兩路有位相差的信號進(jìn)行計算，得出激光回饋外腔長度； (D)所述穩(wěn)頻系統(tǒng)包括 電阻絲(5)，纏繞在激光增益管(4)的管殼上； 穩(wěn)頻電路(13)，將X向、Y向兩路光強幅值的差值信號作為穩(wěn)頻的控制信號，控制電阻絲(5)對全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器進(jìn)行加熱的時間，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的雙縱模激光輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)，其特征在于，所述激光增益管(4)內(nèi)充He、Ne混合氣體，體積比為7:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)，其特征在于，所述電阻絲(5)為細(xì)銅絲，電阻為15歐。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)，其特征在于，所述放大濾波電路(10)與穩(wěn)頻電路(13)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)，其特征在于，所述光電探測器為PIN光電探測器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于非準(zhǔn)直回饋外腔的激光自混合測距系統(tǒng)，包括全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器、非準(zhǔn)直回饋外腔、信號探測處理和穩(wěn)頻系統(tǒng)。全內(nèi)腔He-Ne雙縱模激光器在其兩端都輸出偏振正交的激光，其中一端輸出的激光入射到非準(zhǔn)直回饋外腔，入射光束在回饋外腔中多次往返，然后再返回到激光器中，形成高階回饋；穩(wěn)頻系統(tǒng)控制纏繞在激光器表面電阻絲的通電時間，對激光器進(jìn)行穩(wěn)頻；激光器另一端輸出的激光經(jīng)沃拉斯頓棱鏡分光后，由光電探測器接收，并由信號處理單元進(jìn)行分析，輸出測量結(jié)果。該測距系統(tǒng)在簡化激光器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用非準(zhǔn)直外腔回饋提高測距系統(tǒng)的分辨率，并且利用等光強穩(wěn)頻系統(tǒng)保證測量精度，從而提高儀器性能并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號G01S17/08GK103018747SQ20121048900
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者曾召利, 屈學(xué)民, 文峻, 慕建群, 劉爍, 張書練 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)