本公開涉及激光位移傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氦氖激光器納米測尺系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

中國專利“位移自傳感氦氖激光器系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法”(ZL 99103514.3)綜合利用激光頻率分裂、激光模競爭、激光功率調(diào)諧等多種激光物理現(xiàn)象，將一只普通氦氖激光器改造成一種不利用干涉現(xiàn)象但具有自標定功能又相對簡單的位移傳感器。該方法具有λ/8的位移測量分辨率(對于波長為632.8nm的氦氖激光器，λ/8為79nm)。這一發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)是一只普通的半外腔氦氖激光器，其兩個反射腔鏡之一作為動靜固連在一直線導軌(測桿)上以便可沿激光器光軸做軸向移動。中國專利“以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)”(申請?zhí)枺?00310115540.6)對此系統(tǒng)進行了改進，將貓眼逆向器作為腔鏡與直線導軌固連，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，拓寬了應用領(lǐng)域。中國專利“納米激光器測尺及實現(xiàn)納米測量的細分方法”(申請?zhí)枺?00410088819.4)利用系統(tǒng)可溯源到光波長的特性和自校準能力，采用計大數(shù)、測小數(shù)的方法，通過增加一個精密微位移傳感器壓電陶瓷(PZT)和適當?shù)男盘柼幚黼娐?，將系統(tǒng)的分辨率提高到10nm，理論測量范圍提高到50mm。但是若要求分辨率進一步提高，以精密微位移傳感器壓電陶瓷(PZT)和適當?shù)男盘柼幚黼娐肥呛茈y達到的，因為其計大數(shù)所用的半波長為316.4nm，精密的微位移壓電傳感器(PZT)存在遲滯和非線性等特點，上述缺點限制了該系統(tǒng)分辨率的提高，所以很難再提高該系統(tǒng)的分辨率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷或不足，做出了本發(fā)明。

本發(fā)明提供了一種氦氖激光器納米測尺系統(tǒng)，包括可動測桿、含直角棱鏡折疊腔的氦氖激光器以及數(shù)據(jù)采集處理單元；

所述可動測桿，其一端與待測物體接觸；

所述氦氖激光器包括：

直角棱鏡折疊腔，其用于光線的多次折返并輸出單頻激光，所述直角棱鏡折疊腔包括與所述可動測桿的另一端相連接的直角反射棱鏡以及與所述直角反射棱鏡平行放置的直角棱鏡腔鏡，所述直角反射棱鏡和所述直角棱鏡腔鏡的反射面均鍍有高反射膜；

應力雙折射元件，其位于所述直角棱鏡折疊腔的出光側(cè)，并將所述直角棱鏡折疊腔輸出的單頻激光變成具有兩個頻率的正交偏振光，所述直角棱鏡折疊腔位于所述應力雙折射元件的一端；

激光增益管，其與所述應力雙折射元件同光軸并安裝于所述應力雙折射元件的另一端；

增透窗片，其沿所述光軸方向安裝于所述激光增益管的一端，且位于所述應力雙折射元件和所述激光增益管之間；

凹面輸出腔鏡，其沿所述光軸方向安裝于所述激光增益管的另一端，并輸出所述兩個頻率的正交偏振光；

所述數(shù)據(jù)采集處理單元包括：

偏振分光鏡，其位于所述凹面輸出腔鏡的出光側(cè)，并分離從所述凹面輸出腔鏡輸出共束的兩正交偏振光；

兩個光電探測器，接受所述偏振分光鏡分開的兩束頻率不同的正交偏振光；

光電轉(zhuǎn)換及放大電路，其兩個輸入端分別與兩個光電探測器的信號輸出端相連；

信號處理電路，其輸入端與所述光電轉(zhuǎn)換及放大電路的信號輸出端相連，完成信號處理功能；

顯示裝置，其與所述信號處理電路相連。

優(yōu)選的，所述直角反射棱鏡包括N個連續(xù)的第一反射面，相鄰兩個所述第一反射面相互垂直，N個所述第一反射面構(gòu)成N/2個第一凹槽，N≥2且N為偶數(shù)；

所述直角棱鏡腔鏡包括M個連續(xù)的第二反射面和與第M個所述第二反射面相連接的第三反射面，相鄰兩個所述第二反射面相互垂直，M個所述第二反射面構(gòu)成M/2個第二凹槽，第M個所述第二反射面與所述第三反射面之間呈135°，M≥2，M為偶數(shù)且N/2-M/2＝1；

所述第一反射面、所述第二反射面和所述第三反射面的大小相同，所述直角反射棱鏡的第一凹槽和所述直角棱鏡腔鏡的第二凹槽交錯對應；

入射光線與第一個第一反射面的法線之間的夾角為45°，入射光線經(jīng)第一個第一反射面反射到第二個第一反射面，經(jīng)第二個第一反射面反射到第二個第二反射面，經(jīng)第二個第二反射面反射到第三個第一反射面，依此規(guī)律進行，經(jīng)第N-1個第二反射面反射到第N個第一反射面反射，再經(jīng)第N個第一反射面反射后垂直入射到所述第三反射面上，所述第三反射面將光線沿原路折返，經(jīng)所述直角棱鏡折疊腔輸出所述單頻激光。

優(yōu)選的，所述應力雙折射元件的光軸呈水平；所述直角棱鏡腔鏡的頂部低于所述應力雙折射元件的光軸所在的水平面。

優(yōu)選的，所述直角反射棱鏡和所述直角棱鏡腔鏡的反射面均鍍有反射率超過99.99％的高反射膜。

優(yōu)選的，N＝10，所述直角反射棱鏡包括10個連續(xù)的第一反射面，相鄰兩個所述第一反射面相互垂直，10個所述第一反射面構(gòu)成5個第一凹槽；

M＝8，所述直角棱鏡腔鏡包括8個連續(xù)的第二反射面和與第8個所述第二反射面相連接的第三反射面，8個所述第二反射面構(gòu)成4個第二凹槽。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：直角棱鏡腔鏡與凹面輸出腔鏡為氦氖激光器的諧振腔的兩腔鏡，這兩個腔鏡靜止固定，不受可動測桿的影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性高；諧振腔采用直角反射棱鏡和直角棱鏡腔鏡構(gòu)成的折疊腔，直角反射棱鏡每移動λ，激光諧振腔的腔長改變Nλ，系統(tǒng)的分辨率提高相應的N倍(其中N為直角反射棱鏡的連續(xù)的第一反射面的個數(shù)，相鄰兩個第一反射面相互垂直)。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本申請的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明的提供的氦氖激光器納米測尺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的氦氖激光器納米測尺系統(tǒng)的折疊腔的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的氦氖激光器納米測尺系統(tǒng)折疊腔中的光路圖；

圖4為本發(fā)明一實施例提供的氦氖激光器納米測尺系統(tǒng)的折疊腔的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明一實施例提供的氦氖激光器納米測尺系統(tǒng)中直角反射棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明一實施例提供的氦氖激光器納米測尺系統(tǒng)中直角棱鏡腔鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明一實施例提供的氦氖激光器納米測尺系統(tǒng)折疊腔中的光路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本申請作進一步的詳細說明?？梢岳斫獾氖?，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋相關(guān)發(fā)明，而非對該發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與發(fā)明相關(guān)的部分。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本申請。

本發(fā)明基于激光原理：激光諧振腔腔長變化λ/2，對應著激光頻率變化一個縱模間隔Δ。其基本原理為：在駐波激光器中，激光的頻率變化和腔長改變滿足：

其中，v為激光頻率，L為腔長。通過頻率分裂和模競爭，使功率調(diào)諧曲線中任意一個縱模間隔Δ被平均分成4等份(對應著4種不同的偏振態(tài))，故可實現(xiàn)λ/8分辨率的可判向位移測量。

如圖1至圖3所示，本發(fā)明提供了一種氦氖激光器納米測尺系統(tǒng)，包括可動測桿1、含直角棱鏡折疊腔的氦氖激光器30以及數(shù)據(jù)采集處理單元20。含直角棱鏡折疊腔的氦氖激光器30包括直角反射棱鏡2、直角棱鏡腔鏡3、應力雙折射元件4、增透窗片5、激光增益管6和凹面輸出腔鏡7，直角棱鏡腔鏡3、凹面輸出腔鏡7為氦氖激光器30的諧振腔的兩腔鏡，氦氖激光器30為一個半外腔氦氖激光器；數(shù)據(jù)采集處理單元20包括偏振分光鏡8、兩個光電探測器(第一光電探測器9、第二光電探測器10)、光電轉(zhuǎn)換及放大電路11、信號處理電路12和顯示裝置13。

直角反射棱鏡2和直角棱鏡腔鏡3平行放置構(gòu)成直角棱鏡折疊腔，直角反射棱鏡和直角棱鏡腔鏡的反射面均鍍有高反射膜，以對進入直角棱鏡折疊腔的光線進行高效率的反射。

可動測桿1的一端與待測物體接觸，另一端與直角反射棱鏡2相連接；

直角棱鏡折疊腔用于光線的多次折返，直角反射棱鏡2與可動測桿1的另一端相連接，直角反射棱鏡2可隨可動測桿1移動，直角棱鏡腔鏡3相對于系統(tǒng)是靜止固定的；

應力雙折射元件4，其位于直角棱鏡折疊腔的出光側(cè)，并將直角棱鏡折疊腔輸出的單頻激光變成具有兩個頻率的正交偏振光，直角棱鏡折疊腔位于應力雙折射元件的一端；

激光增益管6，其與應力雙折射元件同光軸并安裝于應力雙折射元件4的另一端；

增透窗片5，其沿光軸方向安裝于激光增益管6的一端，且位于應力雙折射元件和激光增益管之間；

凹面輸出腔鏡7，其沿光軸方向安裝于激光增益管6的另一端，并輸出兩個頻率的正交偏振光，凹面輸出腔鏡7相對于系統(tǒng)是靜止固定的；

偏振分光鏡8，其位于凹面輸出腔鏡7的出光側(cè)，并分離從凹面輸出腔鏡7輸出共束的兩正交偏振光；

兩個光電探測器，即第一光電探測器9和第二光電探測器10，接受偏振分光鏡分開的兩束頻率不同的正交偏振光；

光電轉(zhuǎn)換及放大電11，其兩個輸入端分別與兩個光電探測器的信號輸出端相連；

信號處理電路12，其輸入端與光電轉(zhuǎn)換及放大電路11的信號輸出端相連，完成信號處理功能；

顯示裝置13，其與信號處理電路12相連。

其中，氦氖激光器30中應力雙折射元件4、增透窗片5、激光增益管6和凹面輸出腔鏡7共光軸，氦氖激光器通過振蕩產(chǎn)生激光，雙折射元件4將激光由單頻激光變成正交偏振的雙頻激光，凹面輸出腔鏡7輸出產(chǎn)生的正交偏振光。直角棱鏡腔鏡3和凹面輸出腔鏡7為激光諧振腔的兩腔鏡，該兩腔鏡均靜止固定，不受可動測桿1移動的影響，從而解決了系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

數(shù)據(jù)采集處理單元20接受輸入的正交偏振光，通過偏振分光鏡8將其分成兩束光，由第一光電探測器9、第二光電探測器10分別接受，再輸入到光電轉(zhuǎn)換及放大電路11進行光電轉(zhuǎn)換及信號放大，產(chǎn)生的電信號輸入到信號處理電路12進行信號處理，信號處理電路12再將處理好的數(shù)據(jù)輸入到顯示裝置13，最終由顯示裝置13顯示結(jié)果。

進一步地，直角反射棱鏡包括N個連續(xù)的第一反射面20，相鄰兩個第一反射面20相互垂直，N個第一反射面20構(gòu)成N/2個第一凹槽21，N≥2且N為偶數(shù)，直角反射棱鏡2中由上至下的反射面依次為第一個第一反射面、第二個第一反射面、第三個第一反射面……第N個第一反射面；

直角棱鏡腔鏡包括M個連續(xù)的第二反射面30和與第M個第二反射面相連接的第三反射面31，相鄰兩個第二反射面30相互垂直，M個第二反射面30構(gòu)成M/2個第二凹槽32，第M個第二反射面與第三反射面32之間呈135°，M≥2，M為偶數(shù)且N/2-M/2＝1，直角棱鏡腔鏡3中由上至下的反射面依次為第一個第二反射面、第二個第二反射面、第三個第二反射面……第M個第二反射面、第三反射面；

第一反射面、第二反射面和第三反射面的大小相同，直角反射棱鏡2的第一凹槽21和直角棱鏡腔鏡3的第二凹槽32交錯對應；

如圖3所示，入射光線與第一個第一反射面的法線之間的夾角為45°，每個第一反射面和每個第二反射面上接收到的光線的方向均與各自的法線呈45°，第三反射面為平面反射鏡，第三反射面與第M個第二反射面成135°，為一豎直反射面，以保證光線垂直入射到第三反射面上。入射光線經(jīng)第一個第一反射面反射到第二個第一反射面，經(jīng)第二個第一反射面反射到第二個第二反射面，經(jīng)第二個第二反射面反射到第三個第一反射面，依此規(guī)律進行，經(jīng)第N-1個第二反射面反射到第N個第一反射面反射，再經(jīng)第N個第一反射面反射后垂直入射到第三反射面上，第三反射面將光線沿原路折返，經(jīng)直角棱鏡折疊腔輸出單頻激光。

進一步地，應力雙折射元件的光軸呈水平；直角棱鏡腔鏡的頂部低于應力雙折射元件的光軸所在的水平面。這樣確保毛細管射出的激光能夠到達第一個第一反射面，并且經(jīng)第一個第一反射面出射的光線能夠進入應力雙折射元件。

進一步地，為了保證對進入直角棱鏡折疊腔的入射光線進行高效率的反射，直角反射棱鏡和直角棱鏡腔鏡的反射面均鍍有反射率超過99.99％的高反射膜。

激光器中插入了雙折射元件4，由于雙折射效應，使氦氖激光器的激光頻率發(fā)生分裂，單頻激光變成雙頻激光，激光器輸出兩個偏振方向互相垂直的線偏振光，即o光(平行偏振光(∥光))和e光(垂直偏振光(⊥光))，通過改變雙折射元件的角度，可以調(diào)整兩束正交偏振光之間的頻差。輸出的正交偏振光經(jīng)偏振分光鏡8分光后，分別入射到第一光電探測器9、第二光電探測器10上，之后由光電轉(zhuǎn)換及放大電路11、信號處理電路12處理，最終顯示在顯示裝置13上。

測量時，當被測物體移動時推動可動測桿1移動，可動測桿1推動直角反射棱鏡2隨之移動，激光器的腔長隨之改變，激光器輸出光的偏振態(tài)將周期性改變，即四個偏振態(tài)依次周期性出現(xiàn)：只有平行偏振光輸出→平行偏振光和垂直偏振光都輸出→只有垂直偏振光輸出→無光輸出。激光束被第一光電探測器9和第二光電探測器10探測，相應的有四個狀態(tài)依次出現(xiàn)：只有第一光電探測器9被照亮→第一光電探測器9和第二光電探測器10同時被照亮→只有第二光電探測器10被照亮→第一光電探測器9和第二光電探測器10都不被照亮。如此反復循環(huán)。每次狀態(tài)的改變意味著激光腔長改變了λ/8的位移，由于直角反射棱鏡每移動λ的位移，激光腔長改變Nλ的位移(N為直角反射棱鏡的連續(xù)的第一反射面的個數(shù)，相鄰兩個第一反射面相互垂直)，所以每次狀態(tài)的改變意味著直角反射棱鏡改變了λ/8N的位移，即系統(tǒng)的分辨率為λ/8N，四個狀態(tài)出現(xiàn)的先后順序可以判斷位移的方向。光電轉(zhuǎn)換及放大電路11處理兩個光電探測器輸出的信號，信號處理電路12處理光電轉(zhuǎn)換及放大電路11的輸出信號，并且具有計數(shù)、判向等功能，之后將處理好的數(shù)據(jù)送到顯示裝置13上進行顯示，最終實現(xiàn)測位移的功能。

作為一種可選的實施方式，如圖4至圖7所示，該實例中優(yōu)選N＝10，M＝8。直角反射棱鏡2’包括10個連續(xù)的第一反射面，相鄰兩個第一反射面相互垂直，10個第一反射面構(gòu)成5個第一凹槽；直角棱鏡腔鏡3’包括8個連續(xù)的第二反射面和與第8個第二反射面相連接的第三反射面，8個第二反射面構(gòu)成4個第二凹槽。5個第一凹槽保證了直角反射棱鏡2中10個第一反射面如圖3所示，同樣的4個第二凹槽保證了直角棱鏡腔鏡3中8個第二反射面如圖4所示的結(jié)構(gòu)。第一反射面、第二反射面和第三反射面的大小相同，直角反射棱鏡2的第一凹槽和直角棱鏡腔鏡3的第二凹槽交錯對應，第三反射面為平面反射鏡，且第三反射面豎直設(shè)置，第三反射面與第八個第二反射面成135°。直角反射棱鏡和直角棱鏡腔鏡的反射面均鍍有超過99.99％的高反射膜。

該實施例中，定義圖3中直角反射棱鏡2’由上至下的10個第一反射面依次為第一棱鏡反射面201、第二棱鏡反射面202、第三棱鏡反射面203、第四棱鏡反射面204、第五棱鏡反射面205、第六棱鏡反射面206、第七棱鏡反射面207、第八棱鏡反射面208、第九棱鏡反射面209、第十棱鏡反射面210；定義圖4中直角棱鏡腔鏡3’由上至下的8個第二反射面依次為第一腔鏡反射面301、第二腔鏡反射面302、第三腔鏡反射面303、第四腔鏡反射面304、第五腔鏡反射面305、第六腔鏡反射面306、第七腔鏡反射面307、第八腔鏡反射面308，定義與第八腔鏡反射面308連接的第三反射面為第九腔鏡反射面309，第九腔鏡反射面309和第八腔鏡反射面308之間成135°，第九腔鏡反射面309為豎直平面。

其中，入射光線與第一棱鏡反射面201的法線之間的夾角為45°，如圖5所示，具體的光線方向為：入射光線從毛細管射到第一棱鏡反射面201上，經(jīng)第二棱鏡反射面202反射到第一腔鏡反射面301上，再反射到第二腔鏡反射面302上，接著反射到第三棱鏡反射面203上，依次反射下去，直到光線由棱鏡第十反射面210反射到第九腔鏡反射面309上，完成光線的入射；根據(jù)圖2-圖5中所示的直角棱鏡折疊腔的結(jié)構(gòu)，光線垂直射到第九腔鏡反射面309上后，第九腔鏡反射面309反射光線，激光入射光路與反射光路重合，之后光線按照原路返回，再經(jīng)過折疊腔的多次反射回到毛細管，最終到達凹面輸出腔鏡7形成激光振蕩。直角棱鏡折疊腔實現(xiàn)光線的折返。

從圖5中可以清晰的看到光線的前進路線，看出光線從激光增益管內(nèi)出發(fā)經(jīng)過18次反射最終到達第九腔鏡反射面309，由第九腔鏡反射面309反射后按照原路返回，再進入激光增益管中，形成激光振蕩，從而產(chǎn)生激光。由于是折疊腔結(jié)構(gòu)，經(jīng)過折返后與入射光線平行的共有十條光線，因此，直角反射棱鏡2’每移動λ的位移，激光腔長將改變10λ的位移，對應著激光頻率將改變20個縱模間隔，即20個縱模間隔被分成80等份，所以四種偏振態(tài)的每次改變意味著直角反射棱鏡2移動了λ/80的位移，即系統(tǒng)的分辨率為λ/80，四個狀態(tài)出現(xiàn)的先后順序可以判斷位移的方向，并且分辨率比非折疊腔的結(jié)構(gòu)提高了十倍。對波長λ為632.8nm的氦氖激光器而言，此系統(tǒng)的分辨率為7.9nm，從而成為一個不需要經(jīng)過電細分的高分辨率位移傳感儀器，具有非常廣闊的應用前景。

以上描述僅為本申請的較佳實施例以及對所運用技術(shù)原理的說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，本申請中所涉及的發(fā)明范圍，并不限于上述技術(shù)特征的特定組合而成的技術(shù)方案，同時也應涵蓋在不脫離所述發(fā)明構(gòu)思的情況下，由上述技術(shù)特征或其等同特征進行任意組合而形成的其它技術(shù)方案。例如上述特征與本申請中公開的(但不限于)具有類似功能的技術(shù)特征進行互相替換而形成的技術(shù)方案。