專利名稱：具有方向識別功能的自混合干涉HeNe激光位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光測位移技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光位移傳感器在測量和計量領(lǐng)域應(yīng)中用廣泛，近年來自混合干涉干涉儀研究廣泛。相比于傳統(tǒng)的干涉儀，自混合干涉儀具有結(jié)構(gòu)簡單、對準(zhǔn)直性要求不高和性價比高的優(yōu)點。自混合干涉儀裝置中，光路系統(tǒng)只有一只激光器和一個外界反射物或散射物(即待測物體)。激光器輸出的光被反射或散射后，部分光返回激光諧振腔與腔內(nèi)光混合引起激光器的光強(qiáng)變化。外部待測物體每移動半個光波波長的位移，激光器光強(qiáng)變化一個條紋，條紋的形狀因回饋水平的不同而呈現(xiàn)不同形狀。條紋的波動深度與傳統(tǒng)雙光束干涉系統(tǒng)可比較。此時激光器光強(qiáng)條紋可直接用于計數(shù)而實現(xiàn)位移測量，系統(tǒng)分辨率為半個波長。
自混合干涉位移測試技術(shù)大部分的研究都集中于半導(dǎo)體激光器中的自混合干涉研究。半導(dǎo)體激光器中的自混合干涉現(xiàn)象比較復(fù)雜，可以根據(jù)回饋系數(shù)C的不同而分為四種光回饋水平A.很弱光回饋(C□1)，回饋信號為余弦波形；B.弱光回饋(0.1＜C＜1)，回饋信號為類鋸齒波波形；C.中等光回饋(1＜C＜4.6)，回饋信號為類鋸齒波波形，激光器出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)；D.強(qiáng)光回饋(C＞4.6)，回饋過強(qiáng)，不能用于干涉測量。
在弱光回饋和中等光回饋水平下，半導(dǎo)體激光器的自混合干涉信號為非對稱的類鋸齒波形狀，鋸齒波的傾斜方向與外腔反射物的移動方向有關(guān)。同時考慮到每個周期類鋸齒波對應(yīng)外腔反射物半個波長的位移，故不僅可以利用類鋸齒波實現(xiàn)方向識別而且也可以實現(xiàn)位移的測量。因此半導(dǎo)體自混合干涉系統(tǒng)可以實現(xiàn)使用一路光信號實現(xiàn)判向的目的。在中等光回饋水平下，自混合干涉信號會出現(xiàn)遲滯的現(xiàn)象，將給計數(shù)帶來誤差。因此對于使用半導(dǎo)體激光器的自混合干涉系統(tǒng)在弱光回饋水平下能夠有效的實現(xiàn)位移測量，但需要將激光器的回饋水平嚴(yán)格控制在弱光回饋水平。如果光回饋水平因外界待測物體表面反射或散射性能的變好或變差而使得激光器工作在很弱光回饋水平或中等光回饋水平，系統(tǒng)將因自混合干涉信號為對稱的正弦信號而不能實現(xiàn)判向或因遲滯現(xiàn)象而引起測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，性價比高，能實現(xiàn)判向并且無需控制光回饋水平的自混合干涉位移傳感器。
本發(fā)明特征在于，它含有光源部分，它是一只雙縱模的激光器，它的輸出是光強(qiáng)不同的兩束正交的偏振光；測量部分，它包括壓電陶瓷以及結(jié)合在所述壓電陶瓷上的作為待測物體的外腔反射鏡；所述外腔反射鏡的入射光束是上述雙縱模的激光器輸出的兩束正交且光強(qiáng)不同的偏振光；當(dāng)外腔反射鏡沿著上述雙縱模激光器輸出的主光束的方向運(yùn)動時，所述外腔反射鏡的反射光與上述雙縱模激光器諧振腔內(nèi)的兩正交偏振光混合后引起激光器中兩正交偏振光光強(qiáng)的變化，兩正交偏振光的光強(qiáng)曲線變化趨勢相反，并且在一個周期內(nèi)的上述兩正交偏振光的光強(qiáng)曲線條紋中出現(xiàn)了兩個不同的等光強(qiáng)點，所述等光強(qiáng)點差值的正負(fù)因所述外腔反射鏡的運(yùn)動方向而異；信號處理部分，包括Wollaston棱鏡，位于所述雙縱模的激光器的尾光輸出端，所述棱鏡的輸入光信號是兩束正交的偏振光；光電探測器，共兩個，都位于所述Wollaston棱鏡的另一側(cè)，所述光電探測器的兩個輸入信號分別是已經(jīng)被分開的所述Wollaston棱鏡輸出的兩束正交的偏振光；信號處理裝置，它是一臺計算機(jī)或單片機(jī)，它采集所述兩光電探測器的輸出信號并進(jìn)行實時的信號處理，識別出上述一個周期條紋中兩個等光強(qiáng)點差值的正負(fù)，并將位移測量結(jié)果顯示出來。
本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊簡單，性價比高，能實現(xiàn)判向并且無需控制光回饋水平的自混合干涉位移傳感器，見圖1。


圖1本發(fā)明所述自混合干涉位移傳感器實施實例之一。
圖2本發(fā)明所述自混合干涉位移傳感器實施實例之二。
圖3本發(fā)明所述自混合干涉位移傳感器實施實例之三。
圖4(a)光回饋過程中兩束正交的偏振光光強(qiáng)隨壓電陶瓷驅(qū)動電壓變化曲線圖；(b)壓電陶瓷驅(qū)動電壓上升時兩等光強(qiáng)點示意圖；(c)壓電陶瓷驅(qū)動電壓下降時兩等光強(qiáng)點示意圖。
圖5 450MHz頻差的雙折射雙頻激光器中兩光強(qiáng)隨壓電陶瓷驅(qū)動電壓變化曲線6(a)兩束正交的偏振光光強(qiáng)隨壓電陶瓷驅(qū)動電壓變化曲線圖；(b)電子細(xì)分后的位移曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實例1如圖1所示，1為HeNe激光器的尾光輸出鏡，其反射率一般為99.8％，2為激光器的增益管，內(nèi)部充有HeNe的混合氣體，3為激光器的增透窗片，4為激光器的主光束輸出鏡，反射率一般為98％。1，2，3和4共同組成了一只HeNe激光器的主體，腔長為126mm，通過微調(diào)激光器腔長，可以使得該激光器為雙縱模激光器，能夠輸出兩線性正交偏振光。5為外腔反射鏡，在實際應(yīng)用中，該反射鏡為待測物體。6為壓電陶瓷用來驅(qū)動反射鏡5沿著光線方向的移動。5和6兩個元件組成了自混合干涉系統(tǒng)的外腔，腔長為290mm。激光器的尾光經(jīng)Wollaston棱鏡7分為兩束正交的偏振光，兩束正交的偏振光分別由探測器8和9進(jìn)行探測，所得兩光電信號由計算機(jī)12進(jìn)行處理。計算機(jī)12通過軟件編程的方式實現(xiàn)集信號采集、條紋計數(shù)、方向識別以及測量結(jié)果顯示的功能。整個系統(tǒng)可以分為三部分11為測量部分即自混合干涉系統(tǒng)的外腔，12為信號處理部分，13為光源部分。
本發(fā)明原理如下。自混合干涉系統(tǒng)的回饋系數(shù)C可以如下表示C=(1-R22)RsR2ττc1+b2----(1)]]>其中R2和Rs分別為主光束輸出鏡4和外腔反射鏡5的反射率；τ和τc分別為光束在外腔和內(nèi)腔行進(jìn)一個來回的時間；b為線寬增益系數(shù)。主光束輸出鏡4的反射率R2＝0.98幾乎為1，使得無論外腔反射鏡5反射率Rs如何變化，回饋系數(shù)C都將遠(yuǎn)小于1，故使用短腔長HeNe激光器的自混合干涉系統(tǒng)都屬于很弱光回饋水平。在很弱光回饋水平下雙縱模HeNe激光器中兩束正交的偏振光(兩個縱模)的光強(qiáng)可以表示為I∥＝I∥0[1+mcos()] (2)I⊥＝I⊥0[1+mcos(+Δ)](3)I∥和I⊥分別代表平行光和垂直光在光回饋存在時的光強(qiáng)，而I∥和I⊥0則分別代表平行光和垂直光在無光回饋時的光強(qiáng)。m為光回饋的調(diào)制系數(shù)。＝4πl(wèi)/λ為光束在外腔行進(jìn)一個來回所引起的相位差，其中l(wèi)為外腔長度。Δ為因兩光間的模競爭而引起的相位差，對于雙縱模HeNe激光器兩模間競爭比較激烈，實驗結(jié)果表明，兩束正交的偏振光的光強(qiáng)曲線間相位差約為180度。因此對于本申請的系統(tǒng)Δ取π，公式3可以表達(dá)為
I⊥＝I⊥0[1-mcos()](4)因此當(dāng)將雙縱模HeNe激光器輸出的兩束正交的偏振光同時回饋回激光諧振腔后，可以直接獲得有相位相反的兩條光強(qiáng)曲線，例如圖4(a)所示。圖4(a)中上圖為兩束正交的偏振光光強(qiáng)曲線，圈點曲線為平行光回饋曲線而實點曲線圖則為垂直光回饋曲線。圖4(a)中下圖為壓電陶瓷的三角波驅(qū)動信號。由于兩縱模初始強(qiáng)度不同，二者在光回饋中所表現(xiàn)出競爭優(yōu)勢也不同，較強(qiáng)的模在其光強(qiáng)最大值附近時，較強(qiáng)模式處于強(qiáng)勢地位使得較弱模的光強(qiáng)為零，對應(yīng)著光強(qiáng)曲線上的水平直線部分。較強(qiáng)的模在其光強(qiáng)最小值附近時，較弱模的表現(xiàn)出其競爭優(yōu)勢，其光強(qiáng)曲線表現(xiàn)為一個脈沖式的鼓包，強(qiáng)度上升和下降的都很快。兩光強(qiáng)曲線有兩個等光強(qiáng)點，并且這兩個點的光強(qiáng)電平高低不同。當(dāng)壓電陶瓷5的驅(qū)動電壓上升時，左邊的等光強(qiáng)點高于右邊的等光強(qiáng)點，如圖4(b)所示。而當(dāng)壓電陶瓷5的驅(qū)動電壓下降時，左邊的等光強(qiáng)點低于右邊的等光強(qiáng)點，如圖4(c)所示。圖5則給出了450MHz頻差的雙折射雙頻激光器中兩光強(qiáng)曲線圖。相比于圖4，圖5中兩光強(qiáng)曲線一個周期中的兩等光強(qiáng)點電平差值更加明顯。因此左右兩等光強(qiáng)點差值的正負(fù)可以代表壓電陶瓷伸縮變化的方向，從而可以實現(xiàn)對待測物體方向的識別。因此只需在信號采集的過程中，在一個周期信號中的第二個等光強(qiáng)點處進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)的加或減取決于兩光強(qiáng)信號的兩等光強(qiáng)點差值的正負(fù)，例如取當(dāng)左邊的等光強(qiáng)點高于右邊的等光強(qiáng)點時計數(shù)器加1，而當(dāng)左邊的等光強(qiáng)點低于右邊的等光強(qiáng)點時計數(shù)器減1。例如圖6所示，圖6(a)和圖6(b)是同時獲得的兩組曲線，圖6(a)上圖為雙縱模激光器兩偏振光光強(qiáng)曲線圖，下圖為壓電陶瓷驅(qū)動電壓。而圖6(b)則為位移曲線圖。位移曲線圖中的每一個臺階代表λ/2＝316.4nm的位移。由圖6可知，當(dāng)壓電陶瓷5的驅(qū)動電壓上升時，位移曲線將隨著一個光強(qiáng)曲線條紋的出現(xiàn)而出現(xiàn)一個上升的臺階，而當(dāng)壓電陶瓷5的驅(qū)動電壓下降時，位移曲線則將隨著一個光強(qiáng)曲線條紋的出現(xiàn)而出現(xiàn)一個下降的臺階。圖5(b)中的位移能夠反映出物體移動方向的變化，同時也能隨著條紋的出現(xiàn)而計數(shù)。故本申請的位移傳感器可以實現(xiàn)判向，同時系統(tǒng)分辨率為λ/2＝316.4nm。
本發(fā)明的實例2的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。1-10共十個元件與圖1中1-10共十個元件相同，故此處不再重復(fù)介紹。14為置于激光器諧振腔中的晶體石英，可以使一只單縱模的激光器的一個縱模分裂為兩個偏振方向互相垂直的縱模。晶體石英的使用可以實現(xiàn)在一只短腔長的單縱模激光器中實現(xiàn)雙縱模的輸出，減小了激光器的腔長。
本發(fā)明的實例3的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。1-10共十個元件仍與圖1中1-10共十個元件相同，故此處也不再重復(fù)介紹。15為機(jī)械式應(yīng)力施加裝置，它沿垂直于激光增益管軸的方向?qū)υ鐾复捌┘右粋€應(yīng)力，使得增透窗片發(fā)生雙折射效應(yīng)，可以使得一只單縱模的激光器的一個縱模分裂為兩個偏振方向互相垂直的縱模。應(yīng)力的施加也可以減小激光器的腔長，實現(xiàn)在一只短腔長的單縱模激光器中實現(xiàn)雙縱模的輸出。
本發(fā)明所設(shè)計的自混合干涉位移傳感器由光源，測量部分和信號處理3個部分組成。其系統(tǒng)光源使用的是能輸出兩不同光強(qiáng)的正交偏振光的雙縱模HeNe激光器。在測量過程中，對激光器輸出的兩束正交的偏振光進(jìn)行探測可以獲得兩路相位差相反的光強(qiáng)信號，兩光強(qiáng)信號一個周期中有兩個不同的等光強(qiáng)點。兩等光強(qiáng)點差值的正負(fù)因物體移動方向的不同而不同，可以據(jù)此實現(xiàn)判向。每一個周期的光強(qiáng)信號對應(yīng)λ/2的位移，即系統(tǒng)的分辨率為半個激光器波長。本申請的位移傳感器是一種結(jié)構(gòu)緊湊簡單緊湊，性價比高，并能實現(xiàn)在無需控制光回饋水平的條件下實現(xiàn)判向的自混合干涉位移傳感器。
權(quán)利要求
1.具有方向識別功能的自混合干涉HeNe激光位移傳感器，該位移傳感器包括光源、測量和信號處理三個部分，其特征在于，它含有光源部分，它是一只雙縱模的激光器，它的輸出是光強(qiáng)不同的兩束正交的偏振光；測量部分，它包括壓電陶瓷以及結(jié)合在所述壓電陶瓷上的作為待測物體的外腔反射鏡；所述外腔反射鏡的入射光束是上述雙縱模的激光器輸出的兩束正交且光強(qiáng)不同的偏振光；當(dāng)外腔反射鏡沿著上述雙縱模激光器輸出的主光束的方向運(yùn)動時，所述外腔反射鏡的反射光與上述雙縱模激光器諧振腔內(nèi)的兩正交偏振光混合后引起激光器中兩正交偏振光光強(qiáng)的變化，兩正交偏振光的光強(qiáng)曲線變化趨勢相反，并且在一個周期內(nèi)的上述兩正交偏振光的光強(qiáng)曲線條紋中出現(xiàn)了兩個不同的等光強(qiáng)點，所述等光強(qiáng)點差值的正負(fù)因所述外腔反射鏡的運(yùn)動方向而異；信號處理部分，包括Wollaston棱鏡，位于所述雙縱模的激光器的尾光輸出端，所述棱鏡的輸入光信號是兩束正交的偏振光；光電探測器，共兩個，都位于所述Wollaston棱鏡的另一側(cè)，所述光電探測器的兩個輸入信號分別是已經(jīng)被分開的所述Wollaston棱鏡輸出的兩束正交的偏振光；信號處理裝置，它是一臺計算機(jī)或單片機(jī)，它采集所述兩光電探測器的輸出信號并進(jìn)行實時的信號處理，識別出上述一個周期條紋中兩個等光強(qiáng)點差值的正負(fù)，并將位移測量結(jié)果顯示出來。
全文摘要
具有方向識別功能的自混合干涉HeNe激光位移傳感器，屬于激光位移測量領(lǐng)域，其特征在于它由光源，測量部分和信號處理3個部分組成，結(jié)構(gòu)緊湊，僅有一個干涉通道。光源使用的是能輸出兩光強(qiáng)不同的正交偏振光的雙縱模激光器，在測量過程中，對激光器輸出的兩束正交的偏振光進(jìn)行探測可以獲得兩路相位差相反的光強(qiáng)信號，兩光強(qiáng)信號一個周期中有兩個不同的等光強(qiáng)點。兩等光強(qiáng)點差值的正負(fù)因物體移動方向的不同而不同，可以據(jù)此實現(xiàn)判向。每一個周期的光強(qiáng)信號對應(yīng)激光器半個波長的位移，即系統(tǒng)的分辨率為半個激光器波長。它是一種結(jié)構(gòu)緊湊簡單緊湊，性價比高，并能實現(xiàn)在無需控制光回饋水平的條件下實現(xiàn)判向的自混合干涉位移傳感器。
文檔編號G01B9/02GK1654921SQ200510011358
公開日2005年8月17日 申請日期2005年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月25日
發(fā)明者劉剛, 張書練, 朱鈞, 李巖 申請人:清華大學(xué)