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
技術領域：
本發明屬于激光測位移技術領域。
背景技術：
激光位移傳感器在測量和計量領域應中用廣泛，近年來自混合干涉干涉儀研究廣泛。相比于傳統的干涉儀，自混合干涉儀具有結構簡單、對準直性要求不高和性價比高的優點。自混合干涉儀裝置中，光路系統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光混合引起激光器的光強變化。外部待測物體每移動半個光波波長的位移，激光器光強變化一個條紋，條紋的形狀因回饋水平的不同而呈現不同形狀。條紋的波動深度與傳統雙光束干涉系統可比較。此時激光器光強條紋可直接用于計數而實現位移測量，系統分辨率為半個波長。
自混合干涉位移測試技術大部分的研究都集中于半導體激光器中的自混合干涉研究。半導體激光器中的自混合干涉現象比較復雜，可以根據回饋系數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，激光器出現雙穩態；D.強光回饋(C＞4.6)，回饋過強，不能用于干涉測量。
在弱光回饋和中等光回饋水平下，半導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。同時考慮到每個周期類鋸齒波對應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方向識別而且也可以實現位移的測量。因此半導體自混合干涉系統可以實現使用一路光信號實現判向的目的。在中等光回饋水平下，自混合干涉信號會出現遲滯的現象，將給計數帶來誤差。因此對于使用半導體激光器的自混合干涉系統在弱光回饋水平下能夠有效的實現位移測量，但需要將激光器的回饋水平嚴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，系統將因自混合干涉信號為對稱的正弦信號而不能實現判向或因遲滯現象而引起測量誤差。
發明內容
本發明目的在于提供一種結構緊湊，性價比高，能實現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不同的偏振光；當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的兩正交偏振光混合后引起激光器中兩正交偏振光光強的變化，兩正交偏振光的光強曲線變化趨勢相反，并且在一個周期內的上述兩正交偏振光的光強曲線條紋中出現了兩個不同的等光強點，所述等光強點差值的正負因所述外腔反射鏡的運動方向而異；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，所述光電探測器的兩個輸入信號分別是已經被分開的所述Wollaston棱鏡輸出的兩束正交的偏振光；信號處理裝置，它是一臺計算機或單片機，它采集所述兩光電探測器的輸出信號并進行實時的信號處理，識別出上述一個周期條紋中兩個等光強點差值的正負，并將位移測量結果顯示出來。
本發明提供了一種結構緊湊簡單，性價比高，能實現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本發明所述自混合干涉位移傳感器實施實例之一。
圖2本發明所述自混合干涉位移傳感器實施實例之二。
圖3本發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隨壓電陶瓷驅動電壓變化曲線圖；(b)壓電陶瓷驅動電壓上升時兩等光強點示意圖；(c)壓電陶瓷驅動電壓下降時兩等光強點示意圖。
圖5 450MHz頻差的雙折射雙頻激光器中兩光強隨壓電陶瓷驅動電壓變化曲線6(a)兩束正交的偏振光光強隨壓電陶瓷驅動電壓變化曲線圖；(b)電子細分后的位移曲線圖。
具體實施例方式
本發明的實例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，在實際應用中，該反射鏡為待測物體。6為壓電陶瓷用來驅動反射鏡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的外腔，腔長為290mm。激光器的尾光經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進行探測，所得兩光電信號由計算機12進行處理。計算機12通過軟件編程的方式實現集信號采集、條紋計數、方向識別以及測量結果顯示的功能。整個系統可以分為三部分11為測量部分即自混合干涉系統的外腔，12為信號處理部分，13為光源部分。
本發明原理如下。自混合干涉系統的回饋系數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腔行進一個來回的時間；b為線寬增益系數。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C都將遠小于1，故使用短腔長HeNe激光器的自混合干涉系統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，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。m為光回饋的調制系數。＝4πl/λ為光束在外腔行進一個來回所引起的相位差，其中l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，實驗結果表明，兩束正交的偏振光的光強曲線間相位差約為180度。因此對于本申請的系統Δ取π，公式3可以表達為
I⊥＝I⊥0[1-mcos()](4)因此當將雙縱模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動信號。由于兩縱模初始強度不同，二者在光回饋中所表現出競爭優勢也不同，較強的模在其光強最大值附近時，較強模式處于強勢地位使得較弱模的光強為零，對應著光強曲線上的水平直線部分。較強的模在其光強最小值附近時，較弱模的表現出其競爭優勢，其光強曲線表現為一個脈沖式的鼓包，強度上升和下降的都很快。兩光強曲線有兩個等光強點，并且這兩個點的光強電平高低不同。當壓電陶瓷5的驅動電壓上升時，左邊的等光強點高于右邊的等光強點，如圖4(b)所示。而當壓電陶瓷5的驅動電壓下降時，左邊的等光強點低于右邊的等光強點，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曲線圖。相比于圖4，圖5中兩光強曲線一個周期中的兩等光強點電平差值更加明顯。因此左右兩等光強點差值的正負可以代表壓電陶瓷伸縮變化的方向，從而可以實現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點處進行計數，計數的加或減取決于兩光強信號的兩等光強點差值的正負，例如取當左邊的等光強點高于右邊的等光強點時計數器加1，而當左邊的等光強點低于右邊的等光強點時計數器減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曲線圖，下圖為壓電陶瓷驅動電壓。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，當壓電陶瓷5的驅動電壓上升時，位移曲線將隨著一個光強曲線條紋的出現而出現一個上升的臺階，而當壓電陶瓷5的驅動電壓下降時，位移曲線則將隨著一個光強曲線條紋的出現而出現一個下降的臺階。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而計數。故本申請的位移傳感器可以實現判向，同時系統分辨率為λ/2＝316.4nm。
本發明的實例2的結構示意圖如圖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在一只短腔長的單縱模激光器中實現雙縱模的輸出，減小了激光器的腔長。
本發明的實例3的結構示意圖如圖3所示。1-10共十個元件仍與圖1中1-10共十個元件相同，故此處也不再重復介紹。15為機械式應力施加裝置，它沿垂直于激光增益管軸的方向對增透窗片施加一個應力，使得增透窗片發生雙折射效應，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。應力的施加也可以減小激光器的腔長，實現在一只短腔長的單縱模激光器中實現雙縱模的輸出。
本發明所設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。其系統光源使用的是能輸出兩不同光強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行探測可以獲得兩路相位差相反的光強信號，兩光強信號一個周期中有兩個不同的等光強點。兩等光強點差值的正負因物體移動方向的不同而不同，可以據此實現判向。每一個周期的光強信號對應λ/2的位移，即系統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構緊湊簡單緊湊，性價比高，并能實現在無需控制光回饋水平的條件下實現判向的自混合干涉位移傳感器。
權利要求
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不同的偏振光；當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的兩正交偏振光混合后引起激光器中兩正交偏振光光強的變化，兩正交偏振光的光強曲線變化趨勢相反，并且在一個周期內的上述兩正交偏振光的光強曲線條紋中出現了兩個不同的等光強點，所述等光強點差值的正負因所述外腔反射鏡的運動方向而異；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，所述光電探測器的兩個輸入信號分別是已經被分開的所述Wollaston棱鏡輸出的兩束正交的偏振光；信號處理裝置，它是一臺計算機或單片機，它采集所述兩光電探測器的輸出信號并進行實時的信號處理，識別出上述一個周期條紋中兩個等光強點差值的正負，并將位移測量結果顯示出來。
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，結構緊湊，僅有一個干涉通道。光源使用的是能輸出兩光強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行探測可以獲得兩路相位差相反的光強信號，兩光強信號一個周期中有兩個不同的等光強點。兩等光強點差值的正負因物體移動方向的不同而不同，可以據此實現判向。每一個周期的光強信號對應激光器半個波長的位移，即系統的分辨率為半個激光器波長。它是一種結構緊湊簡單緊湊，性價比高，并能實現在無需控制光回饋水平的條件下實現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 優先權日2005年2月25日
發明者劉剛, 張書練, 朱鈞, 李巖 申請人:清華大學