專利名稱：擴(kuò)束的強(qiáng)光折疊回饋位移測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，作為現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一的傳感技術(shù)是信息技術(shù)的基礎(chǔ)，其性能決定了信息系統(tǒng)的功能和質(zhì)量，其作用也愈顯重要。位移是自然界中一個(gè)基本的物理量，位移測(cè)量在芯片制造、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、航天航空等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣。近年來(lái)激光回饋傳感技術(shù)及其應(yīng)用引起了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛興趣。激光回饋是指在激光應(yīng)用系統(tǒng)中，激光器輸出光被外部物體反射后，其中一部分光回饋到激光器諧振腔，回饋光攜帶著外部物體信息，與腔內(nèi)光相互作用后，調(diào)制激光器的輸出。通過(guò)對(duì)激光器輸出光強(qiáng)的解調(diào)，得到外部被測(cè)物體的信息。激光回饋技術(shù)又被稱為自混合干涉技術(shù)，與傳統(tǒng)的雙光束干涉技術(shù)相比具有相同的相位靈敏度和深度。但是基于激光回饋技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)僅有一個(gè)光學(xué)通道，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易準(zhǔn)直、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。它可以應(yīng)用于位移、速度、絕對(duì)距離、振動(dòng)、角度、精細(xì)加工零件表面形貌、細(xì)胞三維形狀等方面的測(cè)量，也可以用于模具的分析和探傷、三維圖像數(shù)據(jù)的重建等等方面，應(yīng)用面非常廣。
目前，對(duì)激光回饋技術(shù)的研究和應(yīng)用主要集中于半導(dǎo)體激光器，雖然世界各科技大國(guó)取得了大量的實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果，但是仍有三個(gè)十分重要的問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決，嚴(yán)重限制了激光回饋技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用化發(fā)展。第一，不能夠?qū)Ρ粶y(cè)物體的位移方向進(jìn)行識(shí)別。研究發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器工作在弱回饋水平和中等回饋水平下時(shí)，其回饋信號(hào)為非對(duì)稱的類鋸齒波形狀，鋸齒波的傾斜方向與外部反射物的位移方向有關(guān)。一些研究者試圖用此現(xiàn)象來(lái)解決半導(dǎo)體激光回饋測(cè)量位移的方向判斷問(wèn)題。鋸齒波的傾斜方向在感觀上容易判斷位移方向，但在硬件上不易于實(shí)現(xiàn)，且在中等回饋水平下，回饋信號(hào)會(huì)出現(xiàn)遲滯的現(xiàn)象，給計(jì)數(shù)帶來(lái)誤差，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)測(cè)量的精度和線形度。運(yùn)用這種方法時(shí)必須使得回饋信號(hào)至少為一個(gè)完整的周期，才可以判別出回饋波形的傾斜方向，這使得系統(tǒng)測(cè)量的分辨率限于半個(gè)光波長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度位移測(cè)量。同時(shí)，這類系統(tǒng)對(duì)回饋腔的準(zhǔn)直性要求高，抗外界干擾能力差。第二，不能夠?qū)仞佇盘?hào)進(jìn)行細(xì)分。一些文獻(xiàn)報(bào)道半導(dǎo)體激光器工作在極弱回饋水平下時(shí)，其回饋信號(hào)為類余弦波形狀，一些研究人員力圖利用余弦性質(zhì)，類似傳統(tǒng)激光干涉儀的位相測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)分。但是這種回饋信號(hào)很不穩(wěn)定，容易變成類鋸齒波形狀，同時(shí)回饋測(cè)量系統(tǒng)僅能得到一路光信號(hào)，這使得電子細(xì)分難以實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的分辨率一般為半個(gè)光波長(zhǎng)，系統(tǒng)性能受到極大限制。第三，回饋外腔的準(zhǔn)直性要求高，抗外界干擾能力差?；仞佂馇坏姆菧?zhǔn)直將帶來(lái)兩方面影響，一是多重回饋的影響，二是系統(tǒng)回饋水平的影響。由于外腔回饋鏡的失諧，不僅被回饋鏡反射一次的光可以返回激光器諧振腔與腔內(nèi)光相互作用，被回饋鏡反射兩次甚至多次的光也可能返回激光器諧振腔，調(diào)制激光器的輸出，此時(shí)系統(tǒng)的回饋信號(hào)較復(fù)雜，測(cè)量系統(tǒng)不能正常工作。同時(shí)由于外腔回饋鏡的失諧，一部分光不能夠返回激光器諧振腔，使得系統(tǒng)回饋水平下降。不同回饋水平下，系統(tǒng)回饋信號(hào)不同，測(cè)量系統(tǒng)不能夠得到預(yù)期的回饋信號(hào)，測(cè)量發(fā)生錯(cuò)誤。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種高分辨率大量程、可以識(shí)別被測(cè)物體的位移方向，同時(shí)具有很強(qiáng)的抗失諧和外界干擾能力的擴(kuò)束的強(qiáng)光折疊回饋位移測(cè)量系統(tǒng)，可以有效地解決上述三個(gè)問(wèn)題。
本發(fā)明的特征在于，它含有擴(kuò)束的強(qiáng)光折疊回饋裝置，包括塞曼雙折射雙頻激光器，輸出頻差小于40MHz的兩正交線偏振頻率，該激光器含有激光增益管，內(nèi)充有氦、氖混合氣體；石英晶體楔，固定于上述激光增益管的一側(cè)；該石英晶體楔兩面都鍍有增透膜；激光器諧振腔，包括主光束輸出鏡和尾光束輸出鏡；主光束輸出鏡固定在上述激光增益管的另一側(cè)，該主光束輸出鏡內(nèi)表面鍍有強(qiáng)反射膜，外表面的上部分也鍍有強(qiáng)反射膜，外表面的下部分鍍有增透膜；尾光束輸出鏡位于上述石英晶體楔的外側(cè)，該輸出鏡內(nèi)表面鍍有強(qiáng)反射膜；橫向磁場(chǎng)發(fā)生器，由上下兩塊平行于所述的激光增益管中軸線的永久磁鐵構(gòu)成，整個(gè)增益管處于磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向平行或垂直于上述激光器產(chǎn)生的任意一種線偏振光的偏振方向；激光回饋外腔，由上述主光束輸出鏡的內(nèi)表面和上述主光束輸出鏡的外表面的上部分構(gòu)成，該主光束輸出鏡既做激光內(nèi)腔鏡又做外腔回饋鏡；回饋外腔折疊器，為一個(gè)空心角錐棱鏡，由三塊互相垂直的鍍有強(qiáng)反射膜的玻璃平板構(gòu)成，置于上述激光回饋外腔的回饋光路中，激光器主輸出端輸出的回饋光依次通過(guò)所述的三塊玻璃平板后，被所述的主光束輸出鏡的外表面的上部分反射回激光回饋外腔；光束準(zhǔn)直擴(kuò)展器，由一組垂直于激光器主輸出端輸出的回饋光的相互平行的透鏡組成，置于上述激光回饋光路的主輸出端，將激光器主輸出端輸出的回饋光進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束；激光回饋水平控制器，為一個(gè)吸收型的可調(diào)衰減器，置于上述光束準(zhǔn)直擴(kuò)展器的一側(cè)，使系統(tǒng)工作在強(qiáng)回饋水平下；信號(hào)探測(cè)與處理部分，包括偏振分光鏡，位于上述尾光束輸出鏡的外側(cè)，用于將尾光束輸出鏡輸出的偏振態(tài)正交的兩頻率的光在空間上分開(kāi)；光電探測(cè)器，共兩個(gè)，都位于上述偏振分光鏡的外側(cè)，用于分別探測(cè)尾光束輸出鏡輸出的兩頻率光的光強(qiáng)；放大和濾波電路，輸入端分別與上述兩個(gè)光電探測(cè)器的輸出端相連，對(duì)上述光電探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波；邏輯判向和計(jì)數(shù)電路，依次由兩個(gè)電壓比較器、兩個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器、正向和反向共兩個(gè)或非門和一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器串聯(lián)構(gòu)成；兩個(gè)電壓比較器輸入端分別與上述放大和濾波電路的輸出端相連，兩個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器輸入端分別與上述兩個(gè)電壓比較器的輸出端相連，電壓比較器每輸出一次電壓跳變，單穩(wěn)觸發(fā)器就生成一個(gè)脈沖信號(hào)，輸入到兩個(gè)或非門元件中；當(dāng)系統(tǒng)正向移動(dòng)時(shí)，正向或非門輸出正向脈沖，反向或非門無(wú)輸出；當(dāng)系統(tǒng)反向移動(dòng)時(shí)，反向或非門輸出反向脈沖，正向或非門無(wú)輸出；正向和反向脈沖信號(hào)按正負(fù)被分別送到可逆計(jì)數(shù)器的加減端，得出物體位移的大小和方向；顯示電路，其輸入端與上述邏輯判向和計(jì)數(shù)電路的輸出端相連，數(shù)字顯示被測(cè)物體沿激光軸線方向的位移大小和方向；底座部分，含有固定支架，分別與上述激光增益管、橫向磁場(chǎng)發(fā)生器、光束準(zhǔn)直擴(kuò)展器、激光回饋水平控制器、激光器尾光束輸出鏡和偏振分光鏡固定相連；本發(fā)明的特征還在于，上面說(shuō)述的石英晶體楔由一片兩面都鍍有增透膜的玻璃窗片和一塊石英晶體替換，該玻璃窗片固定在激光增益管靠近尾光束輸出鏡的一端，該石英晶體固定在底座上，并且置于玻璃窗片和激光器尾光束輸出鏡之間；或者上面說(shuō)述的石英晶體楔由由一片兩面都鍍有增透膜的玻璃窗片和夾在該窗片上的一個(gè)應(yīng)力發(fā)生器替換，該玻璃窗片固定在激光增益管靠近尾光束輸出鏡的一端。
本發(fā)明提供的基于塞曼雙折射雙頻激光器中擴(kuò)束的強(qiáng)光折疊回饋效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)，分辨率可達(dá)十六分之一光波長(zhǎng)，對(duì)于632.8nm的He-Ne激光器，系統(tǒng)分辨率為39.55nm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置測(cè)量范圍可以達(dá)到20mm以上。該位移測(cè)量系統(tǒng)能夠很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體位移的方向進(jìn)行識(shí)別，具有分辨率高、測(cè)量范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高的特點(diǎn)。


圖1本發(fā)明所述的強(qiáng)光回饋位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施實(shí)例之一。
圖2本發(fā)明所述的主光束輸出鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3本發(fā)明所述的空心角錐棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4本發(fā)明所述的石英晶體楔結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5本發(fā)明所述的邏輯判向和計(jì)數(shù)電路框圖。
圖6本發(fā)明所述的強(qiáng)光回饋位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施實(shí)例之二。
圖7本發(fā)明所述的強(qiáng)光回饋位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施實(shí)例之三。
圖8實(shí)驗(yàn)得到的回饋過(guò)程中兩正交偏振光的回饋光強(qiáng)曲線圖。
圖9數(shù)值模擬得到的回饋過(guò)程中兩正交偏振光的回饋光強(qiáng)曲線圖。
圖10系統(tǒng)識(shí)別被測(cè)物體位移方向的示意圖。
圖11被測(cè)物體產(chǎn)生不同位移量時(shí)系統(tǒng)的回饋光強(qiáng)曲線圖。(a)位移量為10mm；(b)位移量為20mm。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種高分辨率，測(cè)量范圍大，可以識(shí)別被測(cè)物體移動(dòng)方向，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高的位移測(cè)量系統(tǒng)。該裝置應(yīng)用內(nèi)表面鍍有高反射膜，外表面的上部分鍍有高反射膜，下部分鍍有增透膜的主光束輸出鏡，以及一個(gè)空心角錐棱鏡構(gòu)成激光回饋折疊系統(tǒng)，使得當(dāng)被測(cè)物體沿激光軸線每移動(dòng)四分之一個(gè)光波長(zhǎng)位移時(shí)，激光器的光強(qiáng)變化一個(gè)條紋，系統(tǒng)分辨率提高一倍，同時(shí)由于在回饋腔中加入光束準(zhǔn)直擴(kuò)展裝置，使得外界干擾對(duì)回饋系統(tǒng)的回饋水平和回饋腔的準(zhǔn)直性影響很小，系統(tǒng)的抗干擾能力很強(qiáng)，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大范圍測(cè)量提供了基礎(chǔ)；回饋外腔中加入可調(diào)衰減器，控制系統(tǒng)工作在強(qiáng)回饋水平下，由于強(qiáng)光回饋效應(yīng)，當(dāng)被測(cè)物體沿激光軸線每移動(dòng)四分之一光波長(zhǎng)時(shí)，激光強(qiáng)度發(fā)生周期性的波動(dòng)，且一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)四個(gè)偏振態(tài)區(qū)o光區(qū)、o光和e光共存區(qū)、e光區(qū)以及無(wú)光區(qū)，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)著物體十六分之一光波長(zhǎng)位移，系統(tǒng)分辨率比傳統(tǒng)的回饋測(cè)量系統(tǒng)提高了八倍，同時(shí)當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)方向變化時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)的四個(gè)偏振態(tài)區(qū)出現(xiàn)的順序發(fā)生改變，由此可以容易實(shí)現(xiàn)物體位移方向的判別。
本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置(實(shí)例一)如圖1所示。圖1中，4為激光器的主光束輸出鏡，其內(nèi)表面鍍有高反射膜，反射率為99.0％，外表面的上部分鍍有高反射膜，反射率為99.0％，下部分鍍有增透膜，如圖2所示；5為激光增益管，內(nèi)充有氦、氖混合氣體，氦氣采用He3同位素，氖氣采用Ne20和Ne22同位素，所充氣體的分壓比He3∶Ne20∶Ne22＝7∶0.5∶0.5；7為石英晶體楔，其兩面都鍍有增透膜，如圖4所示；8為凹面鏡，是激光器的尾光束輸出鏡；6為兩塊永久磁鐵，給整個(gè)增益管施加一個(gè)方向平行或垂直于上述激光器產(chǎn)生的任意一種偏振光的偏振方向的均勻橫向磁場(chǎng)；4的內(nèi)表面和8構(gòu)成激光器諧振腔，4、5、6、7和8共同構(gòu)成塞曼雙折射雙頻激光器；1為空心角錐棱鏡，由三塊互相垂直的鍍有反射率約為99.0％的高反射膜的玻璃平板構(gòu)成，如圖3所示；2為吸收型的可調(diào)衰減器；3為光束準(zhǔn)直擴(kuò)展裝置，由一組透鏡組成；4的外表面上部分和1以及4的內(nèi)表面共同構(gòu)成回饋折疊腔；1、2、3和4共同構(gòu)成準(zhǔn)直的強(qiáng)光回饋折疊腔；9為偏振分光棱鏡；10和11為兩個(gè)光電探測(cè)器；9、10和11構(gòu)成信號(hào)接受裝置，其探測(cè)到的信號(hào)輸入到放大和濾波電路12中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波后輸入到邏輯判向和計(jì)數(shù)電路13中，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理得到被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)位移的大小和方向，通過(guò)顯示裝置15進(jìn)行顯示；14是系統(tǒng)底座；16是玻璃罩，減少外部環(huán)境的干擾；17是外界被測(cè)物體。
本發(fā)明的原理如下單模He-Ne激光器在光回饋情況下，單位長(zhǎng)度內(nèi)的增益變化量Δg為Δg=g-g0=-α2Lcos(4πvl/c+δ),---(1)]]>式中，g為有光回饋時(shí)的單位長(zhǎng)度內(nèi)的線性增益，g0為無(wú)光回饋時(shí)的單位長(zhǎng)度內(nèi)的線性增益，α＝t2r3ξ/r2，其中r2、t2分別為激光器主輸出鏡內(nèi)表面的反射系數(shù)和投射系數(shù)，r2為激光器主輸出鏡外表面上部分表面的反射系數(shù)，ξ為可調(diào)衰減器的衰減系數(shù)，v為激光頻率，c為真空中的光速，L為激光器內(nèi)腔長(zhǎng)，l為激光回饋腔長(zhǎng)的變化。δ為光在外腔回饋引起的固定位相差。
對(duì)于He-Ne雙頻激光器，兩正交偏振模共享激光腔內(nèi)同一增益，由于兩模之間的模競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，可以得到兩模單位長(zhǎng)度內(nèi)的線性增益變化量分別為Δgo=-Δge=-α2Lcos(4πvl/c+δ),---(2)]]>Δgo和Δge分別為o光和e光單位長(zhǎng)度內(nèi)的線性增益變化量。
由于系統(tǒng)所用的雙頻激光器為塞曼雙折射雙頻激光器，其頻差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于激光介質(zhì)光譜的均勻加寬(約200MHz)，o、e光之間的相位差Δφ由模競(jìng)爭(zhēng)決定，實(shí)驗(yàn)所得為Δφ≈π/2。
由于回饋時(shí)激光強(qiáng)度的變化正比于線性增益的變化，即I＝I0-kΔg， (3)式中，I0為沒(méi)有回饋時(shí)的初始光強(qiáng)，k為一常量。
則存在光回饋的條件下，激光器兩正交偏振模的光強(qiáng)為Io＝I0o+αK/2L·cos(4πvl/c+δ)Ie＝I0e-αK/2L·cos(4πvl/c +δ+Δφ)，(4)式中，Io和Ie為光回饋時(shí)o光和e光的光強(qiáng)，I0o和I0e為沒(méi)有光回饋時(shí)o光和e光的初始光強(qiáng)。
對(duì)于折疊回饋系統(tǒng)，設(shè)被測(cè)物體位移變化為Δl，則此時(shí)回饋腔長(zhǎng)變化為l＝2Δl。則外部物體的位移引起的位相變化為Δδ＝4πvl/c＝2π·2Δl/(λ/2)＝2π·Δl/(λ/4)。(5)由式(5)可知，物體每改變四分之一個(gè)波長(zhǎng)的位移，激光強(qiáng)度波動(dòng)一個(gè)周期。
本系統(tǒng)工作于強(qiáng)回饋水平下，ξ較大，因而α較大，激光強(qiáng)度的調(diào)制深度M也較大，M可表達(dá)為M＝αK/2L。
(6)考慮到激光強(qiáng)度無(wú)負(fù)值，準(zhǔn)直的強(qiáng)光回饋折疊系統(tǒng)中o、e光光強(qiáng)表達(dá)式為Io=I0o+αK/2L·cos(8πvΔl/c+δ),(I0o≥M)Io=0,(I0o<M),]]>Ie=I0e+αK/2L·sin(8πvΔl/c+δ),(I0o≥M)Ie=0,(I0o<M)---(7)]]>當(dāng)激光器的頻差Δv為8.86MHz，內(nèi)腔長(zhǎng)L為190mm，外部回饋腔長(zhǎng)l為380mm，系統(tǒng)總的回饋水平為84.8％時(shí)，隨著被測(cè)物體沿著激光軸線移動(dòng)時(shí)，擴(kuò)束的強(qiáng)光折疊回饋效應(yīng)使得兩正交偏振光的光強(qiáng)變化曲線如圖8所示。其中圈點(diǎn)線為o光回饋光強(qiáng)曲線，實(shí)點(diǎn)線為e光回饋光強(qiáng)曲線，三角波為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)被測(cè)物體的驅(qū)動(dòng)電壓曲線。
由圖8我們可以看到，o、e光光強(qiáng)周期性變化，光強(qiáng)調(diào)制深度很大，物體向相反兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，o、e光光強(qiáng)調(diào)制曲線是對(duì)稱的。每個(gè)周期內(nèi)o、e光交替振蕩，且都有無(wú)光區(qū)，出光寬度和無(wú)光寬度幾乎相等，o、e光之間存在約π/2的位相差，這樣每個(gè)周期內(nèi)都存在四種狀態(tài)一為只有e光振蕩，o光此時(shí)熄滅，稱之為e光區(qū)；二為o光和e光共存區(qū)，o光和e光都能夠振蕩；三為o光區(qū)，只有o光振蕩，e光此時(shí)熄滅；四為無(wú)光區(qū)，o、e光都不振蕩。o、e光強(qiáng)調(diào)制曲線的一個(gè)周期對(duì)應(yīng)著被測(cè)物體四分之一光波長(zhǎng)位移，則每個(gè)區(qū)對(duì)應(yīng)著被測(cè)物體十六分之一光波長(zhǎng)位移，對(duì)于632.8nm的He-Ne激光器，系統(tǒng)分辨率為39.55nm，是普通回饋系統(tǒng)分辨率的八倍。
根據(jù)式(7)進(jìn)行仿真分析，數(shù)值模擬得到回饋過(guò)程中兩正交偏振光的回饋光強(qiáng)曲線，如圖9所示。圖8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖9的數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。
圖10為系統(tǒng)識(shí)別被測(cè)物體位移方向的示意圖。一個(gè)周期內(nèi)，o、e光回饋曲線被分為四份，AB為無(wú)光區(qū)，BC為e光區(qū)，CD為o、e光共存區(qū)，DE為o光區(qū)，EF又為無(wú)光區(qū)，F(xiàn)G為e光區(qū)。當(dāng)壓電陶瓷電壓增加，即被測(cè)物體向回饋腔長(zhǎng)減小的方向移動(dòng)時(shí)，四個(gè)區(qū)出現(xiàn)的順序是無(wú)光區(qū)，e光區(qū)，o、e光共存區(qū)，o光區(qū)，無(wú)光區(qū)；當(dāng)壓電陶瓷電壓減小，即被測(cè)物體向回饋腔長(zhǎng)增加的方向移動(dòng)時(shí)，四個(gè)區(qū)出現(xiàn)的順序是無(wú)光區(qū)，o光區(qū)，o、e光共存區(qū)，e光區(qū)，無(wú)光區(qū)；被測(cè)物體位移方向不同時(shí)，四個(gè)區(qū)出現(xiàn)的順序不同，通過(guò)信號(hào)處理可以很方便實(shí)現(xiàn)物體位移方向的辨識(shí)。
圖11為被測(cè)物體產(chǎn)生不同位移量時(shí)系統(tǒng)的回饋光強(qiáng)曲線圖，其中(a)為位移量10mm時(shí)的回饋光強(qiáng)曲線圖，(b)為位移量20mm時(shí)的曲線圖。由圖11可以看到，當(dāng)物體大范圍移動(dòng)時(shí)，o、e光光強(qiáng)曲線幾乎不變，一個(gè)周期內(nèi)曲線仍然可以分為四個(gè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體位移方向的識(shí)別和分辨率的提高。He-Ne激光器有很好的相干性，原理上本發(fā)明所設(shè)計(jì)的位移測(cè)量系統(tǒng)所能測(cè)量的最大位移范圍為激光器相干長(zhǎng)度的一半，實(shí)驗(yàn)表明該位移測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍至少為20mm。本裝置具有高分辨率的同時(shí)還具有非常大的測(cè)量范圍。
本發(fā)明的實(shí)例二的原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。圖6與圖1所示的結(jié)構(gòu)基本相同，1至17共十七個(gè)元件除7外與圖1中都相同，此處不再重復(fù)介紹。7為一窗片，兩面都鍍有增透膜，固定在增益管的一側(cè)；18為石英晶體，置于窗片7和尾光束輸出鏡8之間，用來(lái)產(chǎn)生頻率分裂。4、5、6、7、8和18共同構(gòu)成塞曼雙折射雙頻激光器。系統(tǒng)分辨率仍然是十六分之一光波長(zhǎng)，可識(shí)別被測(cè)物體位移方向，具有大的量程和很強(qiáng)的抗干擾能力。
本發(fā)明的實(shí)例二的原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。圖7與圖1所示的結(jié)構(gòu)基本相同，1至17共十七個(gè)元件除7外與圖1中都相同，此處不再重復(fù)介紹。7為一窗片，兩面都鍍有增透膜，固定在增益管的一側(cè)；18為應(yīng)力施加裝置，它沿垂直激光器增益管的軸線方向?qū)Υ捌?施加一個(gè)應(yīng)力，由于窗片的雙折射效應(yīng)，一個(gè)頻率可以分為兩個(gè)頻率。4、5、6、7、8和18共同構(gòu)成塞曼雙折射雙頻激光器。
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于塞曼雙折射雙頻激光器中擴(kuò)束的強(qiáng)光折疊回饋效應(yīng)的位移測(cè)量系統(tǒng)，該裝置應(yīng)用塞曼雙折射雙頻激光器、光束準(zhǔn)直擴(kuò)展器、空心角錐棱鏡、可調(diào)衰減器和具有高反射率的回饋鏡構(gòu)成擴(kuò)束的強(qiáng)光折疊回饋系統(tǒng)?？招慕清F棱鏡固定在被測(cè)物體上，當(dāng)被測(cè)物體沿激光軸線每移動(dòng)四分之一光波長(zhǎng)時(shí)，激光強(qiáng)度發(fā)生周期性的波動(dòng)，且一個(gè)周期內(nèi)有四個(gè)偏振態(tài)區(qū)o光區(qū)、o光和e光共存區(qū)、e光區(qū)以及無(wú)光區(qū)，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)著物體十六分之一光波長(zhǎng)即39.55nm的位移，探測(cè)偏振態(tài)區(qū)域數(shù)即可得到被測(cè)物體的位移量；當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)方向變化時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)的四個(gè)偏振態(tài)區(qū)出現(xiàn)的順序發(fā)生改變，由此可以判別物體位移方向。該裝置具有精度高、量程大、易判向、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.擴(kuò)束的強(qiáng)光折疊回饋位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述的系統(tǒng)含有擴(kuò)束的強(qiáng)光折疊回饋裝置，包括塞曼雙折射雙頻激光器，輸出頻差小于40MHz的兩正交線偏振頻率，該激光器含有激光增益管，內(nèi)充有氦、氖混合氣體；石英晶體楔，固定于上述激光增益管的一側(cè)；該石英晶體楔兩面都鍍有增透膜；激光器諧振腔，包括主光束輸出鏡和尾光束輸出鏡；主光束輸出鏡固定在上述激光增益管的另一側(cè)，該主光束輸出鏡內(nèi)表面鍍有強(qiáng)反射膜，外表面的上部分也鍍有強(qiáng)反射膜，外表面的下部分鍍有增透膜；尾光束輸出鏡位于上述石英晶體楔的外側(cè)，該輸出鏡內(nèi)表面鍍有強(qiáng)反射膜；橫向磁場(chǎng)發(fā)生器，由上下兩塊平行于所述的激光增益管中軸線的永久磁鐵構(gòu)成，整個(gè)增益管處于磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向平行或垂直于上述激光器產(chǎn)生的任意一種線偏振光的偏振方向；激光回饋外腔，由上述主光束輸出鏡的內(nèi)表面和上述主光束輸出鏡的外表面的上部分構(gòu)成，該主光束輸出鏡既做激光內(nèi)腔鏡又做外腔回饋鏡；回饋外腔折疊器，為一個(gè)空心角錐棱鏡，由三塊互相垂直的鍍有強(qiáng)反射膜的玻璃平板構(gòu)成，置于上述激光回饋外腔的回饋光路中，激光器主輸出端輸出的回饋光依次通過(guò)所述的三塊玻璃平板后，被所述的主光束輸出鏡的外表面的上部分反射回激光回饋外腔；光束準(zhǔn)直擴(kuò)展器，由一組垂直于激光器主輸出端輸出的回饋光的相互平行的透鏡組成，置于上述激光回饋光路的主輸出端，將激光器主輸出端輸出的回饋光進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束；激光回饋水平控制器，為一個(gè)吸收型的可調(diào)衰減器，置于上述光束準(zhǔn)直擴(kuò)展器的一側(cè)，使系統(tǒng)工作在強(qiáng)回饋水平下；信號(hào)探測(cè)與處理部分，包括偏振分光鏡，位于上述尾光束輸出鏡的外側(cè)，用于將尾光束輸出鏡輸出的偏振態(tài)正交的兩頻率的光在空間上分開(kāi)；光電探測(cè)器，共兩個(gè)，都位于上述偏振分光鏡的外側(cè)，用于分別探測(cè)尾光束輸出鏡輸出的兩頻率光的光強(qiáng)；放大和濾波電路，輸入端分別與上述兩個(gè)光電探測(cè)器的輸出端相連，對(duì)上述光電探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波；邏輯判向和計(jì)數(shù)電路，依次由兩個(gè)電壓比較器、兩個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器、正向和反向共兩個(gè)或非門和一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器串聯(lián)構(gòu)成；兩個(gè)電壓比較器輸入端分別與上述放大和濾波電路的輸出端相連，兩個(gè)單穩(wěn)觸發(fā)器輸入端分別與上述兩個(gè)電壓比較器的輸出端相連，電壓比較器每輸出一次電壓跳變，單穩(wěn)觸發(fā)器就生成一個(gè)脈沖信號(hào)，輸入到兩個(gè)或非門元件中；當(dāng)系統(tǒng)正向移動(dòng)時(shí)，正向或非門輸出正向脈沖，反向或非門無(wú)輸出；當(dāng)系統(tǒng)反向移動(dòng)時(shí)，反向或非門輸出反向脈沖，正向或非門無(wú)輸出；正向和反向脈沖信號(hào)按正負(fù)被分別送到可逆計(jì)數(shù)器的加減端，得出物體位移的大小和方向；顯示電路，其輸入端與上述邏輯判向和計(jì)數(shù)電路的輸出端相連，數(shù)字顯示被測(cè)物體沿激光軸線方向的位移大小和方向；底座部分，含有固定支架，分別與上述激光增益管、橫向磁場(chǎng)發(fā)生器、光束準(zhǔn)直擴(kuò)展器、激光回饋水平控制器、激光器尾光束輸出鏡和偏振分光鏡固定相連；
2.權(quán)利要求1說(shuō)述的石英晶體楔由一片兩面都鍍有增透膜的玻璃窗片和一塊石英晶體替換，該玻璃窗片固定在激光增益管靠近尾光束輸出鏡的一端，該石英晶體固定在底座上，并且置于玻璃窗片和激光器尾光束輸出鏡之間；
3.權(quán)利要求1說(shuō)述的石英晶體楔由由一片兩面都鍍有增透膜的玻璃窗片和夾在該窗片上的一個(gè)應(yīng)力發(fā)生器替換，該玻璃窗片固定在激光增益管靠近尾光束輸出鏡的一端。
全文摘要
擴(kuò)束的強(qiáng)光折疊回饋位移測(cè)量系統(tǒng)，屬于激光測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于應(yīng)用塞曼雙折射雙頻激光器、光束準(zhǔn)直擴(kuò)展器、空心角錐棱鏡、可調(diào)衰減器和具有強(qiáng)反射率的回饋鏡構(gòu)成擴(kuò)束的強(qiáng)光折疊回饋系統(tǒng)。當(dāng)被測(cè)物體沿激光軸線每移動(dòng)四分之一光波長(zhǎng)的位移時(shí)，激光強(qiáng)度發(fā)生周期性的波動(dòng)，且一個(gè)周期內(nèi)存在四個(gè)偏振態(tài)區(qū)o光區(qū)、o光和e光共存區(qū)、e光區(qū)以及無(wú)光區(qū)，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)著物體十六分之一光波長(zhǎng)位移，探測(cè)偏振態(tài)區(qū)域數(shù)即可得到被測(cè)物體的位移量；當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)方向變化時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)的四個(gè)偏振態(tài)區(qū)出現(xiàn)的順序也發(fā)生改變，由此可以判別物體位移方向。該裝置具有精度高、量程大、易判向、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1888816SQ20061008884
公開(kāi)日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者張書(shū)練, 毛威 申請(qǐng)人:清華大學(xué)