專利名稱：位移測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于位移測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是關(guān)于一種基于法布里-珀羅外腔回饋的納米級位移測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
納米測量是納米科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，而納米科學(xué)主要是研究、發(fā)現(xiàn)和加工結(jié)構(gòu)尺寸小于100納米的材料、器件和系統(tǒng)，以獲得所需要的功能和性能，并已經(jīng)在材料、化學(xué)、生物、能源和醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著納米時代的到來，對納米尺度的產(chǎn)品進行檢測的需求日益增大，同時也對納米測量技術(shù)提出了更高的標準。納米測量需要在毫米級的測量范圍內(nèi)達到納米級的分辨率，同時需要綜合考慮環(huán)境條件、系統(tǒng)復(fù)雜程度及溯源性等方面的要求。納米測量技術(shù)按照量程、分辨率和測量不確定度的標準，可以分為兩大類一類是激光干涉儀技術(shù)，其特點是量程大，可達幾十米，但對小于半個光波長的位移需要用電子鑒相等細分方法來實現(xiàn)；另一類是差拍法布里-拍羅(Fabry-Perot,F-P)干涉儀技術(shù)、X射線干涉儀技術(shù)、光學(xué)+X射線干涉儀技術(shù)、頻率測量技術(shù)和光頻梳技術(shù)等，他們的特點是分辨率和測量不確定度低，可達亞納米甚至皮米量級。然而激光干涉儀技術(shù)由于電子噪聲等非線性誤差的影響，半波長以內(nèi)的位移測量并不可靠，因此難以滿足高分辨率的要求。而差拍法布里-珀羅干涉儀技術(shù)等的量程小，一般在微米量級，限制了其應(yīng)用范圍。基于激光回饋的位移測量方法具有結(jié)構(gòu)簡單、自準直和性價比高的優(yōu)點。然而，傳統(tǒng)的利用激光回饋測量位移的測量裝置中，由于采用非準直的外腔回饋，激光束在回饋外腔中的回饋階次和分辨率并不能直接獲得，而是需要干涉儀標定后才能知道該裝置的分辨率，在實現(xiàn)納米級的位移測量分辨率的時候，無法實現(xiàn)分辨率的自標定。

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，確有必要提供一種具納米級的位移測量分辨率且能夠直接獲得分辨率的位移測量系統(tǒng)。一種位移測量系統(tǒng)，主要包括一激光器，用以輸出雙頻激光，所述激光器包括一第一內(nèi)腔反射鏡、一增益管、一增透窗片、一雙折射元件以及一第二內(nèi)腔反射鏡沿輸出激光的軸線依次共軸設(shè)置，所述雙折射元件設(shè)置于第二內(nèi)腔反射鏡與所述增透窗片之間，并分別與所述第二內(nèi)腔反射鏡及所述增透窗片間隔設(shè)置用以產(chǎn)生分頻激光；一數(shù)據(jù)采集及處理單元，所述數(shù)據(jù)采集及處理單元包括一分光棱鏡靠近所述第一內(nèi)腔反射鏡設(shè)置以接收激光器輸出的激光，并將激光分成ο光及e光，一第一光電探測器及第二光電探測器與所述分光棱鏡間隔設(shè)置以接收所述ο光及e光并轉(zhuǎn)換為兩路電信號，一濾波放大電路與所述第一光電探測器及第二光電探測器電連接以處理兩路電信號，一信號處理單元與所述濾波放大電路電連接以計算脈沖數(shù)，一顯示裝置與所述信號處理單元電連接以顯示脈沖數(shù)；其中，進一步包括一回饋單元，所述回饋單元包括一第一反射鏡及第二反射鏡相對間隔且平行設(shè)置，所述第一反射鏡具有一第一表面以直接接收入射激光，所述第一表面的法線與所述入射激光形成一夾角α，所述第二反射鏡包括一第三表面、與所述第一表面相對的第四表面及第五表面，所述第三表面與所述第一表面相對且平行的，所述第三表面包括一反射區(qū)域及透射區(qū)域，所述反射區(qū)域設(shè)置有反射膜，所述透射區(qū)域設(shè)置有增透膜，所述第五表面與所述透射區(qū)域相對設(shè)置，且表面設(shè)置有反射膜并與所述第三表面形成一夾角β，從激光器入射到回饋單元的激光直接入射到第一反射鏡，經(jīng)第一反射鏡與第二反射鏡的反射區(qū)域之間多次反射后，從所述透射區(qū)域入射到所述第五表面，并經(jīng)第五表面反射后再沿原路返回所述激光器。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的位移測量系統(tǒng)，通過在回饋單元中設(shè)置第二反射鏡與第一反射鏡形成回饋單元，利用激光在第一反射鏡及第二反射鏡之間往返的單重高階弱回饋效應(yīng)，一方面具有高階倍頻效應(yīng)，能夠達到納米級的位移測量分辨率；另一方面，所述位移測量系統(tǒng)的分辨率同時可根據(jù)回饋單元中的反射光點數(shù)得到，而無需其他裝置進行標定，因此方法更加簡單，因 此具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明實施例提供的位移測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1所述位移測量系統(tǒng)中第二反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2所示第二反射鏡沿線II1-1II方向的剖面圖。圖4為激光在圖1所示位移測量系統(tǒng)所述回饋單元中的光路圖。圖5為圖4所示激光在第二反射鏡中的光路圖。圖6Α為傳統(tǒng)位移測量系統(tǒng)測量位移的回饋光強調(diào)制曲線。圖6Β為圖1所述的位移測量系統(tǒng)測量位移的回饋光強調(diào)制曲線。圖7Α為圖1所述位移測量系統(tǒng)中回饋階次η=7時的回饋光強調(diào)制曲線。圖7Β為圖1所述位移測量系統(tǒng)中回饋階次η=21時的回饋光強調(diào)制曲線。圖7C為圖1所述位移測量系統(tǒng)中回饋階次η=33時的回饋光強調(diào)制曲線。主要元件符號說明第一反射鏡I第二反射鏡2第二內(nèi)腔反射鏡 3雙折射元件4增透窗片5增益管6第一內(nèi)腔反射鏡 7分光棱鏡8第一光電探測器 9第二光電探測器 10濾波放大電路11信號處理單元12顯示裝置13
激光器20回饋單元30數(shù)據(jù)采集及處理單元40第一表面101第三表面201反射區(qū)域201a透射區(qū)域201b第四表面202第五表面203如下具體實施例將結(jié)合上述附圖進一步說明本發(fā)明。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖詳細說`明本發(fā)明提供的位移測量系統(tǒng)及其測量方法。請參閱圖1，本發(fā)明第一實施例提供一種位移測量系統(tǒng)，所述位移測量系統(tǒng)包括一激光器20，一回饋單元30以及一數(shù)據(jù)采集及處理單元40。從所述激光器20輸出的激光進入所述回饋單元30，經(jīng)回饋單元30回饋反射后返回所述激光器20，并進入數(shù)據(jù)采集及處理單元40。所述激光器20，用于輸出雙頻激光；可選擇為為氣體激光器、固體激光器、或半導(dǎo)體激光器等。本實施例中，所述激光器20為一氦氖激光器。所述激光器20包括一外殼15,以及設(shè)置于外殼15內(nèi)的一第一內(nèi)腔反射鏡7、一增益管6、一增透窗片5、一雙折射元件4和一第二內(nèi)腔反射鏡3。所述外殼15有助于保持激光器20內(nèi)部的溫度以及熱平衡。所述增益管6可通過一支撐架14固定于所述外殼15內(nèi)?？梢岳斫?，所述支撐架14、外殼15為一可選結(jié)構(gòu)。所述第一內(nèi)腔反射鏡7、增益管6、增透窗片5、雙折射元件4以及第二內(nèi)腔反射鏡3沿所述激光器20輸出激光的軸線依次共軸設(shè)置，并構(gòu)成激光器的內(nèi)腔。所述雙折射元件4用于產(chǎn)生頻率分裂，使所述激光器20輸出雙頻激光，所述雙折射元件4的材料可為石英晶體、雙解石等，也可以為其他能夠產(chǎn)生頻率分裂的材料。所述雙折射元件4位于所述增透窗片5與所述第二內(nèi)腔反射鏡3之間，且與所述增透窗片5及所述第二內(nèi)腔反射鏡3間隔設(shè)置。所述雙折射元件4在輸出激光軸線方向上具有相對的兩個平面，且所述兩個平面都鍍增透膜。所述激光器20的內(nèi)腔的腔長可為180mm 200mm。所述數(shù)據(jù)采集及處理單元40用以接收從所述激光器20第一內(nèi)腔反射鏡7輸出的干涉激光，并進行數(shù)據(jù)處理并計算脈沖數(shù)。所述數(shù)據(jù)采集及處理單元40包括一分光棱鏡8、第一光電探測器9、第二光電探測器10、一濾波放大電路11、一信號處理單兀12以及一顯不裝置13。所述分光棱鏡8靠近所述激光器20的第一內(nèi)腔反射鏡7設(shè)置，以接收從激光器20中第一內(nèi)腔反射鏡7輸出的激光，并將輸出的激光在空間分成兩路具有位相差的ο光、e光分量。所述第一光電探測器9、第二光電探測器10用以分別探測由分光棱鏡8輸出的ο光和e光分量，并將其轉(zhuǎn)換為兩路電信號。所述濾波放大電路11與所述第一光電探測器9以及第二光電探測器10電連接，并對兩路電信號進行電流/電壓轉(zhuǎn)換、放大及濾波處理。所述信號處理單元12用于對濾波放大電路11輸出的兩路電信號進行處理和實現(xiàn)計數(shù)，以計算光程變化時產(chǎn)生的脈沖數(shù)N，并根據(jù)兩路電信號的位相相對超前或滯后判斷被測物體的運動方向。進一步，可通過所述顯示裝置13與所述信號處理單元12電連接，用于對脈沖數(shù)N進行顯示?？梢岳斫?，所述顯示裝置13僅為一可選擇結(jié)構(gòu)，所述脈沖數(shù)N也可通過其他計數(shù)元件獲得。請一并參閱圖2及圖3，所述回饋單元30包括一第一反射鏡I以及第二反射鏡2與所述第一反射鏡I相對且間隔設(shè)置，其間距d可大于等于I毫米小于等于1000毫米，如2毫米，5毫米，10毫米，20毫米等。在其他參數(shù)不變的情況下，所述間距越小，則所述位移測量系統(tǒng)的分標率越高。所述回饋單元30構(gòu)成所述激光器20的FP回饋外腔。所述第一反射鏡I及第二反射鏡2的材料可均為玻璃，也可為其他透明固體材料。所述第一反射鏡I具有一第一表面101面向所述激光器20，使輸出激光可直接入射到所述第一表面101。所述第一表面101為平面，且所述第一表面101的表面鍍有反射膜以反射入射的激光。所述第一表面101的法線與所述入射激光所形成一夾角α，所述α大于零度小于90度，優(yōu)選的，所述α可大于等于I度小于等于10度。在維持α不變的情況下，所述第一反射鏡I可沿所述激光器20輸出激光軸線方向移動，以改變第一反射鏡I與第二反射鏡2之間的間距。本實施例中，所述第一反射鏡I的材料為玻璃，厚度為3毫米，所述α為4度。所述第二反射鏡2包括一面向所述第一反射鏡I中第一表面101且平行的于第一表面101的第三表面201，以及與所述第三表面201相對的第四表面202和第五表面203，所述第四表面202與第五表面203背對所述第一表面101設(shè)置。所述第四表面202可為一平面、曲面、折面等，本實施例中，所述第四表面202為一與所述第三表面201平行的平面，所述第四表面202與所述第三表面201之間的距離即為所述第二反射鏡2的厚度d。所述第五表面203為一平面，與所述第四表面202相連接，在所述第五表面203與所述第四表面202的連接處形成一交接線。所述第四表面202靠近所述激光器20的出射激光設(shè)置，所述第五表面203遠離所述激光器20的出射激光設(shè)置。所述第五表面203與所述第三表面201形成一夾角β。所述第五表面203在遠離所述輸出激光方向上逐漸靠近所述第三表面201。所述第五表面203從所述交界線開始沿與第四表面102呈β角方向上最大延伸長度定義為所述第五表面203的寬度I2，所述I2可大于等于10毫米。本實施例中，所述第五表面203的寬度I2等于10毫米。所述第三表面201與所述激光輸出方向所形成的角度為α，按照功能不同可所述第三表面201定義有靠近所述入射激光的一反射區(qū)域201a以及一遠離所述入射激光的透射區(qū)域201b。所述反射區(qū)域201a的表面鍍有反射膜，用于反射從第一表面101反射的激光，所述透射區(qū)域201b的表面鍍有增透膜，用于透射從所述第一表面101反射的激光，使所述激光入射入所述第五表面203。從激光器20輸出入射到所述第一表面101后,在第一表面101與反射區(qū)域201a之間經(jīng)多次反射，從所述透射區(qū)域201b入射到所述第五表面203。具體地，所述反射區(qū)域201a的寬度可為50毫米至100毫米，所述透射區(qū)域201b的寬度I1定義為所述透射區(qū)域201b在沿與激光器20的出射激光呈α角度方向上的最大跨度。優(yōu)選的，所述透射區(qū)域201b的寬度I1大于等于10毫米。本實施例中，所述透射區(qū)域201b的寬度I1等于10毫米。進一步的，所述第五表面203的寬度I2與所述透射區(qū)域201b的寬度I1滿足如下關(guān)系:
權(quán)利要求
1.一種位移測量系統(tǒng),主要包括: 一激光器，用以輸出雙頻激光； 一數(shù)據(jù)采集及處理單元，用以接收激光器輸出的干涉激光并進行數(shù)據(jù)處理； 其特征在于，進一步包括一回饋單元，所述回饋單元包括一第一反射鏡及第二反射鏡相對且間隔設(shè)置，所述第一反射鏡具有一第一表面以直接接收入射激光，所述第一表面的法線與所述入射激光形成一夾角α，所述第二反射鏡包括一第三表面及與所述第三表面相對的第五表面，所述第三表面面對所述第一表面且與所述第一表面平行設(shè)置，所述第五表面背對所述第一表面設(shè)置，所述第五表面遠離所述出射激光設(shè)置且具有反射膜，并與所述第三表面形成一夾角β，且在遠離所述輸出激光方向上逐漸靠近所述第三表面，所述第三表面包括一靠近所述入射激光的反射區(qū)域及遠離所述入射激光的透 射區(qū)域，所述反射區(qū)域設(shè)置有反射膜，所述透射區(qū)域設(shè)置有增透膜，從激光器入射到回饋單元的激光直接入射到第一反射鏡，在第一反射鏡與第二反射鏡的反射區(qū)域之間經(jīng)多次反射后，從所述透射區(qū)域入射到所述第五表面，并經(jīng)第五表面反射后再沿原路返回所述激光器。
2.如權(quán)利要求1所述的位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述α、β以及所述第二反射鏡的折射率η2滿足如下關(guān)系
3.如權(quán)利要求1所述的位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述夾角α大于等于I度小于等于10度。
4.如權(quán)利要求1所述的位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第二反射鏡進一步包括一與所述第三表面相對且平行的第四表面，所述第四表面與所述第五表面相連接，所述第五表面的寬度I2與所述透射區(qū)域的寬度I1滿足如下關(guān)系:
5.如權(quán)利要求1所述的位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第二反射鏡透射區(qū)域的寬度大于等于10毫米。
6.如權(quán)利要求1所述的位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述位移測量系統(tǒng)的分辨率δ為: η λ.,,，其中，λ為激光為入射激光#回_單.Ttft白勺往M次數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的位移探測系統(tǒng)，其特征在于，第一反射鏡的位移Ab通過以下公 式獲得:
8.如權(quán)利要求1所述的位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述位移測量裝置的光學(xué)分辨率小于8納米。
9.如權(quán)利要求1所述的位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器包括一第一內(nèi)腔反射鏡、一增益管、一增透窗片、一雙折射元件以及一第二內(nèi)腔反射鏡沿輸出激光的軸線依次共軸設(shè)置，所述雙折射元件設(shè)置于第二內(nèi)腔反射鏡與所述增透窗片之間，并分別與所述第二內(nèi)腔反射鏡及所述增透窗片間隔設(shè)置用以產(chǎn)生分頻激光。
10.如權(quán)利要求1所述的位移測量系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集及處理單元包括一分光棱鏡靠近所述第一內(nèi)腔反射鏡設(shè)置以接收激光器輸出的激光，并將激光分成O光及e光，一第一光電探測器及第二光電探測器與所述分光棱鏡間隔設(shè)置以接收所述ο光及e光并轉(zhuǎn)換為兩路電信號，一濾波放大電路與所述第一光電探測器及第二光電探測器電連接以處理兩路電信號，一信 號處理單元與所述濾波放大電路電連接以計算脈沖數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種位移測量系統(tǒng)，主要包括一激光器，用以輸出雙頻激光、一數(shù)據(jù)采集及處理單元及一回饋單元，所述回饋單元包括一第一反射鏡及第二反射鏡相對間隔且平行設(shè)置，所述第一反射鏡具有一第一表面以直接接收入射激光，所述第一表面的法線與所述入射激光形成一夾角α，所述第二反射鏡包括一第三表面、與所述第一表面相對的第四表面及第五表面，所述第三表面與所述第一表面相對且平行的，所述第三表面包括一反射區(qū)域及透射區(qū)域，所述反射區(qū)域設(shè)置有反射膜，所述透射區(qū)域設(shè)置有增透膜，所述第五表面與所述透射區(qū)域相對設(shè)置，且表面設(shè)置有反射膜并與所述第三表面形成一夾角β。
文檔編號G01B11/02GK103075966SQ20121059198
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月29日
發(fā)明者張書練, 曾召利, 談宜東, 李巖 申請人:清華大學(xué)