具有方向识别功能的自混合干涉HeNe激光位移传感器

摘要

具有方向识别功能的自混合干涉HeNe激光位移传感器，属于激光位移测量领域，其特征在于：它由光源，测量部分和信号处理3个部分组成，结构紧凑，仅有一个干涉通道。光源使用的是能输出两光强不同的正交偏振光的双纵模激光器，在测量过程中，对激光器输出的两束正交的偏振光进行探测可以获得两路相位差相反的光强信号，两光强信号一个周期中有两个不同的等光强点。两等光强点差值的正负因物体移动方向的不同而不同，可以据此实现判向。每一个周期的光强信号对应激光器半个波长的位移，即系统的分辨率为半个激光器波长。它是一种结构紧凑简单紧凑，性价比高，并能实现在无需控制光回馈水平的条件下实现判向的自混合干涉位移传感器。

说明书

技术领域

本发明属于激光测位移技术领域。

背景技术

激光位移传感器在测量和计量领域应中用广泛，近年来自混合干涉干涉仪研究广泛。相比于传统的干涉仪，自混合干涉仪具有结构简单、对准直性要求不高和性价比高的优点。自混合干涉仪装置中，光路系统只有一只激光器和一个外界反射物或散射物(即待测物体)。激光器输出的光被反射或散射后，部分光返回激光谐振腔与腔内光混合引起激光器的光强变化。外部待测物体每移动半个光波波长的位移，激光器光强变化一个条纹，条纹的形状因回馈水平的不同而呈现不同形状。条纹的波动深度与传统双光束干涉系统可比较。此时激光器光强条纹可直接用于计数而实现位移测量，系统分辨率为半个波长。

自混合干涉位移测试技术大部分的研究都集中于半导体激光器中的自混合干涉研究。半导体激光器中的自混合干涉现象比较复杂，可以根据回馈系数C的不同而分为四种光回馈水平：

A.很弱光回馈(C□1)，回馈信号为余弦波形；

B.弱光回馈(0.1＜C＜1)，回馈信号为类锯齿波波形；

C.中等光回馈(1＜C＜4.6)，回馈信号为类锯齿波波形，激光器出现双稳态；

D.强光回馈(C＞4.6)，回馈过强，不能用于干涉测量。

在弱光回馈和中等光回馈水平下，半导体激光器的自混合干涉信号为非对称的类锯齿波形状，锯齿波的倾斜方向与外腔反射物的移动方向有关。同时考虑到每个周期类锯齿波对应外腔反射物半个波长的位移，故不仅可以利用类锯齿波实现方向识别而且也可以实现位移的测量。因此半导体自混合干涉系统可以实现使用一路光信号实现判向的目的。在中等光回馈水平下，自混合干涉信号会出现迟滞的现象，将给计数带来误差。因此对于使用半导体激光器的自混合干涉系统在弱光回馈水平下能够有效的实现位移测量，但需要将激光器的回馈水平严格控制在弱光回馈水平。如果光回馈水平因外界待测物体表面反射或散射性能的变好或变差而使得激光器工作在很弱光回馈水平或中等光回馈水平，系统将因自混合干涉信号为对称的正弦信号而不能实现判向或因迟滞现象而引起测量误差。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构紧凑，性价比高，能实现判向并且无需控制光回馈水平的自混合干涉位移传感器。

本发明特征在于，它含有：

光源部分，它是一只双纵模的激光器，它的输出是光强不同的两束正交的偏振光；

测量部分，它包括压电陶瓷以及结合在所述压电陶瓷上的作为待测物体的外腔反射镜；所述外腔反射镜的入射光束是上述双纵模的激光器输出的两束正交且光强不同的偏振光；当外腔反射镜沿着上述双纵模激光器输出的主光束的方向运动时，所述外腔反射镜的反射光与上述双纵模激光器谐振腔内的两正交偏振光混合后引起激光器中两正交偏振光光强的变化，两正交偏振光的光强曲线变化趋势相反，并且在一个周期内的上述两正交偏振光的光强曲线条纹中出现了两个不同的等光强点，所述等光强点差值的正负因所述外腔反射镜的运动方向而异；

信号处理部分，包括：

Wollaston棱镜，位于所述双纵模的激光器的尾光输出端，所述棱镜的输入光信号是两束正交的偏振光；

光电探测器，共两个，都位于所述Wollaston棱镜的另一侧，所述光电探测器的两个输入信号分别是已经被分开的所述Wollaston棱镜输出的两束正交的偏振光；

信号处理装置，它是一台计算机或单片机，它采集所述两光电探测器的输出信号并进行实时的信号处理，识别出上述一个周期条纹中两个等光强点差值的正负，并将位移测量结果显示出来。

本发明提供了一种结构紧凑简单，性价比高，能实现判向并且无需控制光回馈水平的自混合干涉位移传感器，见图1。

附图说明

图1本发明所述自混合干涉位移传感器实施实例之一。

图2本发明所述自混合干涉位移传感器实施实例之二。

图3本发明所述自混合干涉位移传感器实施实例之三。

图4(a)光回馈过程中两束正交的偏振光光强随压电陶瓷驱动电压变化曲线图；(b)压电陶瓷驱动电压上升时两等光强点示意图；(c)压电陶瓷驱动电压下降时两等光强点示意图。

图5 450MHz频差的双折射双频激光器中两光强随压电陶瓷驱动电压变化曲线图

图6(a)两束正交的偏振光光强随压电陶瓷驱动电压变化曲线图；(b)电子细分后的位移曲线图。

具体实施方式

本发明的实例1如图1所示，1为HeNe激光器的尾光输出镜，其反射率一般为99.8％，2为激光器的增益管，内部充有HeNe的混合气体，3为激光器的增透窗片，4为激光器的主光束输出镜，反射率一般为98％。1，2，3和4共同组成了一只HeNe激光器的主体，腔长为126mm，通过微调激光器腔长，可以使得该激光器为双纵模激光器，能够输出两线性正交偏振光。5为外腔反射镜，在实际应用中，该反射镜为待测物体。6为压电陶瓷用来驱动反射镜5沿着光线方向的移动。5和6两个元件组成了自混合干涉系统的外腔，腔长为290mm。激光器的尾光经Wollaston棱镜7分为两束正交的偏振光，两束正交的偏振光分别由探测器8和9进行探测，所得两光电信号由计算机12进行处理。计算机12通过软件编程的方式实现集信号采集、条纹计数、方向识别以及测量结果显示的功能。整个系统可以分为三部分：11为测量部分即自混合干涉系统的外腔，12为信号处理部分，13为光源部分。

本发明原理如下。自混合干涉系统的回馈系数C可以如下表示：

$>>C>=>>>>(>1>->>R>2>2>>)>>>R>s>>>>R>2>\; >>\tau >>\tau >c>\; >>1>+>>b>2>\; >->->->->>(>1>)>>>s>$

其中R₂和R_s分别为主光束输出镜4和外腔反射镜5的反射率；τ和τ_c分别为光束在外腔和内腔行进一个来回的时间；b为线宽增益系数。主光束输出镜4的反射率R₂＝0.98几乎为1，使得无论外腔反射镜5反射率R_s如何变化，回馈系数C都将远小于1，故使用短腔长HeNe激光器的自混合干涉系统都属于很弱光回馈水平。在很弱光回馈水平下双纵模HeNe激光器中两束正交的偏振光(两个纵模)的光强可以表示为：

          I_∥＝I_∥0[1+mcos()]         (2)

          I_⊥＝I_⊥0[1+mcos(+Δ)]    (3)

I_∥和I_⊥分别代表平行光和垂直光在光回馈存在时的光强，而I_∥和I_⊥0则分别代表平行光和垂直光在无光回馈时的光强。m为光回馈的调制系数。＝4πl/λ为光束在外腔行进一个来回所引起的相位差，其中l为外腔长度。Δ为因两光间的模竞争而引起的相位差，对于双纵模HeNe激光器两模间竞争比较激烈，实验结果表明，两束正交的偏振光的光强曲线间相位差约为180度。因此对于本申请的系统Δ取π，公式3可以表达为：

             I_⊥＝I_⊥0[1-mcos()]    (4)

因此当将双纵模HeNe激光器输出的两束正交的偏振光同时回馈回激光谐振腔后，可以直接获得有相位相反的两条光强曲线，例如图4(a)所示。图4(a)中上图为两束正交的偏振光光强曲线，圈点曲线为平行光回馈曲线而实点曲线图则为垂直光回馈曲线。图4(a)中下图为压电陶瓷的三角波驱动信号。由于两纵模初始强度不同，二者在光回馈中所表现出竞争优势也不同，较强的模在其光强最大值附近时，较强模式处于强势地位使得较弱模的光强为零，对应着光强曲线上的水平直线部分。较强的模在其光强最小值附近时，较弱模的表现出其竞争优势，其光强曲线表现为一个脉冲式的鼓包，强度上升和下降的都很快。两光强曲线有两个等光强点，并且这两个点的光强电平高低不同。当压电陶瓷5的驱动电压上升时，左边的等光强点高于右边的等光强点，如图4(b)所示。而当压电陶瓷5的驱动电压下降时，左边的等光强点低于右边的等光强点，如图4(c)所示。图5则给出了450MHz频差的双折射双频激光器中两光强曲线图。相比于图4，图5中两光强曲线一个周期中的两等光强点电平差值更加明显。因此左右两等光强点差值的正负可以代表压电陶瓷伸缩变化的方向，从而可以实现对待测物体方向的识别。因此只需在信号采集的过程中，在一个周期信号中的第二个等光强点处进行计数，计数的加或减取决于两光强信号的两等光强点差值的正负，例如取当左边的等光强点高于右边的等光强点时计数器加1，而当左边的等光强点低于右边的等光强点时计数器减1。例如图6所示，图6(a)和图6(b)是同时获得的两组曲线，图6(a)上图为双纵模激光器两偏振光光强曲线图，下图为压电陶瓷驱动电压。而图6(b)则为位移曲线图。位移曲线图中的每一个台阶代表λ/2＝316.4nm的位移。由图6可知，当压电陶瓷5的驱动电压上升时，位移曲线将随着一个光强曲线条纹的出现而出现一个上升的台阶，而当压电陶瓷5的驱动电压下降时，位移曲线则将随着一个光强曲线条纹的出现而出现一个下降的台阶。图5(b)中的位移能够反映出物体移动方向的变化，同时也能随着条纹的出现而计数。故本申请的位移传感器可以实现判向，同时系统分辨率为λ/2＝316.4nm。

本发明的实例2的结构示意图如图2所示。1-10共十个元件与图1中1-10共十个元件相同，故此处不再重复介绍。14为置于激光器谐振腔中的晶体石英，可以使一只单纵模的激光器的一个纵模分裂为两个偏振方向互相垂直的纵模。晶体石英的使用可以实现在一只短腔长的单纵模激光器中实现双纵模的输出，减小了激光器的腔长。

本发明的实例3的结构示意图如图3所示。1-10共十个元件仍与图1中1-10共十个元件相同，故此处也不再重复介绍。15为机械式应力施加装置，它沿垂直于激光增益管轴的方向对增透窗片施加一个应力，使得增透窗片发生双折射效应，可以使得一只单纵模的激光器的一个纵模分裂为两个偏振方向互相垂直的纵模。应力的施加也可以减小激光器的腔长，实现在一只短腔长的单纵模激光器中实现双纵模的输出。

本发明所设计的自混合干涉位移传感器由光源，测量部分和信号处理3个部分组成。其系统光源使用的是能输出两不同光强的正交偏振光的双纵模HeNe激光器。在测量过程中，对激光器输出的两束正交的偏振光进行探测可以获得两路相位差相反的光强信号，两光强信号一个周期中有两个不同的等光强点。两等光强点差值的正负因物体移动方向的不同而不同，可以据此实现判向。每一个周期的光强信号对应λ/2的位移，即系统的分辨率为半个激光器波长。本申请的位移传感器是一种结构紧凑简单紧凑，性价比高，并能实现在无需控制光回馈水平的条件下实现判向的自混合干涉位移传感器。