一种He-Ne激光器双折射外腔回馈位移测量系统

摘要

本发明涉及一种He-Ne激光器双折射外腔回馈位移测量系统，它包括全内腔He-Ne单纵模激光器，其发出单频线偏振光，一部分单频线偏振光经外腔回馈系统向稳频信号探测和处理系统发送回馈光，另一部分由稳频信号探测和处理系统向全内腔He-Ne单纵模激光器发送稳频探测信号；全内腔He-Ne单纵模激光器向测量信号探测与处理系统发出回馈调制光，得到测量结果；外腔回馈系统包括压电陶瓷、外部反射镜和双折射元件，压电陶瓷在外部驱动电压作用下推动外部反射镜沿激光轴线方向左、右移动，全内腔He-Ne单纵模激光器输出的单频线偏振光经外部反射镜反射，两次经过双折射元件，回馈到谐振腔中。本发明具有量程大、分辨率高的特点，本发明能广泛应用于激光测量系统应用中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光测量系统，特别是一种关于He-Ne激光器双折射外腔回馈位 移测量系统。

背景技术

激光回馈效应又称激光自混合干涉或背向散射调制，是指一个外部反射表面将激 光器的部分输出光反射回谐振腔，与其内部的光场叠加，随着外部反射表面的移动， 激光器的输出功率将发生周期性调制。对激光输出功率信号进行解调，即可得到外部 反射表面的信息。激光回馈技术与传统的双光束干涉效应相比，具有相同的相位灵敏 度和调制深度，并且由于激光回馈测量技术仅具有一个光学通道，因此具有结构简单、 紧凑、易于准直和成本低的优点。因此，自从1961年King等人发现之后，激光回馈 现象引起了各国学者的广泛关注，激光回馈技术逐渐应用于位移、速度、振动和形貌 等方面的测量。

中国发明专利申请号为200710064456.4的“双折射外腔回馈位移测量系统”中指 出：在Nd:YAG激光器回馈系统的回馈外腔中引入双折射元件并成功用于位移测量，这 是首次将双折射元件引入激光回馈系统，该系统应用半导体激光器泵浦的单频微片 Nd:YAG激光器、衰减片、45度双折射元件和外部反射镜构成双折射外腔回馈位移测量 系统。该双折射外腔回馈位移测量系统在回馈外腔中引入双折射元件后，得到X和Y 方向两路偏振方向垂直并具有一定相位差的信号，相位差的大小是双折射元件延迟量 的两倍，所以在双折射外腔回馈位移测量系统中使用45度双折射元件得到两路相位差 为90度的信号，而且该相位差不随回馈外腔长的变化而变化，这为实现大量程测量提 供了可能。此外，两路信号相位的超前和滞后关系直接和外部反射镜移动方向相关， 即：如果外部反射镜向某一方向运动时，X方向信号相位超前的话，那么当外部反射 镜向反方向运动时，则变为Y方向信号超前，这一特点使测量系统对判向变的非常容 易，而且，该系统根据信号的周期性特点，将信号与参考电压进行比较，获得频率为 原信号四倍的方波信号，成功实现了对信号的四细分。由于信号每周期对应回馈外腔 变化半波长，即该系统的分辨率为八分之一波长，对波长为1064nm的Nd:YAG激光器， 系统分辨率为133nm。

但是由于Nd:YAG激光器发散角相对较大，增大回馈外腔长时，光斑直径增大较快， 会导致在不同位置处的回馈水平不一样，影响信号质量，因此限制了位移测量系统的 量程，并且系统分辨率还有进一步提高的空间。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有量程大、分辨率高、结构简单的单 纵模He-Ne激光器双折射外腔回馈位移测量系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种He-Ne激光器双折射外腔回馈 位移测量系统，其特征在于：它包括全内腔He-Ne单纵模激光器、外腔回馈系统、稳 频信号探测和处理系统以及测量信号探测与处理系统；所述全内腔He-Ne单纵模激光 器发出单频线偏振光，一部分单频线偏振光经外腔回馈系统返回到所述全内腔He-Ne 单纵模激光器内，另一部分单频线偏振光经由所述稳频信号探测和处理系统向所述全 内腔He-Ne单纵模激光器发送稳频探测信号；所述全内腔He-Ne单纵模激光器向所述 测量信号探测与处理系统发出受到回馈调制的激光，得到位移测量结果；所述外腔回 馈系统包括压电陶瓷、外部反射镜和双折射元件，所述压电陶瓷在外部驱动电压作用 下推动所述外部反射镜沿激光轴线方向左、右移动，所述全内腔He-Ne单纵模激光器 输出的单频线偏振光经所述外部反射镜反射，两次经过所述双折射元件，回馈到所述 谐振腔中。

所述的一种He-Ne激光器双折射外腔回馈位移测量系统，其特征在于：所述双折 射元件采用45度双折射元件。

所述的一种He-Ne激光器双折射外腔回馈位移测量系统，其特征在于：所述全内 腔He-Ne单纵模激光器包括激光增益管和谐振腔，所述谐振腔包括第一内腔反射镜和 第二内腔反射镜，所述激光增益管发出单频线偏振光，经设置在所述谐振腔两端的所 述第一内腔反射镜和第二内腔反射镜向外输出。

所述的一种He-Ne激光器双折射外腔回馈位移测量系统，其特征在于：所述稳频 信号探测和处理系统包括半透半反镜、第一光电探测器、稳频电路模块和加热电阻丝， 所述半透半反镜把所述全内腔He-Ne单纵模激光器输出的单频线偏振光分成两部分， 其中一部分单频线偏振光透射至所述外部反射镜，由所述外部反射镜将其反射回所述 谐振腔中，另一部分单频线偏振光由所述第一光电探测器接收并转化为稳频探测信号， 并传输至所述稳频电路模块内进行电流/电压转换，输出的电压信号控制所述加热电阻 丝。

所述的一种He-Ne激光器双折射外腔回馈位移测量系统，其特征在于：所述测量 信号探测和处理系统包括偏振分光棱镜、第二光电探测器、第三光电探测器、滤波放 大电路模块、五细分电路模块和数字电路及显示电路模块，所述偏振分光棱镜接收由 所述第二内腔反射镜输出的受到回馈调制的激光，该回馈光经所述偏振分光棱镜分光 之后的两路光信号分别传送至所述第二光电探测器和第三光电探测器内转换为测量信 号，并将两路测量信号均依次发送至所述滤波放大电路模块、五细分电路模块和数字 电路及显示电路模块，所述数字电路及显示电路模块显示测量结果。

所述的一种He-Ne激光器双折射外腔回馈位移测量系统，其特征在于：所述激光 增益管中采用He和Ne双同位素的混合气体。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用的激光增益 管中为氦He和氖Ne双同位素的混合气体，增大回馈外腔长时，光斑直径增大较慢， 有效解决量程受限制问题。2、本发明由于采用五细分电路模块和数字电路四细分的技 术，实现了对半波长的二十细分，使得分辨率得到提高。3、本发明由于采用He-Ne 激光器双折射外腔回馈位移测量系统仅具有一个光学通道，因此具有结构简单、紧凑、 易于准直和成本低的优点。4、本发明由于采用He-Ne激光器，其具有比半导体激光器 泵浦的微片Nd:YAG激光器更好的频率稳定性和功率稳定性。因此，本发明能广泛应用 于激光测量系统中。

附图说明

图1为本发明单纵模He-Ne激光器双折射外腔回馈位移测量系统结构示意图

图2为本发明的双折射外腔回馈模型示意图

图3为本发明回馈光强、相位和回馈镜运动方向的关系示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括全内腔He-Ne单纵模激光器1、外腔回馈系统2、稳频信 号探测和处理系统3以及测量信号探测与处理系统4。其中，全内腔He-Ne单纵模激 光器1包括激光增益管11和谐振腔12，谐振腔12包括第一内腔反射镜13和第二内 腔反射镜14；外腔回馈系统2包括压电陶瓷21、外部反射镜22和双折射元件23；稳 频信号探测和处理系统3包括半透半反镜31、第一光电探测器32、稳频电路模块33 和加热电阻丝34；测量信号探测和处理系统4包括偏振分光棱镜41、第二光电探测器 42、第三光电探测器43、滤波放大电路模块44、五细分电路模块45和数字电路及显 示电路模块46。全内腔He-Ne单纵模激光器1发出单频线偏振光，一部分单频线偏振 光经外腔回馈系统2返回到全内腔He-Ne单纵模激光器1内，另一部分单频线偏振光 经由稳频信号探测和处理系统3向全内腔He-Ne单纵模激光器1发送稳频探测信号； 全内腔He-Ne单纵模激光器1向测量信号探测与处理系统4发出受到回馈调制的激光， 得到位移测量结果。

本发明的实现过程如下所述，全内腔He-Ne单纵模激光器1内部的激光增益管11 发出单频线偏振光，经设置在谐振腔12两端的第一内腔反射镜13和第二内腔反射镜 14向外输出。其中，激光增益管11中为氦He和氖Ne双同位素的混合气体，充气比 例为：He³∶Ne²⁰∶Ne²²＝7∶0.5∶0.5。

外腔回馈系统2中的压电陶瓷21在外部驱动电压的作用下，推动外部反射镜22 沿激光轴线方向左、右移动，全内腔He-Ne单纵模激光器1输出的单频线偏振光经过 外部反射镜22反射，总共两次经过双折射元件23，回馈到谐振腔12中的光携带有双 折射元件23的相位信息。其中，本发明最佳采用45度的双折射元件23。

稳频信号探测和处理系统3中的半透半反镜31把全内腔He-Ne单纵模激光器1 输出的单频线偏振光分成两部分，其中一部分单频线偏振光透射至外部反射镜22，用 于回馈，外部反射镜21将携带有双折射元件23相位信息的回馈光反射回到谐振腔12 中，另一部分单频线偏振光由第一光电探测器32接收并转化为稳频探测信号，由第一 光电探测器32传输至稳频电路模块33内进行电流/电压转换，输出的电压信号作为加 热电阻丝34的控制信号，控制谐振腔12达到稳频的目的。其中，在稳频电路模块33 内，稳频探测信号转换为电压信号后，将其与参考电压值进行比较，所得差值经PID 模块(比例积分微分)处理，处理过程中积分的目的是消除稳态误差，微分的目的是 预测变化趋势，经PID模块处理后得到调制信号，再利用调制信号对预先产生的锯齿 波信号进行调制，被调制后的锯齿波信号和一个参考电压进行比较后输出。

测量信号探测和处理系统4中的偏振分光棱镜41接收由第二内腔反射镜14输出 的受到回馈调制的激光，由于回馈的存在，激光光强携带有双折射元件23的相位信息， 该回馈光经偏振分光棱镜41分光之后的偏振方向相互垂直的两路光信号分别传送至 第二光电探测器42和第三光电探测器43内转换为测量信号，并将两路测量电信号均 发送至滤波放大电路模块44进行电流/电压转换、滤除直流信号和放大处理，依次传 送至五细分电路模块45和数字电路及显示电路模块46进行测量并将结果显示。其中， 假设第二光电探测器42和第三光电探测器43输出信号的经过滤波放大之后分别为S 信号、C信号，对S信号进行反向，得到-S信号，S、C和-S信号这三路信号的相位差 依次相差90度，这三路信号进入五细分电路模块45，经过电阻链移相，得到十路相 位差依次为18度的信号，这些信号经过比较器转化为方波信号，然后再进行逻辑运算， 最后输出两路有90度相位差且频率为原余弦信号的五倍的方波信号，实现对信号的五 细分；数字电路及显示电路模块46包含CPLD(可编程逻辑器件)及单片机，通过CPLD 模块对五细分电路模块45产生的两路90度相位差的方波信号进行边沿检测，进而实 现了对这两路方波信号的四细分。由于这两路方波是经过原余弦信号五细分电路模块 45处理得到，其频率是原余弦信号的五倍，因此最终实现了对半波长的二十细分。

根据五细分电路模块45产生的两路方波信号的相位超前和滞后关系来进行判向， 由CPLD产生正、负两个方向的计数脉冲，例如，当外部反射镜22向左移动时，即远 离第一内腔反射镜13运动，产生正向计数脉冲；当外部反射镜22向右移动时，即靠 近第一内腔反射镜13运动时产生负向计数脉冲，正、负脉冲数由CPLD内部的计数器 进行计数，计数结果经单片机处理后送入数字电路及显示电路模块46内，显示位移测 量结果。假设正、负计数脉冲的个数分别为N⁺和N^-，那么外部反射镜22的位移变 化量S的计算公式为：

S＝λ/2×1/20×(N⁺-N^-)，(λ为波长)。

如图2所示，在双折射外腔回馈系统2中，第二内腔反射镜14的反射率r₁、第一 内腔反射镜13的反射率为r₂，外部反射镜22的反射率为r₃，利用三镜腔理论模型进 一步说明本发明的外腔回馈系统2的工作原理，假设全内腔He-Ne单纵模激光器1的 初始电场为E₀(t)，当初始的电场经过外腔回馈系统2再次返回到全内腔He-Ne单纵模 激光器1的内部时电场为E(t )，表示为下式：

$E\left(t\right)=r_1{r}_2\exp (j4\mathrm{\pi v}\frac{\mathrm{nl}}{c}+2\mathrm{gl})E_0\left(t\right)+r_1{T}_2{r}_3\mathrm{\xi exp}\left(j4\mathrm{\pi v}\frac{\mathrm{nl}+L}{c}2\mathrm{gl}\right)E_0\left(t\right),---\left(1\right)$

其中，是回馈光进入谐振腔12的耦合系数，v是激光频率，c是光速， n是激光增益介质的折射率，l为谐振腔12的长度，L为外部反射镜22到第一内腔 反射镜13之间的外腔长，ξ为回馈功率比约为0.55，g是全内腔He-Ne单纵模激光 器1的线性增益系数。

当全内腔He-Ne单纵模激光器1稳定振荡时，需要有E₀(t)＝E(t)，因此得到下式：

$r_1{r}_2\exp (j4\mathrm{\pi v}\frac{\mathrm{nl}}{c}+2\mathrm{gl})[1+\mathrm{\alpha exp}\left(j4\mathrm{\pi v}\frac{c}{L}\right)]=1,---\left(2\right)$

其中，α＝T₂r₃ξ/r₂，因此，可以得到经过外部回馈系统2之后，全内腔He-Ne单 纵模激光器1由回馈引起的增益变量Δg为：

$\mathrm{\Delta g}=-\frac{\alpha }{2\mathrm{nl}}\cos (4\mathrm{\pi vL}/c).---\left(3\right)$

在外腔回馈系统2中放入双折射元件23时，初始的一个几何激光回馈腔长将形成 两个不同的物理回馈腔长，分别定义为L_o和L_e。设全内腔He-Ne单纵模激光器1出 射在回馈腔的电场矢量E_ex，沿双折射元件23的快、慢轴可以分解为电场矢量E_o和 E_e，具有相位差的两电场矢量E_o和E_e将分别作用于谐振腔12内相应的电场矢量。 类似地，可以把全内腔He-Ne单纵模激光器1内部的初始电场E₀(t)沿着双折射元件 23的快、慢轴进行分解，分别为电场矢量E_0o和电场矢量E_0e。根据公式(1)～(3)， 可以分别得到沿双折射元件23快、慢轴的两路光由回馈引起的增益变量Δg_o和Δg_e分 别为：

$\Delta g_o=-\frac{\alpha }{2\mathrm{nl}}\cos (4\mathrm{\pi v}{L}_o/c),---\left(4\right)$

$\Delta g_e=-\frac{\alpha }{2\mathrm{nl}}\cos (4\mathrm{\pi v}{L}_e/c).---\left(5\right)$

考虑到双折射元件23的双折射效应，得到沿双折射元件23快、慢轴的两路光的 物理回馈腔长差ΔL为：

ΔL＝L_e-L_o＝(n_e-n_o)d，                   (6)

其中，d为双折射元件23厚度。

利用公式(6)将公式(4)和公式(5)分别简化为：

其中，κ＝α/2nl，δ₀＝2πvΔL/c＝2πv(n_e-n_o)d/c 为单程双折射元件引起的相位差，即双折射元件23的相位延迟量。

激光光强I可以表示为：

I＝I₀(1-kΔg)，                       (9)

其中，k是全内腔He-Ne单纵模激光器1特性参数相关的一个常数，I₀是无回馈 时的光强。结合(7)～(9)，得到在双折射外腔回馈情况下，两正交偏振光的光强I_o和I_e分别为：

对于激光回馈系统，如被测物体位移变化为ΔL₁，则由此引起的相位差变化为：

由公式(10)、(11)可以看出，外腔回馈反射激光输出的两路正交偏振光的光强 都是余弦波动的，相位差为2δ₀，正好是双折射元件23相位延迟量的两倍，并且这个 两倍的相位关系不随外腔长的变化而改变。由式(12)可知，物体每改变二分之一光 波长的位移，激光强度波动一个周期。

如图3所示，当外部反射镜22在压电陶瓷21的推动下，沿着激光轴线左右移动 时，回馈外腔收到连续调制，得到第二光电探测器42和第三光电探测器43激光强度 曲线。其中，实点线为o光回馈激光强度，圈点线为e光回馈激光强度，三角波为压 电陶瓷21的驱动电压。当压电陶瓷21的驱动电压增加即压电陶瓷21伸长时，光强信 号I₀的相位要比I_e的相位超前，而当压电陶瓷21的驱动电压减小即压电陶瓷21缩短 时，光强信号I₀的相位要比I_e的相位滞后。这一特点成为该回馈位移测量系统进行判 向的基础。

综上所述，本发明的He-Ne激光器双折射外腔回馈位移测量系统用于测量外部反 射镜的相对位移时，其量程能达到130mm。由于外部反射镜22每移动二分之一波长， 信号波动一个周期，本发明能实现对半波长的二十细分，也即光波长的四十细分，对 波长为632.8nm的He-Ne激光器，分辨率达到15.8nm。因此，本发明具有量程大、分 辨率高、结构简单和成本低等特点

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所 变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发 明的保护范围之外。