CN101261322B - 双频He-Ne激光器光回馈测距仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种双频He-Ne激光器光回馈测距仪，属于激光测量技术领域。包括双频He-Ne激光器、激光回馈外腔、测量电路和数据处理***。双频He-Ne激光器包括增益管、固定在增益管一端的增透窗片和谐振腔。谐振腔包括固定在增益管另一端的第一内腔反射镜、位于增透窗片的另一端的第二内腔反射镜、石英晶体和第一压电陶瓷。测量过程中，第二压电陶瓷推动激光回馈外腔反射镜沿激光轴线左右移动，产生两路正交偏振的激光回馈信号。这两路激光回馈信号之间存在一个相位差，此相位差正比于回馈外腔长。本发明具有结构简单紧凑、性价比高的特点。

Description

双频He-Ne激光器光回馈测距仪

技术领域

本发明涉及一种双频He-Ne激光器光回馈测距仪，属于激光测量技术领域。

背景技术

自混合干涉或光回馈是指在激光应用***中，激光器输出光被外部物体反射或散射后，部分光反馈回激光器内与腔内光混合后引起激光器的输出功率变化的现象，其输出信号与传统的双光束干涉信号类似。

由于自混合干涉严重影响了激光器的性能，因此，研究人员最初关注如何消除或者避免光回馈对激光***的影响。1963年，King首次报道了自混合干涉现象，当一个可移动的外部反射镜将激光器输出光反射回激光器谐振腔，激光功率发生波动，并且外部反射镜每移动半个光波波长的位移，激光器功率变化一个条纹，并且条纹的波动深度与传统双光束干涉***可比较。这一研究，从根本上改变了人们对光回馈的观念，从被动的消除，到主动利用，对光回馈展开了大量的研究，取得了一系列的成果。目前，激光自混合干涉现在已经广泛应用于形貌测量、位移和距离的测量、速度和振动测量等。

基于激光回馈的测距技术因为具有结构简单紧凑，光路***只有一支激光器和一个外部反射物，灵敏度高等优点，从上世纪80年代开始兴起，并且主要研究集中于半导体激光器光回馈。1986年，G.Beheim等报道了光回馈模跳变测距法。在光回馈LD中，连续调制LD的注入电流，激光器输出功率由于模跳变产生波动，模跳变次数正比于外腔长度，依据这一原理实现了对回馈外腔长度的测量。但是，这一方法的测量精度受限于注入电流的调制频率以及LD的温度漂移效应，同时测量速度也受限于注入电流的调制频率。F.Gouaux通过考虑热效应补偿，重新构建LD注入电流，极大地提高了模跳变测距的分辨率。2002年，Ho Khai Weng研究了VCSEL中的模跳变测距方案，实现了测量范围0.2-0.6米，最大相对误差小于6％。由于半导体激光器光束发散角大，在回馈光学***中，准直聚焦***必不可少，限制了其应用范围。并且，半导体激光器的温度漂移较大，严重影响了激光测距的精度。

发明内容

本发明目的在于提出一种结构简单紧凑，外腔无需准直聚焦元件，信号处理简单，性价比高的光回馈测距仪。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。其含有：双频He-Ne激光器、激光回馈外腔、测量电路和数据处理***四个部分，其中：A：双频He-Ne激光器，所述的双频He-Ne激光器含有：

增益管2，内部充有He、Ne混合气体；

增透窗片3；所述的增透窗片3固定在所述增益管2的一端；

谐振腔，所述的谐振腔包括：

第一内腔反射镜1，所述的第一内腔反射镜1固定在所述增益管2的另一端；

第二内腔反射镜4，位于上述增透窗片3的另一端；

石英晶体14，位于上述第二内腔反射镜4与增透窗片3之间，该石英晶体14两面都镀有增透膜；

第一压电陶瓷5，固定在上述第一内腔反射镜1上，在输入电压作用下，上述的压电陶瓷5推动上述第一内腔反射镜1沿激光轴线方向左右移动，改变激光频率；

B：激光回馈外腔，所述的激光回馈外腔含有：

第二压电陶瓷7，固定在待测物体上；

激光回馈外腔反射镜6，固定在上述第二压电陶瓷7上，所述激光回馈外腔反射镜6被第二压电陶瓷7驱动沿着激光轴线方向运动，使入射到待测物体上的两正交偏振光被反射回激光器谐振腔分别与腔内的两正交偏振光混合，引起两正交偏振光各自的光强波动，产生激光回馈信号；

C：测量电路，含有：

偏振分光棱镜8，位于上述第一内腔反射镜1的一侧，用于将两正交偏振的激光分开；

第一光电探测器9、第二光电探测器10分别探测所述偏振分光棱镜8所分开的两正交偏振光的回馈信号；

D：数据处理***，所述的数据处理***包括：

模/数转换器11，输入信号分别为第一光电探测器9和第二光电探测器10输出的激光回馈信号；

数/模转换器12，该数/模转换器的输出与所述的第一压电陶瓷5、第二压电陶瓷7的输入端相连；

计算机13，与所述的模/数转换器11的输出端相连，读取激光回馈信号，并处理数据，计算出待测物体距离光源的距离，同时，与所述的数/模转换器12的输入端相连，数/模转换器12的输出端与第一压电陶瓷5和第二压电陶瓷7相连，控制第一压电陶瓷5和第二压电陶瓷7，分别用于实现控制激光频率和产生激光回馈信号。

所述的石英晶体14和增透窗片3由一个两面都镀有增透膜的增透窗片3和夹在该窗片上的一个应力施加装置15替换，该增透窗片3固定在上述增益管2靠近第二内腔反射镜4的一端；

所述的石英晶体14和增透窗片3由一个两面都镀有增透膜的石英晶体楔16替换，该石英晶体楔16固定于上述增益管靠近第二内腔反射镜4的一端。

本发明提供的双频He-Ne激光器光回馈测距仪，在回馈外腔中无需准直聚焦***，结构简单紧凑，具有信号处理简单，性价比高的特点。

附图说明

图1：本发明所述双折射外腔回馈位移测量***实施实例之一

图2：本发明所述双折射外腔回馈位移测量***实施实例之二

图3：本发明所述双折射外腔回馈位移测量***实施实例之三

图4：外腔长l＝67.5mm时，两正交偏振光的回馈曲线

图5：外腔长l＝135mm时，两正交偏振光的回馈曲线

图6：外腔长l＝202.5mm时，两正交偏振光的回馈曲线

图7：外腔长l＝270mm时，两正交偏振光的回馈曲线

图中：1、第一内腔反射镜，2、增益管，3、增透窗片，4、第二内腔反射镜，5、第一压电陶瓷，6、激光回馈外腔反射镜，7、第二压电陶瓷，8、偏振分光棱镜，9、第一光电探测器，10、第二光电探测器，11、模/数转换器，12、数/模转换器，13、计算机，14、石英晶体，15、应力施加装置，16、石英晶体楔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例一：

本实施例的实验装置如图1所示，包括有第一内腔反射镜1、第二内腔反射镜4、增益管2、增透窗片3、第一压电陶瓷5、石英晶体14、第二压电陶瓷7、激光回馈外腔反射镜6、偏振分光棱镜8、第一光电探测器9、第二光电探测器10和计算机13。图1中，第一内腔反射镜1和第二内腔反射镜4的反射率分别为99.9％与99.4％，它们之间的距离，即激光谐振腔长L为135mm。增益管2内有He、Ne混合气体，He、Ne气体的气压比例为7∶1。增透窗片3固定在上述增益管2的一端。第一内腔反射镜1、增益管2、增透窗片3、第二内腔反射镜4共同构成了半外腔632.8nm的He-Ne激光器。本实施例使用的光源为双频激光器，通过在腔内放置一个石英晶体14来产生双折射效应，把普通的半外腔He-Ne激光器制成了正交偏振的双频He-Ne激光器。第一压电陶瓷5固定在上述第一内腔反射镜上，在输入电压的作用下，它推动上述第一内腔反射镜沿激光轴线方向左、右移动，使得在无光回馈时两正交偏振光光强相等。激光回馈外腔反射镜6的反射率为30％，激光回馈外腔反射镜6和第二内腔反射镜4之间的距离为回馈外腔长，记作l。第二压电陶瓷7固定在上述激光回馈外腔反射镜6上，在输入电压的作用下，它推动上述激光回馈外腔反射镜6沿激光轴线方向左、右移动，产生光回馈信号。偏振分光棱镜8把两正交偏振激光从空间上分开，第一光电探测器9和第二光电探测器10为两个光电探测器；模/数转换器11把上述光电探测器接收到的光回馈信号转换为数字量；数/模转换器12的输出信号分别用于控制第一压电陶瓷5和第二压电陶瓷7。计算机13通过数/模转换器12实现对第一压电陶瓷5和第二压电陶瓷7的控制来产生合适的光回馈信号，通过模/数转换器11实现光回馈信号的采集，最后通过数据分析得到激光回馈外腔长度，即待测距离l。

本发明的原理如下：

单模He-Ne激光器在光回馈情况下，单位长度内的增益变化量Δg为：

Δg＝g-g₀＝-ξcos(4πvl/c)，(1)

式中，g为有光回馈时的单位长度内的线性增益，g₀为无光回馈时的单位长度内的线性增益，ξ为激光回馈因子，v为激光频率，c为真空中的光速，l为激光回馈外腔长的变化。

由于回馈时激光强度的变化正比于线性增益的变化，即

I＝I₀-kΔg，(2)

式中，I₀为没有回馈时的初始光强，k为一常量。

则存在光回馈的条件下，激光器的两正交偏振光(即o光、e光)的光强为：

$I_o=I_{o0}+{\mathrm{\ζ}}_o\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{c}{v}_{o}l\right)$

$I_e=I_{e0}+{\mathrm{\ζ}}_e\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{c}{v}_{e}l\right)---\left(3\right)$

式中，v_o和v_e是o光和e光的频率，I_o0为没有回馈时的o光初始光强，I_e0为没有回馈时的e光初始光强，ζ_o为o光回馈因子，ζ_e为e光回馈因子。(3)式表明当回馈外腔长l变化λ/2时，两正交偏振光的强度都波动一个周期，但它们之间存在一个位相差δ：

$I_o=I_{o0}+{\mathrm{\ζ}}_o\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{c}{v}_{o}l\right)$

$I_e=I_{e0}+{\mathrm{\ζ}}_e\cos (\frac{4\mathrm{\π}}{c}{v}_{o}l+\mathrm{\δ})$

$\mathrm{\δ}=4\mathrm{\π\Δvl}/c=2\mathrm{\π}\frac{l}{L}\frac{\mathrm{\Δv}}{\mathrm{\Λ}}---\left(4\right)$

式中：Δv＝v_o-v_e是两个正交偏振光的频差，Λ是激光纵模间隔。由(4)式知，当激光器被选定后，δ将由激光回馈外腔长l(即待测距离)与频差Δv决定。如果Δv小于均匀加宽增益曲线线宽(大约200MHz)，两个正交偏振模式的烧孔将会重叠，因此必须要考虑模式竞争的影响，此时I_o和I_e的位相关系将并不仅仅依赖于(4)式，而会出现一个偏振光强度增加导致另一个偏振光强度减小的现象。如果Δv大于均匀加宽增益曲线线宽，模式竞争的影响可以被忽略，则I_o和I_e之间的位相关系δ由(4)式决定唯一决定。

由于***所用的双频He-Ne激光器，其频差约为550MHz，远远大于激光介质光谱的均匀加宽(约200MHz)，因此两正交偏振光o光、e光之间的相位差δ与模式竞争无关。此时，两者之间的相位差δ正比于回馈外腔长l，而激光谐振腔长L，两正交偏振光的频差Δv以及激光纵模间隔Λ这些参数都是确定的，因此，只需测量出两正交偏振的o光和e光之间的相位差δ，就可以很方便的根据(4)式计算出激光回馈外腔长l，即待测距离。这就是本发明的理论依据。

图4～图7分别为不同外腔长下，两正交偏振光回馈信号的实验结果。发现，随着回馈外腔长从67.5mm变化至270mm，两正交偏振光回馈信号之间的相位差也相应地从约0.5π变化至2π，两者之间呈线性关系。根据(4)式，当回馈外腔长分别是：l＝67.5mm；l＝135mm；l＝202.5mm；l＝270mm时，理论计算得到两正交偏振光回馈信号之间的相位差分别是：δ＝0.5π，δ＝π，δ＝1.5π，δ＝2π。理论计算结果和实验结果相符合。因此，两正交偏振光回馈信号之间的相位差δ正比于回馈外腔长度l这一现象，可以用于距离测量。根据(4)式，对于特定的参数Δv和Λ，相位差δ的周期是

即回馈外腔长l每变化2L，相位差变化2π。而实验得到的两正交偏振光的回馈信号之间的相位差δ范围为0～2π，因此，本***的距离测量范围为2倍的激光谐振腔长，即2L。当然，通过调整激光器参数Δv和Λ，其测量范围还可以扩大。当首先知道待测物体在激光器若干个谐振腔长以外时，通过测量两正交偏振光回馈信号之间的相位差δ，再根据(4)式计算获得回馈外腔长度，从而确定待测物体的位置。

实施例二：

如图2所示，本实施例与实施例一的结构基本相同，不同之处仅在于增透窗片3和石英晶体14。本实施例由一个两面都镀有增透膜的增透窗片3和夹在该窗片上的一个应力施加装置15替换实施例一中的石英晶体14和增透窗片3。增透窗片3为一窗片，两面都镀有增透膜，固定在增益管2的一端。图2中的应力施加装置15是一个镶有螺钉的加力环，它沿垂直激光器的轴线方向对增透窗片3施加一个应力，由于增透窗片3的应力-双折射效应，一个频率被***为两个频率。第一内腔反射镜1、增益管2、增透窗片3、第二内腔反射镜4和应力施加装置15共同构成双频He-Ne激光器。

实施例三：

如图3所示，本实施例与实施例一的结构基本相同，不同之处仅在于增透窗片3和石英晶体14。本实施例由一个两面都镀有增透膜的石英晶体楔16替换实施例一中的石英晶体14和增透窗片3，该石英晶体楔16固定于上述增益管靠近第二内腔反射镜4的一端。石英晶体楔16两面都镀有增透膜，固定在增益管2的一端，用于产生频率***。第一内腔反射镜1、增益管2、石英晶体楔16和第二内腔反射镜4共同构成双频He-Ne激光器。

本发明所设计的双频He-Ne激光器光回馈测距仪由双频He-Ne激光器，激光回馈外腔，测量电路和数据处理***四个部分组成。测量过程中，回馈镜沿激光轴线左右移动，产生激光回馈信号。两正交偏振光的回馈信号之间存在一个相位差，此相位差正比于回馈外腔长。本发明利用该特性来确定外腔反射镜的位置从而实现距离测量。本发明设计的光回馈测距仪具有结构简单紧凑、信号处理简单、性价比高的特点。

Claims (3)

1.双频He-Ne激光器光回馈测距仪，其特征在于：含有双频He-Ne激光器、激光回馈外腔、测量电路和数据处理***四个部分，其中：

A：双频He-Ne激光器，所述的双频He-Ne激光器含有：

增益管(2)，内部充有He、Ne混合气体；

增透窗片(3)；所述的增透窗片(3)固定在所述增益管(2)的一端；

谐振腔，所述的谐振腔包括：

第一内腔反射镜(1)，所述的第一内腔反射镜(1)固定在所述增益管(2)的另一端；

第二内腔反射镜(4)，位于上述增透窗片(3)的另一端；

石英晶体(14)，位于上述第二内腔反射镜(4)与增透窗片(3)之间，该石英晶体(14)两面都镀有增透膜；

第一压电陶瓷(5)，固定在上述第一内腔反射镜(1)上，在输入电压作用下，上述的压电陶瓷(5)推动上述第一内腔反射镜(1)沿激光轴线方向左右移动，改变激光频率；

B：激光回馈外腔，所述的激光回馈外腔含有：

第二压电陶瓷(7)，固定在待测物体上；

激光回馈外腔反射镜(6)，反射率为30％，固定在上述第二压电陶瓷(7)上，所述激光回馈外腔反射镜(6)被第二压电陶瓷(7)驱动沿着激光轴线方向运动，使入射到待测物体上的两正交偏振光被反射回激光器谐振腔分别与腔内的两正交偏振光混合，引起两正交偏振光各自的光强波动，产生激光回馈信号；

C：测量电路，含有：

偏振分光棱镜(8)，位于上述第一内腔反射镜(1)的一侧，用于将两正交偏振的激光分开；

第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)分别探测所述偏振分光棱镜(8)所分开的两正交偏振光的回馈信号；

D：数据处理***，所述的数据处理***包括：

模/数转换器(11)，输入信号分别为第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)输出的激光回馈信号；

数/模转换器(12)，该数/模转换器的输出与所述的第一压电陶瓷(5)、第二压电陶瓷(7)的输入端相连；

计算机(13)，与所述的模/数转换器(11)的输出端相连，读取激光回馈信号，并处理数据，计算出待测物体距离光源的距离，同时，与所述的数/模转换器(12)的输入端相连，数/模转换器(12)的输出端与第一压电陶瓷(5)和第二压电陶瓷(7)相连。

2.根据权利要求1所述的双频He-Ne激光器光回馈测距仪，其特征在于：所述的石英晶体(14)和增透窗片(3)由一个两面都镀有增透膜的增透窗片(3)和夹在该窗片上的一个应力施加装置(15)替换，该增透窗片(3)固定在上述增益管(2)靠近第二内腔反射镜(4)的一端。

3.根据权利要求1所述的双频He-Ne激光器光回馈测距仪，其特征在于：所述的石英晶体(14)和增透窗片(3)由一个两面都镀有增透膜的石英晶体楔(16)替换，该石英晶体楔(16)固定于上述增益管靠近第二内腔反射镜(4)的一端。

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