CN103018747A - 基于非准直回馈外腔的激光自混合测距*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非准直回馈外腔的激光自混合测距***，包括全内腔He-Ne双纵模激光器、非准直回馈外腔、信号探测处理和稳频***。全内腔He-Ne双纵模激光器在其两端都输出偏振正交的激光，其中一端输出的激光入射到非准直回馈外腔，入射光束在回馈外腔中多次往返，然后再返回到激光器中，形成高阶回馈；稳频***控制缠绕在激光器表面电阻丝的通电时间，对激光器进行稳频；激光器另一端输出的激光经沃拉斯顿棱镜分光后，由光电探测器接收，并由信号处理单元进行分析，输出测量结果。该测距***在简化激光器结构的基础上，采用非准直外腔回馈提高测距***的分辨率，并且利用等光强稳频***保证测量精度，从而提高仪器性能并拓宽其应用领域。

Description

基于非准直回馈外腔的激光自混合测距***

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，涉及一种测距***，尤其是一种基于非准直回馈外腔的激光自混合测距***。

背景技术

激光自混合干涉，又称激光回馈，其基本原理是：激光器的输出光被外部反射面反射回激光增益管，与激光谐振腔内的光场进行自混合干涉，并调制激光器的损耗，使激光器的输出光强发生周期性变化，通过解调输出光强就可以得到外部反射面的信息。基于激光回馈的测距***只有一个光学通道，具有结构简单、紧凑、易准直、性价比高等优点。根据回馈方式的不同，激光回馈可以分为准直外腔回馈和非准直外腔回馈等。其中，准直外腔回馈一般采用低反射率的回馈镜，其光学分辨率较低，一般为λ/2，对于632.8nm波长的氦氖激光器，位移测量的分辨率为316.4nm。

中国专利“基于Zeeman双折射双频激光器的激光回馈测距仪”（申请号：200510011514.8）综合利用Zeeman双折射效应、激光自混合干涉、激光动态调制等多种激光物理现象，将一支普通的双频激光器成功地改造成一支测距传感器。这一发明的主体结构是一支Zeeman双折射双频He-Ne激光器和动态调制的外部反射镜，外部反射镜固定在被测物体上。当外部反射镜以一定的幅度往返运动时，激光器的输出光强在不同的位置处具有不同的光强调制深度，根据光强调制深度的不同得到被测物体的距离。该方法具有测距能力，但是分辨率和精度不高，而且Zeeman双折射双频激光器结构复杂。中国专利“双频HeNe激光器光回馈测距仪”（申请号：200810104260.8），利用半内腔双折射双频激光器的自混合效应和鉴相的方法实现了回馈距离测量，其的光学分辨率为λ/2，但是半内腔双折射双频激光器腔内要放置双折射元件，容易受到温度等因素的影响，而且没有稳频***，测量精度难以保证；同时，该方法的光学分辨率难以进一步提高。由于原理上的限制，上述两种回馈测距方法都存在激光器结构复杂，光学分辨率低，没有稳频***和精度低等不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于非准直回馈外腔的激光自混合测距***，该测距***在简化激光器结构的基础上，采用非准直外腔回馈提高测距***的分辨率，并且利用等光强稳频***保证测量精度，从而提高仪器性能并拓宽其应用领域。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种基于非准直回馈外腔的激光自混合测距***，包括全内腔He-Ne双纵模激光器、非准直回馈外腔、信号探测处理和稳频***四部分，其中：

（A）所述全内腔He-Ne双纵模激光器包括：

激光增益管，内充He、Ne混合气体；

谐振腔，包括：

第一内腔反射镜，位于所述激光增益管的一端，为凹镜，其面向激光增益管的凹面镀反射膜，外表面镀增透膜；

第二内腔反射镜，固定在所述激光增益管的另一端，为平镜，其面向激光增益管的平面镀反射膜，外表面镀增透膜；

（B）所述非准直回馈外腔包括：

反射镜，为凹镜，面向全内腔He-Ne双纵模激光器的凹面镀反射膜，另一端不镀膜，所述反射镜的表面与激光轴成一个夹角θ；

压电陶瓷，固定在上述反射镜的沿输入光方向的外侧，在输入电压的作用下，所述压电陶瓷推动反射镜沿激光轴线方向左、右移动；

（C）所述信号探测处理包括：

偏振分光棱镜，位于第一内腔反射镜的外侧，把输出的激光在空间分成两路具有位相差的X向、Y向光强余弦分量；

光电探测器，共两个，位于所述偏振分光棱镜的光出射端，分别探测所述偏振分光棱镜输出的X向和Y向两个光强余弦分量；

放大滤波电路，位于上述光电探测器的后端，两个光电探测器的信号输出端分别连接至放大滤波电路的信号输入端，所述放大滤波电路将光电探测器接收到的光回馈信号转换为数字量，并对信号进行滤波、放大处理；

鉴相电路，连接放大滤波电路的输出端，对放大后的两路类余弦信号进行鉴相；

CPLD模块，连接鉴相电路的输出端，完成对数字信号的整形、滤波，并对上述两路有位相差的信号进行计算，得出激光回馈外腔长度；

（D）所述稳频***包括：

电阻丝，缠绕在激光增益管的管壳上；

稳频电路，将X向、Y向两路光强幅值的差值信号作为稳频的控制信号，控制电阻丝对全内腔He-Ne双纵模激光器进行加热的时间，从而实现稳定的双纵模激光输出。

上述激光增益管内充的He、Ne混合气体的体积比为7:1。

上述电阻丝为细铜丝，电阻为15欧。

上述放大滤波电路与稳频电路连接。

上述光电探测器为PIN光电探测器。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用非准直外腔回馈提高测距***的分辨率，并且利用等光强稳频***，提供一种非准直外腔双纵模激光回馈测距***，该***的全内腔He-Ne双纵模激光器在其两端都输出偏振正交的激光，其中一端输出的激光入射到由平面反射镜与凹面反射镜组成的非准直回馈外腔，两个反射镜都镀有高反射率膜，入射光束在回馈外腔中多次往返，然后再返回到激光器中，形成高阶回馈；稳频***控制缠绕在激光器表面电阻丝的通电时间，采用等光强稳频的方法对激光器进行稳频，保证稳定的双纵模激光输出；激光器另一端输出的激光经沃拉斯顿棱镜分光后，由光电探测器接收，并由信号处理单元进行分析，输出测量结果。本发明结构简单，其对于氦氖激光器，***光学分辨率可达纳米量级。该***具有分辨率高、结构简单、精度高和成本低等特点。

附图说明

图1：基于非准直回馈外腔的激光自混合测距***示意图；

图2：非准直外腔高阶回馈光强调制曲线；

图3：回馈外腔长L=110mm时，两相邻纵模的位相曲线；

图4：回馈外腔长L=112mm时，两相邻纵模的位相曲线；

图5：回馈外腔长L=114mm时，两相邻纵模的位相曲线。

其中：1为压电陶瓷；2为反射镜；3为第二内腔反射镜；4为激光增益管；5为电阻丝；6为第一内腔反射镜；7为偏振分光棱镜；8、9为光电探测器；10为放大滤波电路；11为鉴相电路；12为CPLD模块；13为稳频电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的该种基于非准直回馈外腔的激光自混合测距***，包括全内腔He-Ne双纵模激光器、非准直回馈外腔、信号探测处理和稳频***四部分，以下对各部分进行详细说明：

（A）全内腔He-Ne双纵模激光器

全内腔He-Ne双纵模激光器包括激光增益管4、谐振腔，其中谐振腔包括第一内腔反射镜6和第二内腔反射镜3。

激光增益管4内充He、Ne混合气体，两种气体体积比为7:1。第一内腔反射镜6位于激光增益管4的一端，为凹镜，其面向激光增益管4的凹面镀反射膜，外表面镀增透膜；第二内腔反射镜3固定在激光增益管4的另一端，为平镜，其面向激光增益管4的平面镀反射膜，外表面镀增透膜。

（B）非准直回馈外腔

非准直回馈外腔包括反射镜2和压电陶瓷1（PZT）。其中反射镜2为高反射率的凹镜，面向全内腔He-Ne双纵模激光器的凹面镀反射膜，另一端不镀膜，反射镜2的表面与激光轴成一个夹角θ。压电陶瓷1固定在上述反射镜2的沿输入光方向的外侧，在输入电压的作用下，压电陶瓷1推动反射镜2沿激光轴线方向左、右移动。

（C）信号探测处理

信号探测处理部分包括偏振分光棱镜7、光电探测器和放大滤波电路10、鉴相电路11和CPLD模块12。其中：

偏振分光棱镜7位于第一内腔反射镜6的外侧，把输出的激光在空间分成两路具有位相差的X向、Y向光强余弦分量；

光电探测器共两个，如图1中的光电探测器8和9，位于偏振分光棱镜7的光出射端，分别探测偏振分光棱镜7输出的X向和Y向两个光强余弦分量；

放大滤波电路10位于上述光电探测器8、9的后端，两个光电探测器为PIN光电探测器，两光电探测器的信号输出端分别连接至放大滤波电路10的信号输入端，所述放大滤波电路10将光电探测器接收到的光回馈信号转换为数字量，并对信号进行滤波、放大处理。

鉴相电路11连接放大滤波电路10的输出端，对放大后的两路类余弦信号进行鉴相。

CPLD模块12包括CPLD芯片及***电路，其连接鉴相电路11的输出端，完成对数字信号的整形、滤波，并对上述两路有位相差的信号进行计算，得出激光回馈外腔长度。

另外，本发明在信号探测处理部分还可设置其余信号处理电路，包括相互关联计数及数字显示电路，对位移的测量结果进行计数和显示。

（D）稳频***

包括电阻丝5和稳频电路13。其中电阻丝5缠绕在激光增益管4的管壳上。放大滤波电路10与稳频电路13连接，稳频电路13将X向、Y向两路光强幅值的差值信号作为稳频的控制信号，控制电阻丝5对全内腔He-Ne双纵模激光器进行加热的时间，从而实现稳定的双纵模激光输出。

本发明的压电陶瓷1和反射镜2组成了非准直外腔回馈部分。第二内腔反射镜3、激光增益管4和第一内腔反射镜6共同组成了全内腔的双纵模激光器，整个腔长为200mm。本发明的工作原理如下：

氦氖双纵模激光器的非准直外腔高阶回馈，不但具有氦氖双折射双频激光器准直外腔回馈的位相调谐特性（激光强度的波动曲线可以为两路有位相差的类余弦信号，测量目标回馈镜在不同的回馈外腔位置时，具有不同的位相差），而且激光调谐曲线具有更高的密度，可以达到准直回馈时的几十倍，所以具有更高的光学分辨率。同时，由于采用了稳频的全内腔激光器，所以还具有更简单的结构和更高的测量精度，其基本原理如下：

由全内腔激光器产生的双纵模激光，由于激光器残应力的存在，相邻两个纵模的激光将具有正交的偏振态，可称之为⊥偏振光和||偏振光，在光回馈的情况下，激光光场可以分为两个部分。一是光束在激光内腔往返一周后的内腔传播场，二是光束在外腔往返n周后再返回到激光器谐振腔的传播场。内腔传播场与在回馈外腔往返n周后的传播场叠加，形成自混合干涉，由于光在外腔经过多次反射，返回到谐振腔内的光已经变的较弱，在弱光回馈条件下正交偏振双纵模激光器的振荡条件为：

$r_1{r}_{\mathrm{eff}}^{\⊥}\exp \left[(g_{\⊥}-{\mathrm{\α}}_{\⊥})L\right]\exp \left(i{\mathrm{\ω}}_{\⊥}{\mathrm{\τ}}_c\right)=1$

（1）

$r_1{r}_{\mathrm{eff}}^{\left|\right|}\exp \left[(g_{\left|\right|}-{\mathrm{\α}}_{\left|\right|})L\right]\exp \left(i{\mathrm{\ω}}_{\left|\right|}{\mathrm{\τ}}_c\right)=1$

式中：

和分别代表⊥偏振光和||偏振光的等效腔反射系数，ω_⊥和ω_||是_⊥偏振光和||偏振光的光学角频率，τ_c=2L/c是光束在内腔往返一周的时间，c是真空中的光速，L为回馈外腔长，即回馈反射镜与激光器第二内腔反射镜之间的距离。由于外腔反射镜的倾斜角度很小，于是可以得到 $r_{\mathrm{eff}}^{\⊥}=r_2[1+\mathrm{\ζexp}\left(i{\mathrm{\ω}}_{\⊥}\mathrm{n\τ}\right)]$ 和 $r_{\mathrm{eff}}^{\left|\right|}=r_2[1+\mathrm{\ζexp}\left(i{\mathrm{\ω}}_{\left|\right|}\mathrm{n\τ}\right)],$ 其中 $\mathrm{\ζ}=(1-r_2^2)r_3/r_2$ 代表光回馈因子，τ＝2l/c是光束在外腔往返一周的时间，n为光在外腔往返的次数（定义为阶次）。在激光回馈条件下，激光阈值增益的变化为

ΔG_⊥=ζ′cos(ω_⊥nτ)                              （2）

ΔG_||=ζ′cos(ω_||nτ)

其中ζ′是激光回馈因子。由于激光强度的变化比例于ΔG_⊥和ΔG_||，所以在光回馈条件下，两个正交偏振光的输出强度可以表示为：

I_⊥=I_⊥0+ζ_⊥cos(ω_⊥nτ)                                  （3）

I_||=I_||0+ζ_||cos(ω_||nτ)

式中：I_⊥0和I_||0是无光回馈时两个正交偏振光的输出强度，ζ_⊥和ζ_||是激光回馈因子。（3）式表明有光回馈时，两个正交偏振光的输出强度均被调制，波形类似于余弦，如果⊥偏振光和||偏振光的初始光强相等，它们将具有相同的调制深度。为方便起见，将（3）式改写为：

$I_{\⊥}=I_{\⊥0}+{\mathrm{\ζ}}_{\⊥}\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{c}n{v}_{\⊥}l\right)$

（4）

$I_{\left|\right|}=I_{\left|\right|0}+{\mathrm{\ζ}}_{\left|\right|}\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{c}n{v}_{\left|\right|}l\right)$

式中：v_⊥和v_||是⊥偏振光和||偏振光的光学频率。（4）式表明当外腔长l变化λ/2n时，两个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，对于双纵模激光器，位相差δ可以表示为

$\mathrm{\δ}=2\mathrm{\πn}\frac{l}{L}---\left(5\right)$

由（5）式知，当激光器和回馈阶次确定后，δ频差由回馈外腔长L决定，所以通过测量位相差δ就可以得到测量目标回馈镜的距离。

测量时，外腔反射镜2在一定的外腔长位置，压电陶瓷1的三角波电压驱动反射镜沿激光轴线往复运动，PIN光电探测器8、9得到的回馈信号经过滤波放大电路10后的激光强度曲线如图2所示，PZT为压电陶瓷的驱动电压曲线，I_⊥和I_||分别为相邻纵模的光强调制曲线，它们为很密的高阶倍频条纹，其光学细分可达λ/50，是准直回馈测距仪的几十倍；同时，两个条纹的调制深度基本相同，而且都具有余弦特性。图3、图4和图5分别是回馈外腔反射镜在外腔长为110mm，112mm和114mm时，两相邻纵模回馈条纹间的位相曲线（图2中两相邻纵模回馈条纹的幅值不同是为了便于观察）。从图3~图5可以看出，当外腔反射镜在不同距离（回馈外腔长）时，相邻纵模的两正交偏振回馈条纹间具有不同的位相差，经鉴相电路11后可以测得两回馈条纹间的位相差值，根据该位相差值的大小，利用公式（5）就可以得到外腔反射镜回馈外腔长，从而得到被测目标的位置，并将结果显示在计数与显示单元12。在测量的同时，稳频电路13保证激光器输出稳定的双纵模。该位测距***具有分辨率高、结构简单、精度高和成本低等优点。

Claims (5)

1.一种基于非准直回馈外腔的激光自混合测距***，包括全内腔He-Ne双纵模激光器、非准直回馈外腔、信号探测处理和稳频***四部分，其特征在于：

（A）所述全内腔He-Ne双纵模激光器包括：

激光增益管（4），内充He、Ne混合气体；

谐振腔，包括：

第一内腔反射镜（6），位于所述激光增益管（4）的一端，为凹镜，其面向激光增益管（4）的凹面镀反射膜，外表面镀增透膜；

第二内腔反射镜（3），固定在所述激光增益管（4）的另一端，为平镜，其面向激光增益管（4）的平面镀反射膜，外表面镀增透膜；

（B）所述非准直回馈外腔包括：

反射镜（2），为凹镜，面向全内腔He-Ne双纵模激光器的凹面镀反射膜，另一端不镀膜，所述反射镜（2）的表面与激光轴成一个夹角θ；

压电陶瓷（1），固定在上述反射镜（2）的沿输入光方向的外侧，在输入电压的作用下，所述压电陶瓷（1）推动反射镜（2）沿激光轴线方向左、右移动；

（C）所述信号探测处理包括：

偏振分光棱镜（7），位于第一内腔反射镜（6）的外侧，把输出的激光在空间分成两路具有位相差的X向、Y向光强余弦分量；

光电探测器，共两个，位于所述偏振分光棱镜（7）的光出射端，分别探测所述偏振分光棱镜（7）输出的X向和Y向两个光强余弦分量；

放大滤波电路（10），位于上述光电探测器的后端，两个光电探测器的信号输出端分别连接至放大滤波电路（10）的信号输入端，所述放大滤波电路（10）将光电探测器接收到的光回馈信号转换为数字量，并对信号进行滤波、放大处理；

鉴相电路（11），连接放大滤波电路（10）的输出端，对放大后的两路类余弦信号进行鉴相；

CPLD模块（12），连接鉴相电路（11）的输出端，完成对数字信号的整形、滤波，并对上述两路有位相差的信号进行计算，得出激光回馈外腔长度；

（D）所述稳频***包括：

电阻丝（5），缠绕在激光增益管（4）的管壳上；

稳频电路（13），将X向、Y向两路光强幅值的差值信号作为稳频的控制信号，控制电阻丝（5）对全内腔He-Ne双纵模激光器进行加热的时间，从而实现稳定的双纵模激光输出。

2.根据权利要求1所述的基于非准直回馈外腔的激光自混合测距***，其特征在于，所述激光增益管（4）内充He、Ne混合气体，体积比为7:1。

3.根据权利要求1所述的基于非准直回馈外腔的激光自混合测距***，其特征在于，所述电阻丝（5）为细铜丝，电阻为15欧。

4.根据权利要求1所述的基于非准直回馈外腔的激光自混合测距***，其特征在于，所述放大滤波电路（10）与稳频电路（13）连接。

5.根据权利要求1所述的基于非准直回馈外腔的激光自混合测距***，其特征在于，所述光电探测器为PIN光电探测器。

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