CN103075966A - 位移测量*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种位移测量***，主要包括：一激光器，用以输出双频激光、一数据采集及处理单元及一回馈单元，所述回馈单元包括一第一反射镜及第二反射镜相对间隔且平行设置，所述第一反射镜具有一第一表面以直接接收入射激光，所述第一表面的法线与所述入射激光形成一夹角α，所述第二反射镜包括一第三表面、与所述第一表面相对的第四表面及第五表面，所述第三表面与所述第一表面相对且平行的，所述第三表面包括一反射区域及透射区域，所述反射区域设置有反射膜，所述透射区域设置有增透膜，所述第五表面与所述透射区域相对设置，且表面设置有反射膜并与所述第三表面形成一夹角β。

Description

位移测量***

技术领域

本发明属于位移测量技术领域，尤其是关于一种基于法布里-珀罗外腔回馈的纳米级位移测量***。

背景技术

纳米测量是纳米科学发展的基础，而纳米科学主要是研究、发现和加工结构尺寸小于100纳米的材料、器件和***，以获得所需要的功能和性能，并已经在材料、化学、生物、能源和医药卫生等领域得到广泛应用。随着纳米时代的到来，对纳米尺度的产品进行检测的需求日益增大，同时也对纳米测量技术提出了更高的标准。纳米测量需要在毫米级的测量范围内达到纳米级的分辨率，同时需要综合考虑环境条件、***复杂程度及溯源性等方面的要求。

纳米测量技术按照量程、分辨率和测量不确定度的标准，可以分为两大类：一类是激光干涉仪技术，其特点是量程大，可达几十米，但对小于半个光波长的位移需要用电子鉴相等细分方法来实现；另一类是差拍法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）干涉仪技术、X射线干涉仪技术、光学+X射线干涉仪技术、频率测量技术和光频梳技术等，他们的特点是分辨率和测量不确定度低，可达亚纳米甚至皮米量级。然而激光干涉仪技术由于电子噪声等非线性误差的影响，半波长以内的位移测量并不可靠，因此难以满足高分辨率的要求。而差拍法布里-珀罗干涉仪技术等的量程小，一般在微米量级，限制了其应用范围。

基于激光回馈的位移测量方法具有结构简单、自准直和性价比高的优点。然而，传统的利用激光回馈测量位移的测量装置中，由于采用非准直的外腔回馈，激光束在回馈外腔中的回馈阶次和分辨率并不能直接获得，而是需要干涉仪标定后才能知道该装置的分辨率，在实现纳米级的位移测量分辨率的时候，无法实现分辨率的自标定。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种具纳米级的位移测量分辨率且能够直接获得分辨率的位移测量***。

一种位移测量***，主要包括：一激光器，用以输出双频激光，所述激光器包括一第一内腔反射镜、一增益管、一增透窗片、一双折射元件以及一第二内腔反射镜沿输出激光的轴线依次共轴设置，所述双折射元件设置于第二内腔反射镜与所述增透窗片之间，并分别与所述第二内腔反射镜及所述增透窗片间隔设置用以产生分频激光；一数据采集及处理单元，所述数据采集及处理单元包括一分光棱镜靠近所述第一内腔反射镜设置以接收激光器输出的激光，并将激光分成o光及e光，一第一光电探测器及第二光电探测器与所述分光棱镜间隔设置以接收所述o光及e光并转换为两路电信号，一滤波放大电路与所述第一光电探测器及第二光电探测器电连接以处理两路电信号，一信号处理单元与所述滤波放大电路电连接以计算脉冲数，一显示装置与所述信号处理单元电连接以显示脉冲数；其中，进一步包括一回馈单元，所述回馈单元包括一第一反射镜及第二反射镜相对间隔且平行设置，所述第一反射镜具有一第一表面以直接接收入射激光，所述第一表面的法线与所述入射激光形成一夹角α，所述第二反射镜包括一第三表面、与所述第一表面相对的第四表面及第五表面，所述第三表面与所述第一表面相对且平行的，所述第三表面包括一反射区域及透射区域，所述反射区域设置有反射膜，所述透射区域设置有增透膜，所述第五表面与所述透射区域相对设置，且表面设置有反射膜并与所述第三表面形成一夹角β，从激光器入射到回馈单元的激光直接入射到第一反射镜，经第一反射镜与第二反射镜的反射区域之间多次反射后，从所述透射区域入射到所述第五表面，并经第五表面反射后再沿原路返回所述激光器。

与现有技术相比较，本发明提供的位移测量***，通过在回馈单元中设置第二反射镜与第一反射镜形成回馈单元，利用激光在第一反射镜及第二反射镜之间往返的单重高阶弱回馈效应，一方面具有高阶倍频效应，能够达到纳米级的位移测量分辨率；另一方面，所述位移测量***的分辨率同时可根据回馈单元中的反射光点数得到，而无需其他装置进行标定，因此方法更加简单，因此具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的位移测量***的结构示意图。

图2为图1所述位移测量***中第二反射镜的结构示意图。

图3为图2所示第二反射镜沿线III-III方向的剖面图。

图4为激光在图1所示位移测量***所述回馈单元中的光路图。

图5为图4所示激光在第二反射镜中的光路图。

图6A为传统位移测量***测量位移的回馈光强调制曲线。

图6B为图1所述的位移测量***测量位移的回馈光强调制曲线。

图7A为图1所述位移测量***中回馈阶次n=7时的回馈光强调制曲线。

图7B为图1所述位移测量***中回馈阶次n=21时的回馈光强调制曲线。

图7C为图1所述位移测量***中回馈阶次n=33时的回馈光强调制曲线。

主要元件符号说明

第一反射镜         1

第二反射镜         2

第二内腔反射镜     3

双折射元件         4

增透窗片           5

增益管             6

第一内腔反射镜     7

分光棱镜           8

第一光电探测器     9

第二光电探测器     10

滤波放大电路       11

信号处理单元       12

显示装置           13

激光器             20

回馈单元           30

数据采集及处理单元 40

第一表面           101

第三表面           201

反射区域           201a

透射区域           201b

第四表面           202

第五表面           203

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的位移测量***及其测量方法。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种位移测量***，所述位移测量***包括一激光器20，一回馈单元30以及一数据采集及处理单元40。从所述激光器20输出的激光进入所述回馈单元30，经回馈单元30回馈反射后返回所述激光器20，并进入数据采集及处理单元40。

所述激光器20，用于输出双频激光；可选择为为气体激光器、固体激光器、或半导体激光器等。本实施例中，所述激光器20为一氦氖激光器。所述激光器20包括一外壳15，以及设置于外壳15内的一第一内腔反射镜7、一增益管6、一增透窗片5、一双折射元件4和一第二内腔反射镜3。所述外壳15有助于保持激光器20内部的温度以及热平衡。所述增益管6可通过一支撑架14固定于所述外壳15内。可以理解，所述支撑架14、外壳15为一可选结构。所述第一内腔反射镜7、增益管6、增透窗片5、双折射元件4以及第二内腔反射镜3沿所述激光器20输出激光的轴线依次共轴设置，并构成激光器的内腔。所述双折射元件4用于产生频率***，使所述激光器20输出双频激光，所述双折射元件4的材料可为石英晶体、双解石等，也可以为其他能够产生频率***的材料。所述双折射元件4位于所述增透窗片5与所述第二内腔反射镜3之间，且与所述增透窗片5及所述第二内腔反射镜3间隔设置。所述双折射元件4在输出激光轴线方向上具有相对的两个平面，且所述两个平面都镀增透膜。所述激光器20的内腔的腔长可为180mm～200mm。

所述数据采集及处理单元40用以接收从所述激光器20第一内腔反射镜7输出的干涉激光，并进行数据处理并计算脉冲数。所述数据采集及处理单元40包括一分光棱镜8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、一滤波放大电路11、一信号处理单元12以及一显示装置13。所述分光棱镜8靠近所述激光器20的第一内腔反射镜7设置，以接收从激光器20中第一内腔反射镜7输出的激光，并将输出的激光在空间分成两路具有位相差的o光、e光分量。所述第一光电探测器9、第二光电探测器10用以分别探测由分光棱镜8输出的o光和e光分量，并将其转换为两路电信号。所述滤波放大电路11与所述第一光电探测器9以及第二光电探测器10电连接，并对两路电信号进行电流/电压转换、放大及滤波处理。所述信号处理单元12用于对滤波放大电路11输出的两路电信号进行处理和实现计数，以计算光程变化时产生的脉冲数N，并根据两路电信号的位相相对超前或滞后判断被测物体的运动方向。进一步，可通过所述显示装置13与所述信号处理单元12电连接，用于对脉冲数N进行显示。可以理解，所述显示装置13仅为一可选择结构，所述脉冲数N也可通过其他计数元件获得。

请一并参阅图2及图3，所述回馈单元30包括一第一反射镜1以及第二反射镜2与所述第一反射镜1相对且间隔设置，其间距d可大于等于1毫米小于等于1000毫米，如2毫米，5毫米，10毫米，20毫米等。在其他参数不变的情况下，所述间距越小，则所述位移测量***的分标率越高。所述回馈单元30构成所述激光器20的FP回馈外腔。所述第一反射镜1及第二反射镜2的材料可均为玻璃，也可为其他透明固体材料。所述第一反射镜1具有一第一表面101面向所述激光器20，使输出激光可直接入射到所述第一表面101。所述第一表面101为平面，且所述第一表面101的表面镀有反射膜以反射入射的激光。所述第一表面101的法线与所述入射激光所形成一夹角α，所述α大于零度小于90度，优选的，所述α可大于等于1度小于等于10度。在维持α不变的情况下，所述第一反射镜1可沿所述激光器20输出激光轴线方向移动，以改变第一反射镜1与第二反射镜2之间的间距。本实施例中，所述第一反射镜1的材料为玻璃，厚度为3毫米，所述α为4度。

所述第二反射镜2包括一面向所述第一反射镜1中第一表面101且平行的于第一表面101的第三表面201，以及与所述第三表面201相对的第四表面202和第五表面203，所述第四表面202与第五表面203背对所述第一表面101设置。所述第四表面202可为一平面、曲面、折面等，本实施例中，所述第四表面202为一与所述第三表面201平行的平面，所述第四表面202与所述第三表面201之间的距离即为所述第二反射镜2的厚度d。所述第五表面203为一平面，与所述第四表面202相连接，在所述第五表面203与所述第四表面202的连接处形成一交接线。所述第四表面202靠近所述激光器20的出射激光设置，所述第五表面203远离所述激光器20的出射激光设置。所述第五表面203与所述第三表面201形成一夹角β。所述第五表面203在远离所述输出激光方向上逐渐靠近所述第三表面201。所述第五表面203从所述交界线开始沿与第四表面102呈β角方向上最大延伸长度定义为所述第五表面203的宽度l₂，所述l₂可大于等于10毫米。本实施例中，所述第五表面203的宽度l₂等于10毫米。

所述第三表面201与所述激光输出方向所形成的角度为α，按照功能不同可所述第三表面201定义有靠近所述入射激光的一反射区域201a以及一远离所述入射激光的透射区域201b。所述反射区域201a的表面镀有反射膜，用于反射从第一表面101反射的激光，所述透射区域201b的表面镀有增透膜，用于透射从所述第一表面101反射的激光，使所述激光入射入所述第五表面203。从激光器20输出入射到所述第一表面101后，在第一表面101与反射区域201a之间经多次反射，从所述透射区域201b入射到所述第五表面203。具体地，所述反射区域201a的宽度可为50毫米至100毫米，所述透射区域201b的宽度l₁定义为所述透射区域201b在沿与激光器20的出射激光呈α角度方向上的最大跨度。优选的，所述透射区域201b的宽度l₁大于等于10毫米。本实施例中，所述透射区域201b的宽度l₁等于10毫米。

进一步的，所述第五表面203的宽度l₂与所述透射区域201b的宽度l₁满足如下关系：

$l_2\≥\frac{l_1\cos \mathrm{\β}-d\sin \mathrm{\β}}{{\cos }^2\mathrm{\β}}$

其中，d为第二反射镜2中第三表面201与第四表面202之间的距离，以保证从激光器20入射到回馈单元30的激光经多次反射后能够入射到所述第五表面203，并经第五表面203的反射膜反射后，再沿原路反射回所述激光器20中。优选的，所述第五表面203的宽度l₂大于所述透射区域201b的宽度l₁，从而使从第一表面101反射的激光能够入射到所述第五表面203。

请一并参阅图4及图5，所述激光器20出射的激光入射到第一反射镜1之后，反射至所述第二反射镜2所述第三表面201的反射区域201a，并往返n次（回馈阶次）后，从所述第三表面201的透射区域201b入射到所述第二反射镜2的第五表面203。所述α、β以及所述第二反射镜2的折射率n₂满足如下关系：

$\frac{\sin \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\β}}=n_2;$

使得从所述透射区域201b入射的激光入射到第二反射镜2的第五表面203后，能够从原光路返回激光器20中。

所述位移测量***的原理如下。将所述第一反射镜1固定于待测物体一表面。可以理解，当所述待测物体表面本身即具有一反射平面时，所述第一反射镜1可省略。由双折射元件4***产生的两个正交偏振光o光和e光，在光回馈的情况下，光场可以分为两个部分。反射区域是光束在激光器20内腔往返一周后的内腔传播场，透射区域是光束在回馈单元30内往返n周（即回馈阶次）后再沿原路返回到激光器20内腔的传播场。内腔传播场与在回馈单元30往返n周后返回到内腔的传播场叠加形成自混合干涉，在弱光回馈条件下o光和e光的输出强度可以表示为：

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

$I_e=I_{e0}+{\mathrm{\ζ}}_e\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{c}n{\mathrm{\ν}}_{e}l\right).---\left(1\right)$

式中：I_o0和I_e0是无光回馈时两个正交偏振光的输出强度，ζ_o和ζ_e是激光回馈因子，ν_o和ν_e是o光和e光的光学频率，l为回馈单元30的腔长。（1）式表明有光回馈时，两个正交偏振光的输出强度均被调制，波形类似于余弦曲线。特别地，显示装置13中形成的回馈条纹的条纹密度主要由回馈阶次n决定。其中，回馈阶次n的大小可以通过回馈单元30的几何结构通过计算得到。

当回馈单元30的第一反射镜1向右移动Δb时，则产生的总的光程增量包括两部分：

反射区域是由第一反射镜1位移引起的光程增加为2m×Δb，其中m为入射激光在回馈单元30内的往返次数（激光从第一反射镜入射到第二反射镜，再返回第一反射镜为一次往返）；

透射区域是激光光束在第一反射镜1及第二反射镜2的表面上移动时，造成最后一束光在回馈单元30中所述第二反射镜2内的光程发生变化，并产生附加光程-AC（由于向右运动时，在第二反射镜2内的光程减小，所以取负号）；

所以，当第一反射镜1向右移动Δb时，产生的总的光程增量Δl为

Δl=2m×Δb-AC。其中，附加光程AC可以按如下方法得到：

当第一反射镜1向右移动Δb时，第二反射镜2上每一个反射光点在表面上的移动量为KT=2sinα×Δb，所以回馈光束在第m次反射后，最后一个光点在第二反射镜2表面上的移动量为AB=2msinα×Δb；

在直角三角形ABC中（C为直角顶点），附加光程AC=AB×sinβ×n₂，所以AC=2mn₂sinαsinβ×Δb。

所以，当第一反射镜1向右移动Δb时，总的光程增量Δl为

Δl=2m×Δb-2mn₂sinαsinβ×Δb。      （2）

总的光程增量产生的脉冲数N为

$N=\frac{\mathrm{\Δl}}{\mathrm{\λ}/2}.---\left(3\right)$

由公式（2）和（3）可得第一反射镜1向右移动Δb的表达式

$\mathrm{\Δb}=\frac{\mathrm{N\λ}}{2m(1-{\sin }^2\mathrm{\α})}.---\left(4\right)$

由（4）式可知，测量***的分辨率δ（即分辨率）为

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\λ}}{2m(1-{\sin }^2\mathrm{\α})}.---\left(5\right)$

其中，α为入射角，其为常数，λ为激光波长。从式（5）可以看出，测量***的分辨率只与回馈单元30中激光的往返次数m有关，即与第一反射镜1表面的反射光点数q相关，往返次数m与反射光点数q的关系为，m=2×q－1)，所以只要计算出回馈单元30中反射光点的数目，就可以准确地得到测量***的光学分辨率，而不再需要别的基准仪器进行标定。所述位移测量***的分辨率可小于10纳米，如小于8纳米，小于5纳米，小于2纳米。

如图6A及图6B所示，图6B为本发明所述位移测量***测量时，第一反射镜1沿激光轴线移动，第一光电探测器9、第二光电探测器10得到的激光强度曲线，为很密的高阶倍频条纹，是图6A所示的传统弱回馈的几十倍。请参阅图7A、图7B、图7C，给出了回馈单元30在不同回馈阶次条件下的光强调制曲线。从图7A中可以看出，当回馈单元30中的反射光点数为3，即回馈阶次为7时，光强调制曲线的密度约为传统弱回馈的7倍；从图7B可以看出，当回馈单元30中的反射光点数为11，即回馈阶次为21时，光强调制曲线的密度约为传统弱回馈的21倍；从图7C可以看出，当回馈单元30中的反射光点数为17，即回馈阶次为33时，光强调制曲线的密度约为传统弱回馈的33倍，此时对应的光学分辨率为9.6nm；而且，两偏振态正交的回馈条纹之间还存在位相差。第一光电探测器9、第二光电探测器10探测到该回馈条纹后，利用滤波放大电路11对信号进行滤波放大处理；然后信号处理单元12，实现信号的数字转换和进一步整形、滤波，并对第一光电探测器9、第二光电探测器10输出的两路信号的边沿进行处理和计算脉冲数；同时，根据两路信号的位相相对超前或滞后判断物体的运动方向，并将方向及脉冲数显示在显示装置13上。

本发明基于FP回馈外腔的位移测量***，利用激光单重高阶弱回馈效应，不但具有高阶倍频效应，达到纳米级的位移测量分辨率；而且还能够进一步电子细分达到亚纳米级的测量分辨率和识别物体的运动方向；此外，该方法还具有光学分辨率自标定的优点，即可根据FP回馈腔镜的反射光点数得到***的分辨率而不需要其他基准仪器进行标定。所述位移测量***具有分辨率高、结构简单、可溯源到激光波长等特点。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种位移测量***，主要包括：

一激光器，用以输出双频激光；

一数据采集及处理单元，用以接收激光器输出的干涉激光并进行数据处理；

其特征在于，进一步包括一回馈单元，所述回馈单元包括一第一反射镜及第二反射镜相对且间隔设置，所述第一反射镜具有一第一表面以直接接收入射激光，所述第一表面的法线与所述入射激光形成一夹角α，所述第二反射镜包括一第三表面及与所述第三表面相对的第五表面，所述第三表面面对所述第一表面且与所述第一表面平行设置，所述第五表面背对所述第一表面设置，所述第五表面远离所述出射激光设置且具有反射膜，并与所述第三表面形成一夹角β，且在远离所述输出激光方向上逐渐靠近所述第三表面，所述第三表面包括一靠近所述入射激光的反射区域及远离所述入射激光的透

射区域，所述反射区域设置有反射膜，所述透射区域设置有增透膜，从激光器入射到回馈单元的激光直接入射到第一反射镜，在第一反射镜与第二反射镜的反射区域之间经多次反射后，从所述透射区域入射到所述第五表面，并经第五表面反射后再沿原路返回所述激光器。

2.如权利要求1所述的位移测量***，其特征在于，所述α、β以及所述第二反射镜的折射率n₂满足如下关系：

3.如权利要求1所述的位移测量***，其特征在于，所述夹角α大于等于1度小于等于10度。

4.如权利要求1所述的位移测量***，其特征在于，所述第二反射镜进一步包括一与所述第三表面相对且平行的第四表面，所述第四表面与所述第五表面相连接，所述第五表面的宽度l₂与所述透射区域的宽度l₁满足如下关系：

其中，d为第二反射镜中第三表面与第四表面之间的距离。

5.如权利要求1所述的位移测量***，其特征在于，所述第二反射镜透射区域的宽度大于等于10毫米。

6.如权利要求1所述的位移测量***，其特征在于，所述位移测量***的分辨率δ为：

其中，λ为激光波长，m为入射激光在回馈单元内的往返次数。

7.如权利要求1所述的位移探测***，其特征在于，第一反射镜的位移Δb通过以下公式获得：

其中，λ为激光波长，m为入射激光在回馈单元内的往返次数，N光程增量产生的脉冲数。

8.如权利要求1所述的位移测量***，其特征在于，所述位移测量装置的光学分辨率小于8纳米。

9.如权利要求1所述的位移测量***，其特征在于，所述激光器包括一第一内腔反射镜、一增益管、一增透窗片、一双折射元件以及一第二内腔反射镜沿输出激光的轴线依次共轴设置，所述双折射元件设置于第二内腔反射镜与所述增透窗片之间，并分别与所述第二内腔反射镜及所述增透窗片间隔设置用以产生分频激光。

10.如权利要求1所述的位移测量***，其特征在于，所述数据采集及处理单元包括一分光棱镜靠近所述第一内腔反射镜设置以接收激光器输出的激光，并将激光分成o光及e光，一第一光电探测器及第二光电探测器与所述分光棱镜间隔设置以接收所述o光及e光并转换为两路电信号，一滤波放大电路与所述第一光电探测器及第二光电探测器电连接以处理两路电信号，一信号处理单元与所述滤波放大电路电连接以计算脉冲数。

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