專利名稱：基于Zeeman－雙折射雙頻激光器的光回潰測距儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于Zeeman-雙折射雙頻激光器的光回潰測距儀屬于激光測距技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)激光器輸出光被外界物體反射或散射后，部分光將返回激光器諧振腔內(nèi)與腔內(nèi)光束相混合而引起激光器的輸出光強(qiáng)的變化，該現(xiàn)象被稱作光回潰現(xiàn)象(self-mixing interference)或光回潰(optical feedback)。King于1963年首次報道了光回潰現(xiàn)象。光回潰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，一般僅由一個激光器和待測物體組成。光回潰信號的兩個基本特征為1.外部反射鏡或散射物每移動半個光波波長的位移，激光器光強(qiáng)化一個條紋；2.條紋的波動深度與傳統(tǒng)的雙光束干涉系統(tǒng)相當(dāng)。
Rudd對CO2激光器的光回潰特性進(jìn)行了研究，并首次將光回潰應(yīng)用于速度測量。研究者們隨后基于以上現(xiàn)象對光回潰現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究，研究重點主要集中在基于光回潰現(xiàn)象的形貌測量、位移和距離的測量、速度和振動測量以及線寬測量等。同時人們也建立了一系列的理論模型對回潰中出現(xiàn)的各類現(xiàn)象進(jìn)行了分析和解釋。
光回潰測試技術(shù)大部分的研究都集中于半導(dǎo)體激光器中的光回潰現(xiàn)象的研究。半導(dǎo)體激光器中的光回潰現(xiàn)象比較復(fù)雜，可以根據(jù)回潰系數(shù)C的不同而分為四種光回潰水平A.很弱光回潰(C＝1)，回潰信號為余弦波形；B.弱光回潰(0.1＜C＜1)，回潰信號為類鋸齒波波形；C.中等光回潰(1＜C＜4.6)，回潰信號為類鋸齒波波形，激光器出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)；D.強(qiáng)光回潰(C＞4.6)，回潰過強(qiáng)，不能用于干涉測量。
而以往研究者應(yīng)用光回潰現(xiàn)象進(jìn)行測距時，主要是利用半導(dǎo)體激光器中的模跳現(xiàn)象。而模跳現(xiàn)象的發(fā)生則依賴于光回潰的水平。如果光回潰水平過低，則沒有模跳現(xiàn)象而使得測量無法進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，性價比高，并且無需控制光回潰水平的光回潰測距儀。本發(fā)明特征在于，它含有含有光源部分、測量部分和信號處理部分，其中，光源部分，是一個小頻差的雙頻激光器，該雙頻激光器包括激光增益管，內(nèi)部充有HeNe混合氣體；尾光輸出鏡，位于所述激光增益管的尾光輸出側(cè)；
增透窗片，位于所述激光增益管的主輸出光一側(cè)；機(jī)械式應(yīng)力施加裝置，沿垂直于激光增益管軸的方向安裝，用于對增透窗片施加一個應(yīng)力；主光束輸出鏡，位于增透窗片的主輸出光出射側(cè)，輸出兩正交偏振光，即平行光和垂直光；橫向磁場發(fā)生器，位于與所述激光增益管的軸向平行的兩側(cè)，用于向激光增益管施加平行或垂直于上述應(yīng)力方向的橫向磁場；驅(qū)動部件(7)，固定在尾光輸出鏡上，用于驅(qū)動尾光輸出鏡運動，實現(xiàn)腔調(diào)諧；測量部分，有一個固定在待測物體上的驅(qū)動部件(9)，在所述驅(qū)動部件(9)上固定一個反射鏡，所述反射鏡被驅(qū)動沿著激光器主光束出射的方向運動，使入射到待測物體上的兩束正交的偏振光被反射回激光器諧振腔分別與腔內(nèi)的兩束正交的偏振光混合，引起兩束正交的偏振光各自的光強(qiáng)波動；信號處理部分，包括Wollaston棱鏡，位于尾光輸出鏡的另一側(cè)，用于將兩束正交的偏振光分開；兩個光電探測器，位于Wollaston棱鏡的另一側(cè)，用來檢測Wollaston棱鏡所分開的兩束正交的偏振光光強(qiáng)的變化；信號處理裝置，為具有信號采集，分析以及顯示功能的計算機(jī)，用于對上述光電探測器接受的信號進(jìn)行處理，求得光強(qiáng)調(diào)制深度以計算出待測物體距離光源的距離。
所述機(jī)械式應(yīng)力施加裝置是鑲有螺釘?shù)募恿Νh(huán)。所述橫向磁場發(fā)生器是兩塊永久磁鐵。所述的驅(qū)動部件是壓電陶瓷。
實驗證明，本發(fā)明所提供的基于Zeeman-雙折射雙頻激光器的光回潰測距儀所用光源為短腔長的雙頻HeNe激光器，無論外界反射物表面情況如何，該激光器都將工作在很弱光回潰水平下，因此應(yīng)用該激光器的光回潰系統(tǒng)，無需控制光回潰水平，達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖1是本發(fā)明所述基于Zeeman-雙折射雙頻激光器的光回潰測距儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是腔調(diào)諧過程中兩垂直偏振光的回潰曲線圖(a)外腔長l＝310mm；(b)外腔l＝335mm；(c)外腔長l＝360mm；(d)外腔長l＝385mm。
圖3是MDmin/MS隨外腔長變化實驗及模擬曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的裝置如圖1所示，1為HeNe激光器的尾光輸出鏡，其反射率一般為99.8％，2為激光器的增益管，內(nèi)部充有HeNe的混合氣體，3為激光器的增透窗片，4為激光器的主光束輸出鏡，反射率一般為98％。1，2，3和4共同組成了一只HeNe激光器的主體，腔長為155mm。本發(fā)明所使用的光源為小頻差的雙頻激光器，通過機(jī)械式應(yīng)力施加裝置5對現(xiàn)有激的主體，腔長為155mm。本發(fā)明所使用的光源為小頻差的雙頻激光器，通過機(jī)械式應(yīng)力施加裝置5對現(xiàn)有激光器窗片3施加一應(yīng)力來產(chǎn)生雙折射效應(yīng)。該機(jī)械式應(yīng)力施加裝置為一個鑲有一個螺釘?shù)募恿Νh(huán)，調(diào)節(jié)螺釘?shù)乃删o可以調(diào)節(jié)應(yīng)力的大小。激光增益管兩側(cè)放置橫向磁場發(fā)生器6，它由兩塊永久磁鐵共同組成。橫向磁場發(fā)生器產(chǎn)生的橫向磁場方向平行或垂直于上述應(yīng)力的方向，磁場的加入可以大大減小雙頻激光器中兩頻率的模競爭以實現(xiàn)小頻差的輸出。7為安裝在尾光輸出鏡1上面的壓電陶瓷，用來對激光器進(jìn)行腔調(diào)諧。1-7七個部件組成了一只雙折射一塞曼雙頻激光器，該激光器將輸出兩線性垂直偏振光。本實驗裝置所用的雙頻激光器兩線性垂直偏振光的頻差為6.7MHz。8為外腔反射鏡，在實際應(yīng)用中，該反射鏡為待測物體。壓電陶瓷9驅(qū)動反射鏡8沿著光線方向移動。8和9兩個元件組成了光回潰系統(tǒng)的外腔。激光器的尾光經(jīng)Wollaston棱鏡10分為兩束正交的偏振光，兩束正交的偏振光分別由探測器11和12進(jìn)行探測，所得兩光電信號由計算機(jī)13進(jìn)行處理。計算機(jī)13通過軟件編程的方式實現(xiàn)集信號采集、信號分析以及測量結(jié)果顯示的功能。整個系統(tǒng)可以分為三部分14為光源部分，15為測量部分即光回潰系統(tǒng)的外腔，16為信號處理部分。
本發(fā)明原理如下。根據(jù)激光原理可知，激光器相鄰兩縱模的縱模間隔為Δ＝c/2L，(1)c為光在真空中的速度，L為激光器的腔長。對于實驗中所使用的155mm的長的激光器，其縱模間隔為968MHz，該值小于0.6328μmHeNe激光器的多普勒展寬寬度1500MHz，故該激光器可以工作在雙縱?；騿慰v模狀態(tài)下。對于工作在單縱模條件下的Zeeman-雙折射雙頻激光器，它輸出兩個垂直偏振的頻率，平行于磁場方向偏振的頻率稱為平行光，而垂直于磁場方向偏振的頻率稱為垂直光。我們此處僅考慮平行光的光強(qiáng)特性(對于垂直光的光強(qiáng)特性也可以用類似的方法推倒，此處不再詳述)。平行光的光強(qiáng)可用下式表達(dá)I∥＝I0∥[1-mcos()]， (2)I0∥為激光器中的平行光在無光回潰條件下的光強(qiáng)。＝4πvl/c為光在外腔行進(jìn)一個來回所產(chǎn)生的相位差。l為激光器的外腔長，v為激光器平行光的頻率。m為回潰信號的調(diào)制系數(shù)。由公式2可知對于光回潰系統(tǒng)，外腔長每變化半個波長，激光器的光強(qiáng)變化一個周期。
激光器中光強(qiáng)的調(diào)制深度可以如下定義M=Imax-IminImax+Imin,---(3)]]>其中Imax和Imin分別為激光器輸出光光強(qiáng)的最大值和最小值。當(dāng)Zeeman-雙折射雙頻激光器工作在單縱模狀態(tài)時，根據(jù)公式2和3可以求得其輸出的平行光的光強(qiáng)調(diào)制深度MS＝m，即為回潰信號的調(diào)制系數(shù)。而當(dāng)Zeeman-雙折射雙頻激光器工作在雙縱模狀態(tài)時，每個模式都是由兩個互相垂直偏振的頻率組成。此處我們?nèi)灾谎芯科叫泄獾墓鈴?qiáng)特性。激光器中相鄰兩縱模中平行偏振的兩頻率各自光強(qiáng)Iq∥和Iq+1∥可以分別表示為Iq∥＝I0[1-κmcos()]， (4) I0為q階模中的平行光在無光回潰時的光強(qiáng)，ε為q+1階模中的平行光在無光回潰時的光強(qiáng)與q階模中的平行光在無光回潰時的光強(qiáng)的比值。κ為兩相鄰平行光間的耦合系數(shù)，為一常數(shù)。Δ為兩相鄰平行光間的頻差，即激光器的縱模間隔。此時平行光的總光強(qiáng)為兩平行光的各自光強(qiáng)的和，即 根據(jù)公式6和3，可以計算出此時平行光的光強(qiáng)調(diào)制深度為MD=km(1+ϵ)1+2cos(2πlL)ϵ+ϵ2,---(7)]]>當(dāng)ε＝1，公式7有最小值，該值為MDmin=km|cos(πlL)|,---(8)]]>ε＝1所指的是兩相鄰平行光在無光回潰時光強(qiáng)相等，即激光器腔內(nèi)兩縱模恰好關(guān)于激光增益曲線中心頻率對稱。將MS＝m帶入公式8可以得到MDminMS=k|cos(πlL)|.---(9)]]>其中MDmin和MS均可以通過實驗獲得?？梢酝ㄟ^將激光器調(diào)諧為兩等高縱模狀態(tài)時，求此時的激光器光回潰信號的光強(qiáng)調(diào)制深度而獲得MDmin。而通過將激光器調(diào)諧為單縱模狀態(tài)時，求激光器光回潰信號的光強(qiáng)調(diào)制深度即可獲得MS。k和L均為常數(shù)，因此我們只需求得MDmin和MS，便可以求得激光器外腔長l，從而確定外腔反射鏡的位置而實現(xiàn)距離測量。而且由公式9可知，l為L的整數(shù)倍時，MDmin/MS的值最大，說明此時外腔光束與內(nèi)腔光束干涉條件比較好，光強(qiáng)的波動深度并不因激光器由相干長度很好的單縱模變?yōu)橄喔砷L度較差的雙縱模而明顯變化。而當(dāng)l為L/2的奇數(shù)倍時，MDmin/MS的值最小且為零，說明此時外腔光束與內(nèi)腔光束干涉條件非常差，光強(qiáng)的波動深度會因激光器由相干長度很好的單縱模變?yōu)橄喔砷L度較差的雙縱模而明顯變化。因此在不同的外腔長條件對應(yīng)不同的MDmin/MS，這就是利用腔調(diào)諧的手段改變激光器振蕩模式，求得不同模式下的光強(qiáng)調(diào)制深度而實現(xiàn)距離測量的原理。
在激光器腔調(diào)諧的過程中，同時對激光器進(jìn)行光回潰，此時獲得的光回潰信號如圖2所示。實驗中腔調(diào)諧信號和外腔反射鏡驅(qū)動信號均為三角波，但腔調(diào)諧信號的周期為外腔反射鏡驅(qū)動信號周期的150倍，即腔調(diào)諧的過程相比于光回潰的過程要緩慢的多。這樣激光器縱模在增益曲線范圍內(nèi)的不同位置處時，我們都可以獲得若干個周期的光回潰信號用以分析激光器的光強(qiáng)調(diào)制深度。圖2中各圖中，上部的曲線表示平行光光強(qiáng)變化曲線，圖中部的曲線表示垂直光光強(qiáng)變化曲線，圖下部的三角波信號為回潰鏡的驅(qū)動信號。圖中平行光信號向上平移了3500mV以便與垂直光曲線相區(qū)分。各圖中的區(qū)域A為激光器工作在單縱模條件時的回潰曲線圖，而區(qū)域B為激光器工作在雙縱模條件時的回潰曲線圖。
圖2(a)為外腔長l＝310mm時的激光器在腔調(diào)諧過程中兩垂直偏振光的回潰曲線圖。此時外腔長l＝2L，為激光器腔長的兩倍。圖中的每個光強(qiáng)條紋都對應(yīng)著外腔長半個光波長的變化。由圖可見，無論是平行光曲線還是垂直光曲線，二者在腔調(diào)諧的過程光強(qiáng)調(diào)制深度無明顯變化，在整個增益曲線范圍內(nèi)兩光光強(qiáng)波動幅值都比較大，而且幅值相差不大。而圖2(b)則是外腔長l＝335mm時的激光器在腔調(diào)諧過程中兩垂直偏振光的回潰曲線圖。此時外腔長l＝2.2L，即外腔長稍大于激光器腔長的兩倍。圖2(b)中的光強(qiáng)曲線在激光器工作在雙縱模時(即區(qū)域B)時，兩光光強(qiáng)調(diào)制深度相比于圖2(a)有一些下降。而圖2(c)則是為外腔長l＝360mm時的激光器在腔調(diào)諧過程中兩垂直偏振光的回潰曲線圖。此時外腔長l＝2.3L。相比于前兩圖，圖2(c)中的光強(qiáng)曲線在激光器工作在雙縱模平均光強(qiáng)相等時(即區(qū)域B中光強(qiáng)調(diào)制幅度最小區(qū)域位置處)，兩光的光強(qiáng)調(diào)制深度都有較明顯下降。而圖2(d)則是為外腔長l＝385mm時的激光器在腔調(diào)諧過程中兩垂直偏振光的回潰曲線圖。此時外腔長l＝2.5L，即外腔長為激光器半個腔長長度奇數(shù)倍，相比于前三圖，圖2(d)中的光強(qiáng)曲線在激光器工作在雙縱模條件下時，光強(qiáng)調(diào)制深度在較大區(qū)域范圍內(nèi)變化都不是很大，并且在激光器雙縱模平均光強(qiáng)相等時，平行光光強(qiáng)調(diào)制深度幾乎為零，這與公式9相符合。
縱觀上述實驗現(xiàn)象，我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)外腔長l為激光器腔長L的整數(shù)倍時，激光器無論是工作在單縱模還是雙縱模，光強(qiáng)的波動深度都比較大，而且波動深度不因激光器模式而明顯變化。而當(dāng)外腔長l為激光器腔長L一半的奇數(shù)倍時，激光器工作在單縱模時的光強(qiáng)調(diào)制深度整體上要遠(yuǎn)好于激光器工作在雙縱模時的光強(qiáng)調(diào)制深度，這與理論分析部分中關(guān)于公式9的討論是相吻合的。
隨著外腔長的進(jìn)一步增大，激光器工作在雙縱模條件下的光強(qiáng)調(diào)制深度整體上也將會逐漸增大，直到外腔長長度等于激光器腔長整數(shù)倍時，激光器工作在雙縱模條件下時光強(qiáng)調(diào)制深度整體上又開始逐漸減小。鑒于篇幅的限制，外腔長l大于激光器腔長2.5倍以后的光的回潰曲線圖不再給出。由實驗中所得的曲線，我們可以分別計算出在不同外腔長條件下的MDmin和MS，這樣我們就可以描繪出MDmin/MS隨外腔長變化曲線圖，如圖3中星點圖所示。圖中的連續(xù)曲線為根據(jù)公式9所作出的理論曲線。圖3中實驗結(jié)果與模擬結(jié)果整體上吻合，因此激光器光強(qiáng)因外腔長與激光器腔長比例關(guān)系的不同，而導(dǎo)致的當(dāng)激光器在腔調(diào)諧的過程中光強(qiáng)波動深度明顯變化的現(xiàn)象可以用于距離測量。由于對于特定的MDmin/MS值，根據(jù)公式9將會有多個解，各個解之間相差半個激光器腔長的整數(shù)倍。因此本系統(tǒng)的距離測量的范圍為半個激光器腔長。當(dāng)首先知道待測物體在激光器若干個半個激光器腔長以外時，可以通過計算MDmin/MS的比值，利用公式9計算獲得外腔長度，從而確定待測物體的位置。
本發(fā)明所設(shè)計的基于Zeeman-雙折射雙頻激光器的光回潰測距儀由光源，測量部分和信號處理3個部分組成。測量過程中，通過激光器腔調(diào)諧實現(xiàn)激光器內(nèi)腔模式的變換，同時對激光器進(jìn)行光回潰信號的探測。激光器工作在雙縱模時的光強(qiáng)調(diào)制深度與工作在單模時的光強(qiáng)調(diào)制深度的差別與外腔長有關(guān)。當(dāng)外腔長為激光器腔長整數(shù)倍時，該調(diào)制深度差別最?。欢?dāng)外腔長逐漸偏離激光器腔長整數(shù)倍時，該調(diào)制深度差別逐漸變大。本發(fā)明利用該特性來確定外腔反射鏡位置而實現(xiàn)距離測量。本發(fā)明所設(shè)計的光回潰測距儀是一種結(jié)構(gòu)緊湊簡單緊湊，并且無需控制光回潰水平的激光測距儀。
權(quán)利要求
1.基于Zeeman-雙折射雙頻激光器的光回潰測距儀，其特征在于，含有光源部分、測量部分和信號處理部分，其中，光源部分，是一個小頻差的雙頻激光器，該雙頻激光器包括激光增益管，內(nèi)部充有HeNe混合氣體；尾光輸出鏡，位于所述激光增益管的尾光輸出側(cè)；增透窗片，位于所述激光增益管的主輸出光一側(cè)；機(jī)械式應(yīng)力施加裝置，沿垂直于激光增益管軸的方向安裝，用于對增透窗片施加一個應(yīng)力；主光束輸出鏡，位于增透窗片的主輸出光出射側(cè)，輸出兩正交偏振光，即平行光和垂直光；橫向磁場發(fā)生器，位于與所述激光增益管的軸向平行的兩側(cè)，用于向激光增益管施加平行或垂直于上述應(yīng)力方向的橫向磁場；驅(qū)動部件(7)，固定在尾光輸出鏡上，用于驅(qū)動尾光輸出鏡運動，實現(xiàn)腔調(diào)諧；測量部分，有一個固定在待測物體上的驅(qū)動部件(9)，在所述驅(qū)動部件(9)上固定一個反射鏡，所述反射鏡被驅(qū)動沿著激光器主光束出射的方向運動，使入射到待測物體上的兩束正交的偏振光被反射回激光器諧振腔分別與腔內(nèi)的兩束正交的偏振光混合，引起兩束正交的偏振光各自的光強(qiáng)波動；信號處理部分，包括Wollaston棱鏡，位于尾光輸出鏡的另一側(cè)，用于將兩束正交的偏振光分開；兩個光電探測器，位于Wollaston棱鏡的另一側(cè)，用來檢測Wollaston棱鏡所分開的兩束正交的偏振光光強(qiáng)的變化；信號處理裝置，為具有信號采集，分析以及顯示功能的計算機(jī)，用于對上述光電探測器接受的信號進(jìn)行處理，求得光強(qiáng)調(diào)制深度以計算出待測物體距離光源的距離。
2.如權(quán)利要求1所述的基于Zeeman-雙折射雙頻激光器的光回潰測距儀，其特征在于，所述機(jī)械式應(yīng)力施加裝置是鑲有螺釘?shù)募恿Νh(huán)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于Zeeman-雙折射雙頻激光器的光回潰測距儀，其特征在于，所述橫向磁場發(fā)生器是兩塊永久磁鐵。
4.如權(quán)利要求1所述的基于Zeeman-雙折射雙頻激光器的光回潰測距儀，其特征在于，所述的驅(qū)動部件是壓電陶瓷。
全文摘要
基于Zeeman－雙折射雙頻激光器的光回潰測距儀屬于激光測距技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，該測距儀由光源，測量部分和信號處理3個部分組成。測量過程中，通過激光器腔調(diào)諧實現(xiàn)激光器內(nèi)腔模式的變換，同時對激光器進(jìn)行光回潰信號的探測。激光器工作在雙縱模時的光強(qiáng)調(diào)制深度與工作在單模時的光強(qiáng)調(diào)制深度的差別與外腔長有關(guān)。當(dāng)外腔長為激光器腔長整數(shù)倍時，該調(diào)制深度差別最?。欢?dāng)外腔長逐漸偏離激光器腔長整數(shù)倍時，該調(diào)制深度差別逐漸變大。本發(fā)明利用該特性來確定外腔反射鏡位置而實現(xiàn)距離測量。本發(fā)明所設(shè)計的光回潰測距儀是一種結(jié)構(gòu)緊湊簡單緊湊，并且無需控制光回潰水平的激光測距儀。
文檔編號G01S17/08GK1664613SQ20051001151
公開日2005年9月7日 申請日期2005年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月1日
發(fā)明者劉剛, 張書練 申請人:清華大學(xué)