專利名稱：位移自傳感氦氖激光器系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器及激光傳感領(lǐng)域，特別涉及利用氦氖激光器實(shí)現(xiàn)位移傳感的方法。
有很多種位移傳感器，如電容位移傳感器，電渦流位移傳感器，電感位移傳感器。這些位移傳感器應(yīng)用廣泛，但具有原理上的非線性，線性測量范圍較小并需要校準(zhǔn)。激光干涉儀利用干涉現(xiàn)象，以波長做尺子，精度高，測量范圍大，缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。
本申請人曾于93114899.5專利申請中公開過“一種高精度激光腔變位移/折射率測量方法及其裝置”，該裝置包括由一支激光放電管，兩個(gè)激光腔鏡以及偏振分光鏡，兩個(gè)光電控測器，兩個(gè)電子放大器，信號(hào)處理電路，顯示器等元部件組成。這種方法在位移測量中達(dá)到λ/4精度(0.158μm)。
本發(fā)明旨在綜合利用幾種激光物理現(xiàn)象，將原方法的精度提高一倍，達(dá)到λ/8(0.079μm)，而且克服原方法中蘭姆凹陷處和換膜凹陷處激光功率不等帶來的調(diào)整困難，從而將一支HeNe激光器制成一種不使用干涉現(xiàn)象，但可以作為標(biāo)定基準(zhǔn)，又相對簡單的位移傳感儀器。它具有造價(jià)低，測量精度高，不必校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提出一種位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)，包括一支由放電管、固定在該放電管一端的激光輸出鏡及置于放電管另一端的可移動(dòng)的激光反射鏡組成的半外腔激光器，設(shè)置在該激光腔內(nèi)的雙折射元件，設(shè)置在腔外光軸上激光輸出鏡一端的分光鏡，以及接收并處理由該分光鏡分出的兩束光的兩個(gè)光電探測器，兩個(gè)電子放大器，信號(hào)處理單元和顯示元部件，其特征在于，還包括設(shè)置在該激光腔內(nèi)可調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗的衰減元件。本發(fā)明還包括一種采用上述的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位移傳感的方法，其特征在于包括以下步驟1)將激光反射鏡與待測件固定在一起；2)調(diào)整激光器腔長以選定合適的激光頻率間隔Δ；3)調(diào)整衰減元件改變激光器損耗以改變激光器出光帶寬以達(dá)到(激光縱模間隔Δ)/(出光帶寬)=4/3；4)調(diào)整雙折射元件使激光器頻率分裂成o光、e光，得到合適大小頻差，使出光帶寬被分成o光區(qū)，o光+e光區(qū)，e光區(qū)三等分且寬度相等，而縱模間隔Δ分成o光區(qū)，o光+e光區(qū)，e光區(qū)和無光區(qū)四個(gè)區(qū)域，且寬度相等；5)將o光和e光分開，并分別照射到兩個(gè)光電探測器上；6)待測件沿激光軸線方向移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)探測器的光照依次有四種狀態(tài)一個(gè)被照亮，兩個(gè)同時(shí)被照亮，另一個(gè)被照亮，兩個(gè)都不被照亮，電子放大器，信號(hào)處理單元將上述四種光照狀態(tài)(四個(gè)區(qū)域)轉(zhuǎn)化成位移量，狀態(tài)每次改變表明待測件位移了λ/8。
上述方法中所說的激光頻率分裂可由激光放電管的窗片上套一個(gè)壓緊圈，壓緊圈沿窗片直徑施加了一個(gè)力使激光頻率分裂；也可由放在激光器內(nèi)部的一片晶體石英產(chǎn)生。所說一個(gè)反射鏡可固定在滑動(dòng)導(dǎo)軌上，彈簧把滑動(dòng)導(dǎo)軌頂壓在被測件上。
本發(fā)明所說位移傳感HeNe激光器系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)見

圖1。圖中，1是激光放電管，2是固定在其上的一個(gè)激光腔輸出鏡，3是可沿激光腔軸方向移動(dòng)的激光腔反射鏡，4是兩表面鍍增透膜的激光放電管窗片，F(xiàn)是沿窗片直徑施加一個(gè)外力。上述元件構(gòu)成位移傳感HeNe激光器系統(tǒng)的激光器部分。5是分光鏡，6和7是兩個(gè)光電控測器，8和9是兩個(gè)放大器。10是信號(hào)處理及位移顯示器，11是一個(gè)衰減片。
激光放電管和激光腔鏡3構(gòu)成一個(gè)半內(nèi)腔HeNe激光器。激光器腔長應(yīng)盡量短，在一般HeNe激光放電管制造水平下，長約130mm-140mm為宜，在此腔長下，激光器僅輸出一個(gè)頻率。衰減片11的作用是改變激光器的損耗，使激光器出光帶寬為激光器縱模間隔的3/4，即在一個(gè)縱橫間隔內(nèi)，有3/4的帶寬是有光振蕩的，而另外1/4帶寬內(nèi)，激光器不輸出激光(無光區(qū))。力F的作用是使窗片4內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力，此應(yīng)力將窗片變成一個(gè)雙折射元件，從而使激光器幾何長度唯一的諧振腔變成有兩個(gè)物理長度的諧振腔，激光頻率發(fā)生分裂，輸出一個(gè)頻率的激光器變成輸出二個(gè)頻率的激光器，二個(gè)頻率分開的大小正比于所加力的大小。力F合適時(shí)出光帶寬分為三個(gè)區(qū)域o光區(qū)，o光和e光區(qū)，e光區(qū)。于是，一個(gè)縱模間隔被分為四個(gè)區(qū)域無光區(qū)，o光區(qū)，o光+e光區(qū)，e光。分光鏡5將o光和e光分開照在光電控測器6和7上，反射鏡3移動(dòng)較慢時(shí)，可用眼睛看清上述四種狀態(tài)，每改變一種狀態(tài)表示反射鏡3移動(dòng)了八分之一波長，從而可斷定反射鏡3的位移量，本發(fā)明還可以從狀態(tài)的變化順序斷定3是向左移動(dòng)，還是向右移動(dòng)。兩個(gè)放大器8、9，信號(hào)處理及位移顯示器10的作用是用電路代替眼睛快速地?cái)?shù)出區(qū)域的改變數(shù)和斷定狀態(tài)的變化順序，從而判斷移動(dòng)方向。
下面詳細(xì)說明工作原理和實(shí)現(xiàn)方法本發(fā)明最原始的概念來自激光原理腔鏡3的位移(腔長改變)δL和激光頻率移動(dòng)δν的關(guān)系，可表示為δv=-vLδL-----(1)]]>ν激光增益中心頻率(HZ)，此式表明，只要我們移動(dòng)反射鏡一個(gè)位移δL，激光器的頻率移動(dòng)一個(gè)δν。
如果激光反射鏡3移動(dòng)λ/2，即δL=λ/2，代入(1)有δv=-vLλ2-----(2)]]>=-c2L=-Δ]]>
(2)式表明，激光反射鏡移動(dòng)λ/2，激光頻率移動(dòng)一個(gè)縱模間隔Δ，反言之，激光頻率移動(dòng)一個(gè)縱模間隔Δ，激光反射鏡移動(dòng)λ/2。和干涉的原理進(jìn)行對比，則可發(fā)現(xiàn)類似之處。在干涉儀器，干涉臂長改變一個(gè)λ/2，干涉條紋的亮暗改變一次。但在本發(fā)明中，沒有使用干涉現(xiàn)象，自然也沒有構(gòu)成干涉的干涉臂，固定鏡和動(dòng)鏡，因而比干涉儀簡單得多。
僅由此原理并不能實(shí)現(xiàn)位移測量，因?yàn)榧す馇荤R3向左向右移動(dòng)現(xiàn)象相同，無法判定它的左右移動(dòng)方向，同時(shí)，也無法對λ/2進(jìn)行細(xì)分以提高精度。為此，本發(fā)明通過以下步驟解決問題，將上述HeNe激光器改變成有λ/8精度，可判向的位移傳感器。
第一步調(diào)整激光器腔長(激光反射鏡2和3之間的間距)，由式(1)可知，減小腔長L可使縱模間隔Δ增加。將L的長度選在130-140mm之間。由式(2)，如L=140mm，則激光頻率間隔Δ=1070MHz。
第二步，改變激光器損耗，激光器出光帶寬可由增加腔的衰減而改變。改變衰減片11對激光器軸線的傾斜度而改變損耗，以減小激光出光帶寬，以至于達(dá)到(激光縱模間隔Δ)/(出光帶寬)=4/3如圖2所示。圖2中，A到B的寬度是3Δ/4、B到C的寬度是Δ/4。
第三步使激光器頻率分裂得到大小合適頻差。
利用雙折射元件引起激光頻率分裂，即一個(gè)頻率變成兩個(gè)(一個(gè)o光頻率，一個(gè)e光頻率)。Λv=8cπLDf0F----(4)]]>上式中C光速，L激光腔長，D窗片直徑， f0窗片材料條紋系數(shù)。
在調(diào)諧激光腔長時(shí)，由于激光模競爭效應(yīng)，如果o光比e光先進(jìn)入出光帶寬，o光將抑制后進(jìn)入出光帶寬的e光，e光不能形成振蕩，于是形成一個(gè)遠(yuǎn)比Δν寬的多的o光工作區(qū)域。反之，如果e光比o光先進(jìn)入出光帶寬，則形成一個(gè)遠(yuǎn)比Δν寬的多的e光工作區(qū)域。
當(dāng)Δν大小合適時(shí)(在本發(fā)明人的制造條件下，Δν約60MHz為宜)，如果我們移動(dòng)激光腔鏡3，則發(fā)現(xiàn)，從A到B的出光帶寬又被分成三等分Ⅰ(o光區(qū))，Ⅱ(o光+e光區(qū))，Ⅲ(e光區(qū))，如圖3所示。
第四步沿激光軸線方向移動(dòng)激光腔鏡3時(shí)，光電探測器及電路系統(tǒng)將上述四個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)化成位移。分光鏡5將o和e光分開，它們分別照射到光電探測器6和7上，當(dāng)沿激光軸線方向移動(dòng)激光腔鏡3時(shí)，將看到6被照亮、7暗，→6、7同時(shí)被照亮，→6暗7亮，→6、7都暗，→6被照亮、7暗。如此反復(fù)循環(huán)。每循環(huán)一次，反射鏡走了一個(gè)λ/2，每走過一個(gè)區(qū)，反射鏡走λ/8。對波長0.6238μm的HeNe激光，λ/8是0.079μm。
因?yàn)樯鲜鲆粋€(gè)縱模間隔內(nèi)(從A到C)的四個(gè)區(qū)間的光功率亮暗性質(zhì)各不相同，無論激光腔鏡3位移前激光頻率處于圖3任一區(qū)域內(nèi)，也無論向左或向右移動(dòng)，都能從光電探測器6、7的亮暗判斷出移動(dòng)方向。例如初始位置在無光區(qū)，頻率向左運(yùn)動(dòng)進(jìn)入6暗、7亮的區(qū)域，頻率向右運(yùn)動(dòng)進(jìn)入6亮、7暗的區(qū)域。通過電路將光電探測器6、7的亮暗轉(zhuǎn)化成電信號(hào)并處理，判定出運(yùn)動(dòng)的方向，這種信號(hào)處理屬常規(guī)電路。
綜上所述，本發(fā)明的特點(diǎn)是綜合利用幾種激光物理現(xiàn)象，如激光頻率分裂現(xiàn)象，激光模競爭現(xiàn)象，激光腔調(diào)諧現(xiàn)象將一支HeNe激光器制成一種不使用干涉現(xiàn)象，但可以作為標(biāo)定基準(zhǔn)，又相對簡單的位移傳感儀器。它由一個(gè)可移動(dòng)的激光反射鏡和被測物固定在一起，由改變激光腔長選好一個(gè)激光縱模間隔并由改變激器的衰減改變出光帶寬，使其縱模間隔和出光帶寬之比為4∶3。當(dāng)被測物發(fā)生沿激光方向的位移時(shí)，探測器探測出激光功率的周期性變化，計(jì)數(shù)器計(jì)出功率變化過程中的凹陷數(shù)，凹陷數(shù)代表了被測物的位移。這種位移傳感HeNe激光器以“激光腔鏡移動(dòng)半波長頻率移動(dòng)一個(gè)縱模間隔”為工作原理，不必校準(zhǔn)。在微米測量中的精度為八分之一波長(對于633nm波長HeNe激光，八分之一波長是0、079微米。
本發(fā)明也可用于測量激光諧振腔內(nèi)的空氣折射率的改變。
附圖簡要說明圖1為本發(fā)明原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為出光帶寬和縱模間隔的分布，其寬度比是3∶4。
圖3為出光帶寬被分成三等分示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例一的示意圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例二的示意圖。
本發(fā)明的位移自傳感氦氖激光器系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法實(shí)施例結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下；本發(fā)明的一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方法，如圖4所示。
圖4中半內(nèi)腔激光器設(shè)置在一融石英管殼20之中，用一片晶體石英片41做為激光放電管窗片。晶體石英片的天然雙折射使激光形成頻率分裂。當(dāng)角度n(激光光束和晶體石英片法線的夾角)合適時(shí)，可得到合適的頻率分裂大小。衰減片11用以調(diào)整激光器腔內(nèi)的損耗。反射鏡3固定在滑動(dòng)導(dǎo)軌(即測桿)上。彈簧(未示出)把測桿頂壓在被測工件21上。被測工件移動(dòng)帶動(dòng)反射鏡3位移，位移自傳感HeNe激光器測出工件位移。
本發(fā)明的另一種實(shí)施例如圖5所示，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一大體相同，不同之處為該實(shí)施例中沒有衰減片，但反射鏡3的法線和激光器軸線夾一個(gè)非常小僅在秒的量級(jí)但合適的角度m(圖中對m做了夸大)。這一小角度給激光腔帶來損耗。一旦調(diào)整到角度合適時(shí)，將反射鏡3的位置很好的固定。調(diào)整過程先將激光器輸出功率調(diào)到最大，然后邊旋轉(zhuǎn)反射鏡3的支架(此種支架為市場上可買到的為大家所熟知的激光二維調(diào)整架，圖中未示出)，邊測量激光器輸出光的出光帶寬和在無光區(qū)帶寬的比例隨β增加，出光帶寬減小，無光帶寬增加，直至其比為3比1為止。該激光腔內(nèi)的雙折射元件由激光放電管的窗片42上套一個(gè)壓緊圈，壓緊圈沿窗片直徑施加了一個(gè)力使激光頻率分裂。反射鏡3被置于被測工件22上(如微動(dòng)臺(tái))，被測工件位移時(shí)，位移自傳感HeNe激光器測出工件位移。
權(quán)利要求
1.一種位移自傳感氦氖激光器系統(tǒng)，包括一支由放電管、固定在該放電管一端的激光輸出鏡及置于放電管另一端的可移動(dòng)的激光反射鏡組成的半外腔激光器，設(shè)置在該激光腔內(nèi)的雙折射元件，設(shè)置在腔外光軸上激光輸出鏡一端的分光鏡，以及接收并處理由該分光鏡分出的兩束光的兩個(gè)光電控測器，兩個(gè)電子放大器，信號(hào)處理單元和顯示元部件，其特征在于，還包括設(shè)置在該激光腔內(nèi)可調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗的衰減元件。
2.一種采用如權(quán)利1所述系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)位移傳感的方法，其特征在于包括以下步驟1)將激光反射鏡與待測件固定在一起；2)調(diào)整激光器腔長以選定合適的激光頻率間隔Δ；3)調(diào)整衰減元件改變激光器損耗以改變激光器出光帶寬以達(dá)到(激光縱模間隔Δ)/(出光帶寬)=4/3；4)調(diào)整雙折射元件使激光器頻率分裂成o光、e光，得到合適大小頻差，使出光帶寬被分成o光區(qū)，o光+e光區(qū)，e光區(qū)三等分，而縱模間隔Δ被分成等寬度的四個(gè)區(qū)域o光區(qū)，o光+e光區(qū)，e光區(qū)和無光區(qū)；5)將分開的o光和e光分別照射到兩個(gè)光電探測器上；6)待測件沿激光軸線方向移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)探測器的光照有四種狀態(tài)一個(gè)被照亮，兩個(gè)同時(shí)被照亮，另一個(gè)被照亮，兩個(gè)都不被照亮，電子放大器，信號(hào)處理單元將上述四個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)化成位移量。
3.如權(quán)利要求2所說的實(shí)現(xiàn)位移傳感的方法，其特征在于，所說的激光頻率分裂由激光放電管的窗片上套一個(gè)壓緊圈，壓緊圈沿窗片直徑施加了一個(gè)力使激光頻率分裂。
4.如權(quán)利要求2所說的實(shí)現(xiàn)位移傳感的方法，其特征在于，所說的激光頻率分裂由放在激光器內(nèi)部的一片晶體石英產(chǎn)生。
5.如權(quán)利要求2所說的實(shí)現(xiàn)位移傳感的方法，其特征在于，所說一個(gè)反射鏡固定在滑動(dòng)導(dǎo)軌上，彈簧把滑動(dòng)導(dǎo)軌頂壓在被測件上。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光器及激光傳感領(lǐng)域,包括一支半外腔激光器,設(shè)置在腔內(nèi)的雙折射元件,衰減元件,設(shè)置在腔外光軸上激光輸出鏡一端的分光鏡,兩個(gè)光電控測器,兩個(gè)電子放大器,信號(hào)處理單元和顯示元部件。本發(fā)明特點(diǎn)是綜合利用幾種激光物理現(xiàn)象,將一支HeNe激光器制成一各不使用干涉現(xiàn)象,但可以作為標(biāo)定基準(zhǔn),又相對簡單的位移傳感儀器。將原方法的精度提高一倍,并具有造價(jià)低,測量精度高,不必校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S3/10GK1233093SQ9910351
公開日1999年10月27日 申請日期1999年4月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月2日
發(fā)明者張書練, 李巖, 韓艷梅, 傅杰, 金國潘 申請人:清華大學(xué)