一种激光外腔回馈小角度滚转角测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，属于激光测量【技术领域】。该滚转角测量系统使用LD泵浦的单频微片Nd:YAG激光器、静止波片、可转动波片以及外部反射镜构成的激光回馈系统来测量滚转角。静止波片的快慢轴和激光偏振方向成45度角，可转动波片的快慢轴和静止波片的快慢轴重合为零点位置。在45度范围内转动可转动波片，激光器输出的回馈信号之间的相位差连续可变，与角度成一一对应关系，由此能够实现对滚转角的精密测量。本实用新型的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统具有结构简单紧凑、装配调整容易、测量精度高、成本低的特点。
【专利说明】一种激光外腔回馈小角度滚转角测量系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及测量领域，尤其涉及测量领域中的一种激光外腔回馈小角度滚转角测量系统。
【背景技术】
[0002]角度是一个重要的计量单位，同时也是机械、仪器仪表和电子产品中的重要几何参数之一，其准确度直接影响着产品的质量与寿命，在机械、光学、电子、航空航天、航海、军事等许多领域都具有极其重要的意义和作用。
[0003]测角技术中研究最早的是机械式和电磁式测角技术，如多齿分度台、感应同步器和圆磁栅等，这些方法的主要缺点是是体积过大，人们对几百毫米的直径习以为常，并且其制作困难，价格昂贵。光学测角方法由于具有非接触、高精度度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视，尤其是稳定的激光光源的发展使工业现场测量成为可能，因此使光学测量法的应用越来越广泛。目前，光学测角方法常用的有自准直法、平行干涉图法、光电编码器法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法和表面等离子共振法等。激光干涉法是目前进度最高的测量方法，但是其原理上是非线性的，且测量范围小，主要用作对其他方法的检定。圆光栅和感应同步器等，其测量装置由“动片”和“静片”组成，需要严格同心，加工和装配要求太苛刻。
【发明内容】
[0004]本实用新型利用激光外腔回馈导致激光器X、y两个方向的激光强度受到不同的调制，提出了一种新的滚转角测量方法。在双波片外腔回馈条件下，激光器x、y两个方向的激光强度具有位相差，此位相差与外腔可转动波片的位相差成一一对应关系。通过测量X、y方向上的激光强度之间的位相差就可以实现高精度的滚转角测量。
[0005]本实用新型提供了一种激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，该滚转角测量系统包括:
[0006]带尾纤的LD栗浦源1，该LD栗浦源I用于产生栗浦光；
[0007]准直聚焦透镜组2，该准直聚焦透镜组2通过光纤与该LD栗浦源I连接；
[0008]由全内腔的Nd: YAG晶体3构成的Nd: YAG激光器，该Nd: YAG晶体3的入射面和出射面构成该Nd: YAG激光器的谐振腔，该准直聚焦透镜组2将该LD栗浦源I产生的栗浦光汇聚于该Nd:YAG晶体3的该入射面，在该入射面和该出射面之间谐振，并从该出射面输出单频线偏振激光；
[0009]外腔回馈反射镜7，该外腔回馈反射镜7与该Nd: YAG晶体3的出射面构成回馈外腔，该外腔回馈反射镜7将该Nd: YAG激光器输出的单频线偏振激光反射回该Nd: YAG激光器，以产生激光外腔回馈；
[0010]静止波片5，该静止波片5设置在该回馈外腔中，并且该静止波片5的快轴和慢轴分别与该Nd:YAG激光器输出的单频线偏振激光的偏振方向成45度夹角；[0011]可转动波片6，该可转动波片6设置在该回馈外腔中，并与待测物体固定连接，以敏感该待测物体的滚转角；
[0012]位移驱动器8，该位移驱动器8与该外腔回馈反射镜7固定连接，以在驱动电压的作用下，推动该外腔回馈反射镜7沿该单频线偏振激光的轴线移动，改变该回馈外腔的长度；
[0013]信号探测与驱动装置，该信号探测与驱动装置用于分别在该静止波片5的快轴和慢轴这两个方向上，探测该Nd:YAG激光器输出的该单频线偏振激光的光强，并用于向该位移驱动器8提供驱动电压；
[0014]相位检测器，该相位检测器用于检测该单频线偏振激光在该静止波片5的快轴和慢轴这两个方向上的光强的相位差；和
[0015]数据处理器12，该数据处理器12用于基于该相位检测器检测的相位差，确定该待测物体的滚转角，
[0016]其中，该信号探测与驱动装置包括:
[0017]偏振分光棱镜9，该偏振分光棱镜9将该Nd: YAG激光器输出的该单频线偏振激光在空间上分成两路光，该两路光的方向分别平行于该快轴和该慢轴的方向；和
[0018]两个光电探测器10、11，该两个光电探测器10、11设置成分别探测该两路光的光强。
[0019]可选地，在本实用新型实施例中，该可转动波片6的快轴和慢轴分别与该静止波片5的快轴和慢轴重合。
[0020]可选地，在本实用新型实施例中，该信号探测与驱动装置还包括:
[0021]分束器4，该分束器4用于将该Nd: YAG激光器输出的该单频线偏振激光分成两部分，其中一部分该单频线偏振激光入射到该偏振分光棱镜9。
[0022]可选地，在本实用新型实施例中，该分束器设置在该回馈外腔中。
[0023]可选地，在本实用新型实施例中，该分束器设置在该外腔回馈反射镜7的一侧，接收该外腔回馈反射镜7透射的该单频线偏振激光。
[0024]可选地，在本实用新型实施例中，该Nd: YAG激光器输出的该单频线偏振激光的波长为 1064nm。
[0025]基于上述技术方案，本实用新型的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，利用激光外腔回馈导致激光器x、y两个方向的激光强度受到不同的调制，从而在双波片外腔回馈条件下，根据激光器X、y两个方向的激光强度具有位相差，此位相差与外腔可转动波片的位相差成一一对应关系，通过测量X、y方向上的激光强度之间的位相差就能够实现高精度的滚转角测量。并且，本实用新型的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统还具有结构简单紧凑、装配调整容易、测量精度高、成本低的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0027]图1是根据本实用新型的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统的示意性框图。
[0028]图2是双折射外腔回馈波片测量系统的坐标系的示意图。
[0029]图3 (a)、图3 (b)、图3 (C)和图3 (d)分别是根据本实用新型的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统对不同滚转角的测量结果示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。
[0031]图1示出了根据本实用新型的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统的示意性框图。如图1所示，该激光外腔回馈小角度滚转角测量系统包括:
[0032]带尾纤的LD栗浦源1，该LD栗浦源I用于产生栗浦光；
[0033]准直聚焦透镜组2，该准直聚焦透镜组2通过光纤与该LD栗浦源I连接；
[0034]由全内腔的Nd: YAG晶体3构成的Nd: YAG激光器，该Nd: YAG晶体3的入射面和出射面构成该Nd: YAG激光器的谐振腔，该准直聚焦透镜组2将该LD栗浦源I产生的栗浦光汇聚于该Nd:YAG晶体3的该入射面，在该入射面和该出射面之间谐振，并从该出射面输出单频线偏振激光；
[0035]外腔回馈反射镜7，该外腔回馈反射镜7与该Nd: YAG晶体3的出射面构成回馈外腔，该外腔回馈反射镜7将该Nd: YAG激光器输出的单频线偏振激光反射回该Nd: YAG激光器，以产生激光外腔回馈；
[0036]静止波片5，该静止波片5设置在该回馈外腔中，并且该静止波片5的快轴和慢轴分别与该Nd:YAG激光器输出的单频线偏振激光的偏振方向成45度夹角；
[0037]可转动波片6，该可转动波片6设置在该回馈外腔中，并与待测物体固定连接，以敏感该待测物体的滚转角；
[0038]位移驱动器8，该位移驱动器8与该外腔回馈反射镜7固定连接，以在驱动电压的作用下，推动该外腔回馈反射镜7沿该单频线偏振激光的轴线移动，改变该回馈外腔的长度；
[0039]信号探测与驱动装置，该信号探测与驱动装置用于分别在该静止波片5的快轴和慢轴这两个方向上，探测该Nd:YAG激光器输出的该单频线偏振激光的光强，并用于向该位移驱动器8提供驱动电压；
[0040]相位检测器，该相位检测器用于检测该单频线偏振激光在该静止波片5的快轴和慢轴这两个方向上的光强的相位差；和
[0041]数据处理器12，该数据处理器12用于基于该相位检测器检测的相位差，确定该待测物体的滚转角，
[0042]其中，该信号探测与驱动装置包括:
[0043]偏振分光棱镜9，该偏振分光棱镜9将该Nd: YAG激光器输出的该单频线偏振激光在空间上分成两路光，该两路光的方向分别平行于该快轴和该慢轴的方向；和
[0044]两个光电探测器10、11，该两个光电探测器10、11设置成分别探测该两路光的光强。
[0045]可选地，该可转动波片6的快轴和慢轴分别与该静止波片5的快轴和慢轴重合。
[0046]可选地，该信号探测与驱动装置还包括:
[0047]分束器4，该分束器4用于将该Nd: YAG激光器输出的该单频线偏振激光分成两部分，其中一部分该单频线偏振激光入射到该偏振分光棱镜9。
[0048]可选地，该分束器设置在该回馈外腔中。
[0049]可选地，该分束器设置在该外腔回馈反射镜7的一侧，接收该外腔回馈反射镜7透射的该单频线偏振激光。
[0050]可选地，该Nd: YAG激光器输出的该单频线偏振激光的波长为1064nm。
[0051]具体而言，在图1中，I可以是带尾纤输出的半导体激光器，用作栗浦源；2可以是准直聚焦透镜组，把栗浦光聚焦于3的表面；3可以是激光增益介质一 Nd:YAG晶体，3的两个表面构成激光谐振腔；4可以是分束器，把激光器输出光分成两部分，其中一部分用于回馈，另一部分用作信号探测；5可以是一个位相延迟量为45度(不仅限于45度)的静止波片，其快、慢轴和激光器输出光的偏振方向夹角为45度；6可以是位相延迟量为45度(不仅限于45度)的可转动波片，与待测物体连接，用于敏感探测滚转角；7可以为外腔回馈反射镜，反射率例如为50% ;8可以为压电陶瓷，它固定在上述外腔回馈反射镜上，在输入电压的作用下，它推动上述外腔回馈反射镜7沿激光轴线方向左、右移动；4、5、6、7以及Nd: YAG晶体3的输出面共同构成激光回馈外腔；9可以为偏振分光棱镜(渥拉斯顿棱镜)；10和11可以为两个光电探测器；9、10和11构成信号接受装置。12可以是数据处理系统，包括:模/数转换器，其输入信号分别为光电探测器10、11输出的激光强度信号；数/模转换器，该数/模转换器的输出与所述的压电陶瓷8的输入端相连；计算机与所述的模/数转换器的输出端、数/模转换器的输入端相连。
[0052]本实用新型的原理如下:
[0053]建立如图2所本的坐标系，Z轴为Nd:YAG激光器输出光的传播方向。激光的电场方向￡β分别与X轴、Y轴成45度。双折射回馈外腔中波片5的快、慢轴(即ο-轴、e-轴)分
别与X轴、Y轴重合。偏振分光棱镜9的两光轴分别与X轴、Y轴重合。
[0054]单模Nd: YAG激光器在光回馈下，阈值增益的变化量八§为:
[0055]
【权利要求】
1.一种激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，其特征在于，包括: 带尾纤的LD栗浦源(I )，所述LD栗浦源(I)用于产生栗浦光；准直聚焦透镜组(2 )，所述准直聚焦透镜组(2 )通过光纤与所述LD栗浦源(I)连接；由全内腔的Nd: YAG晶体(3)构成的Nd: YAG激光器，所述Nd: YAG晶体(3)的入射面和出射面构成所述Nd: YAG激光器的谐振腔，所述准直聚焦透镜组(2)将所述LD栗浦源(I)产生的栗浦光汇聚于所述Nd:YAG晶体(3)的所述入射面，在所述入射面和所述出射面之间谐振，并从所述出射面输出单频线偏振激光； 外腔回馈反射镜(7)，所述外腔回馈反射镜(7)与所述Nd:YAG晶体(3)的出射面构成回馈外腔，所述外腔回馈反射镜(7)将所述Nd: YAG激光器输出的单频线偏振激光反射回所述Nd: YAG激光器，以产生激光外腔回馈； 静止波片(5 )，所述静止波片(5 )设置在所述回馈外腔中，并且所述静止波片(5 )的快轴和慢轴分别与所述Nd: YAG激光器输出的单频线偏振激光的偏振方向成45度夹角； 可转动波片(6)，所述可转动波片(6)设置在所述回馈外腔中，并与待测物体固定连接，以敏感所述待测物体的滚转角； 位移驱动器(8)，所述位移驱动器(8)与所述外腔回馈反射镜(7)固定连接，以在驱动电压的作用下，推动所述外腔回馈反射镜(7)沿所述单频线偏振激光的轴线移动，改变所述回馈外腔的长度； 信号探测与驱动装置 ，所述信号探测与驱动装置用于分别在所述静止波片(5)的快轴和慢轴这两个方向上，探测所述Nd: YAG激光器输出的所述单频线偏振激光的光强，并用于向所述位移驱动器(8)提供驱动电压； 相位检测器，所述相位检测器用于检测所述单频线偏振激光在所述静止波片(5)的快轴和慢轴这两个方向上的光强的相位差；和 数据处理器(12)，所述数据处理器(12)用于基于所述相位检测器检测的相位差，确定所述待测物体的滚转角， 其中，所述信号探测与驱动装置包括: 偏振分光棱镜(9)，所述偏振分光棱镜(9)将所述Nd: YAG激光器输出的所述单频线偏振激光在空间上分成两路光，所述两路光的方向分别平行于所述快轴和所述慢轴的方向；和 两个光电探测器(10,11),所述两个光电探测器(10、11)设置成分别探测所述两路光的光强。
2.根据权利要求1所述的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，其特征在于，所述可转动波片(6)的快轴和慢轴分别与所述静止波片(5)的快轴和慢轴重合。
3.根据权利要求1或2所述的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，其特征在于，所述信号探测与驱动装置还包括: 分束器(4 )，所述分束器(4 )用于将所述Nd: YAG激光器输出的所述单频线偏振激光分成两部分，其中一部分所述单频线偏振激光入射到所述偏振分光棱镜(9)。
4.根据权利要求3所述的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，其特征在于，所述分束器设置在所述回馈外腔中。
5.根据权利要求3所述的激光外腔回馈小角度滚转角测量系统，其特征在于，所述分束器设置在所述外腔回馈反射镜(7)的一侧，接收所述外腔回馈反射镜(7)透射的所述单频线偏振激 光。
【文档编号】G01B11/26GK203605919SQ201320496238
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年8月14日 优先权日:2013年8月14日
【发明者】宋明宇 申请人:北京镭测科技有限公司