位移自传感氦氖激光器系统的制作方法

本公开涉及激光位移传感技术领域，尤其涉及一种位移自传感氦氖激光器系统。

背景技术：

中国专利“位移自传感氦氖激光器系统及其实现方法”(ZL99103514.3)综合利用激光频率分裂、激光模竞争、激光功率调谐等多种激光物理现象，将一只普通氦氖激光器改造成一种不利用干涉现象但具有自标定功能又相对简单的位移传感器。该方法具有λ/8的位移测量分辨率(对于波长为632.8nm的氦氖激光器，λ/8为79nm)。这一发明的主体结构是一只普通的半外腔氦氖激光器，其两个反射腔镜之一作为动静固连在一直线导轨(测杆)上以便可沿激光器光轴做轴向移动。中国专利“以猫眼作腔镜的位移自传感HeNe激光器系统”(申请号：200310115540.6)对此系统进行了改进，使用猫眼逆向器作为腔镜并与直线导轨固连，克服了因腔镜摆动造成的激光腔失调，提高了系统的稳定性，将系统的测量范围提高到了十几个毫米(分辨率依然是79nm)，并且已经仪器化。根据理论分析与实验验证，“猫眼”的使用完全能够使系统的测量范围达到50mm，但是其分辨率和精度仍然难以满足很多用户的要求。中国专利“1152nm波长氦氖激光器纳米测尺”(申请号：200910076308.3)利用系统可溯源到光波长的特性和自校准能力，该系统使用红外光，其波长λ为1152nm，采用计大数、测小数的方法，将系统的理论分辨率提高到10nm，理论测量范围提高到100mm。因为该系统使用波长为1152nm的红外光，其半波长为576nm，所以该系统的分辨率存在一个相对较大的误差。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，做出了本发明。

本发明提供了一种位移自传感氦氖激光器系统，包括可动测杆、微位移压电传感器、含直角棱镜折叠腔的氦氖激光器以及数据采集处理单元；

所述可动测杆，其一端与待测物体接触；

所述微位移压电传感器，其一端与所述可动测杆的另一端相连接；

所述氦氖激光器包括：

直角棱镜折叠腔，其用于光线的多次折返并输出单频激光，所述直角棱镜折叠腔包括与所述微位移压电传感器的另一端相连接的直角反射棱镜以及与所述直角反射棱镜平行放置的直角棱镜腔镜，所述直角反射棱镜在所述微位移压电传感器作用下沿所述微位移压电传感器的光轴方向做纳米级移动，所述直角反射棱镜和所述直角棱镜腔镜的反射面均镀有高反射膜；

应力双折射元件，其位于所述直角棱镜折叠腔的出光侧，并将所述直角棱镜折叠腔输出的单频激光变成具有两个频率的正交偏振光，所述直角棱镜折叠腔位于所述应力双折射元件的一端；

激光增益管，其与所述应力双折射元件同光轴并安装于所述应力双折射元件的另一端；

增透窗片，其沿所述激光增益管的光轴方向安装于所述激光增益管的一端，且位于所述应力双折射元件和所述激光增益管之间；

凹面输出腔镜，其沿所述激光增益管的光轴方向安装于所述激光增益管的另一端，并输出所述两个频率的正交偏振光；

所述数据采集处理单元包括：

偏振分光镜，其位于所述凹面输出腔镜的出光侧，并分离从所述凹面输出腔镜输出共束的两正交偏振光；

两个光电探测器，接受所述偏振分光镜分开的两束频率不同的正交偏振光；

光电转换及放大电路，其两个输入端分别与两个光电探测器的信号输出端相连；

信号处理电路，其输入端与所述光电转换及放大电路的信号输出端相连，完成信号处理功能并输出控制信号；

高压放大器，其与所述信号处理电路相连，接收所述信号处理电路输出的控制信号以驱动所述微位移压电传感器；

显示装置，其与所述信号处理电路相连。

优选的，所述直角反射棱镜包括N个连续的第一反射面，相邻两个所述第一反射面相互垂直，N个所述第一反射面构成N/2个第一凹槽，N≥2且N为偶数；

所述直角棱镜腔镜包括M个连续的第二反射面和与第M个所述第二反射面相连接的第三反射面，相邻两个所述第二反射面相互垂直，M个所述第二反射面构成M/2个第二凹槽，第M个所述第二反射面与所述第三反射面之间呈135°，M≥2，M为偶数且N/2-M/2＝1；

所述第一反射面、所述第二反射面和所述第三反射面的大小相同，所述直角反射棱镜的第一凹槽和所述直角棱镜腔镜的第二凹槽交错对应；

入射光线与第一个第一反射面的法线之间的夹角为45°，入射光线经第一个第一反射面反射到第二个第一反射面，经第二个第一反射面反射到第二个第二反射面，经第二个第二反射面反射到第三个第一反射面，依此规律进行，经第N-1个第二反射面反射到第N个第一反射面反射，再经第N个第一反射面反射后垂直入射到所述第三反射面上，所述第三反射面将光线沿原路折返，经所述直角棱镜折叠腔输出所述单频激光。

优选的，所述应力双折射元件的光轴呈水平；所述直角棱镜腔镜的顶部低于所述应力双折射元件的光轴所在的水平面。

优选的，所述直角反射棱镜和所述直角棱镜腔镜的反射面均镀有反射率超过99.99％的高反射膜。

优选的，N＝10，所述直角反射棱镜包括10个连续的第一反射面，相邻两个所述第一反射面相互垂直，10个所述第一反射面构成5个第一凹槽，

M＝8，所述直角棱镜腔镜包括8个连续的第二反射面和与第8个所述第二反射面相连接的第三反射面，8个所述第二反射面构成4个第二凹槽。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：直角棱镜腔镜与凹面输出腔镜为氦氖激光器的谐振腔的两腔镜，这两个腔镜均静止固定的，不受可动测杆的影响，大大提高系统的稳定性；谐振腔采用直角反射棱镜和直角棱镜腔镜构成的折叠腔，同时增加一个可和待测物体共同改变腔长的微位移传感器压电传感器，该系统采用折叠腔结构在大范围的位移测量过程中，对整数个λ/2N的位移量采用脉冲计数，即计大数，对不足λ/2N的位移量采用微位移传感器压电陶瓷测量，即测小数，从而达到更高的精度和更高的分辨率(其中N为直角反射棱镜的连续的第一反射面的个数，相邻两个第一反射面相互垂直)。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的提供的位移自传感氦氖激光器系统的结构示意图；

图2为本发明提供的位移自传感氦氖激光器系统的折叠腔的结构示意图；

图3为本发明提供的位移自传感氦氖激光器系统折叠腔中的光路图；

图4为本发明一实施例提供的位移自传感氦氖激光器系统的折叠腔的结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的位移自传感氦氖激光器系统中直角反射棱镜的结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的位移自传感氦氖激光器系统中直角棱镜腔镜的结构示意图；

图7为本发明一实施例提供的位移自传感氦氖激光器系统折叠腔中的光路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1至图3所示，本发明提供了一种位移自传感氦氖激光器系统，包括可动测杆1、微位移压电传感器15、含直角棱镜折叠腔的氦氖激光器30以及数据采集处理单元20。含直角棱镜折叠腔的氦氖激光器30包括直角反射棱镜2、直角棱镜腔镜3、应力双折射元件4、增透窗片5、激光增益管6和凹面输出腔镜7，直角棱镜腔镜3、凹面输出腔镜7为氦氖激光器30的谐振腔的两腔镜，氦氖激光器30为一个半外腔氦氖激光器；数据采集处理单元20包括偏振分光镜8、两个光电探测器(第一光电探测器9、第二光电探测器10)、光电转换及放大电路11、信号处理电路12、高压放大器13和显示装置14。

直角反射棱镜2和直角棱镜腔镜3平行放置构成直角棱镜折叠腔，直角反射棱镜和直角棱镜腔镜的反射面均镀有高反射膜，以对进入直角棱镜折叠腔的光线进行高效率的反射。

可动测杆1的一端与待测物体接触，另一端与微位移压电传感器15的一端相连接；

微位移压电传感器15的另一端连接直角反射棱镜2；

直角棱镜折叠腔用于光线的多次折返，直角反射棱镜2与可动测杆1的另一端相连接，直角反射棱镜2在微位移压电传感器15作用下沿微位移压电传感器15的光轴方向做纳米级移动，直角棱镜腔镜3相对于系统是静止固定的；

应力双折射元件4，其位于直角棱镜折叠腔的出光侧，并将直角棱镜折叠腔输出的单频激光变成具有两个频率的正交偏振光，直角棱镜折叠腔位于应力双折射元件的一端；

激光增益管6，其与应力双折射元件同光轴并安装于应力双折射元件4的另一端；

增透窗片5，其沿激光增益管的光轴方向安装于激光增益管6的一端，且位于应力双折射元件和激光增益管之间；

凹面输出腔镜7，其沿激光增益管的光轴方向安装于激光增益管6的另一端，其面向该激光增益管的内表面镀反射膜，外表面镀增透膜，其输出两个频率的正交偏振光，凹面输出腔镜7相对于系统是静止固定的；

偏振分光镜8，其位于凹面输出腔镜7的出光侧，并分离从凹面输出腔镜7输出共束的两正交偏振光；

两个光电探测器，即第一光电探测器9和第二光电探测器10，接受偏振分光镜分开的两束频率不同的正交偏振光；

光电转换及放大电11，其两个输入端分别与两个光电探测器的信号输出端相连；

信号处理电路12，其输入端与光电转换及放大电路11的信号输出端相连，完成信号处理功能并输出控制信号；

高压放大器13，其与信号处理电路12相连，接收信号处理电路12输出的控制信号以驱动微位移压电传感器15；

显示装置14，其与信号处理电路12相连。

其中，氦氖激光器30中应力双折射元件4、增透窗片5、激光增益管6和凹面输出腔镜7共光轴，氦氖激光器通过振荡产生激光，双折射元件4将激光由单频激光变成正交偏振的双频激光，凹面输出腔镜7输出产生的正交偏振光。直角棱镜腔镜3和凹面输出腔镜7为激光谐振腔的两腔镜，该两腔镜均静止固定的，不受可动测杆1移动的影响，从而解决了系统的稳定性问题。

数据采集处理单元20接受输入的正交偏振光，通过偏振分光镜8将其分成两束光，由第一光电探测器9、第二光电探测器10分别接受，再输入到光电转换及放大电路11进行光电转换及信号放大，产生的电信号输入到信号处理电路12进行信号处理并输出控制信号，控制信号经高压放大器13驱动微位移压电传感器15，信号处理电路12将处理好的数据输入到显示装置14，最终由显示装置14显示结果。

进一步地，直角反射棱镜包括N个连续的第一反射面20，相邻两个第一反射面20相互垂直，N个第一反射面20构成N/2个第一凹槽21，N≥2且N为偶数，直角反射棱镜2中由上至下的反射面依次为第一个第一反射面、第二个第一反射面、第三个第一反射面……第N个第一反射面；

直角棱镜腔镜包括M个连续的第二反射面30和与第M个第二反射面相连接的第三反射面31，相邻两个第二反射面30相互垂直，M个第二反射面30构成M/2个第二凹槽32，第M个第二反射面与第三反射面32之间呈135°，M≥2，M为偶数且N/2-M/2＝1，直角棱镜腔镜3中由上至下的反射面依次为第一个第二反射面、第二个第二反射面、第三个第二反射面……第M个第二反射面、第三反射面；

第一反射面、第二反射面和第三反射面的大小相同，直角反射棱镜2的第一凹槽21和直角棱镜腔镜3的第二凹槽32交错对应；

如图3所示，入射光线与第一个第一反射面的法线之间的夹角为45°，每个第一反射面和每个第二反射面上接收到的光线的方向均与各自的法线呈45°，第三反射面为平面反射镜，第三反射面与第M个第二反射面成135°，为一竖直反射面，以保证光线垂直入射到第三反射面上。入射光线经第一个第一反射面反射到第二个第一反射面，经第二个第一反射面反射到第二个第二反射面，经第二个第二反射面反射到第三个第一反射面，依此规律进行，经第N-1个第二反射面反射到第N个第一反射面反射，再经第N个第一反射面反射后垂直入射到所述第三反射面上，所述第三反射面将光线沿原路折返，经所述直角棱镜折叠腔输出所述单频激光。

进一步地，应力双折射元件的光轴呈水平；直角棱镜腔镜的顶部低于所述应力双折射元件的光轴所在的水平面。这样确保毛细管射出的激光能够到达第一个第一反射面，并且经第一个第一反射面出射的光线能够进入应力双折射元件。

进一步地，为了保证对进入直角棱镜折叠腔的入射光线进行高效率的反射，直角反射棱镜和直角棱镜腔镜的反射面均镀有反射率超过99.99％的高反射膜。

本发明基于激光原理：激光谐振腔腔长变化λ/2，对应着激光频率变化一个纵模间隔Δ。其基本原理为：在驻波激光器中，激光的频率变化和腔长改变满足：

其中，v为激光频率，L为腔长。通过频率分裂和模竞争，使功率调谐曲线中任意一个纵模间隔Δ被平均分成4等份(对应着4种不同的偏振态)，故可实现λ/8分辨率的可判向位移测量。

激光频率改变一个纵模间隔，对应的位移量则为：

其中，c为光速，v为激光频率，L为腔长。“频率每改变一个纵模间隔(周期)，腔长改变λ/2”，这一点是恒成立的，也是细分的基本立足点。在本发明系统中可动测杆1连接直角反射棱镜2每移动λ，激光谐振腔腔长将改变Nλ(N为连续的第一反射面的个数，相邻两个第一反射面相互垂直)，利用系统的自校准特性，对整数个λ/2的谐振腔腔长位移量采用脉冲计数(即对应着λ/2N的直角反射棱镜位移量)，不足λ/2的谐振腔腔长位移量(即对应着不足λ/2N的直角反射棱镜位移量)采用微位移压电传感器(PZT)细分的方式来测量，从而得到更高的分辨率。

其中，激光器中插入了双折射元件4，由于双折射效应，使氦氖激光器的激光频率发生分裂，单频激光变成双频激光，激光器输出两个偏振方向互相垂直的线偏振光，即o光(平行偏振光(∥光))和e光(垂直偏振光(⊥光))，通过改变双折射元件的角度，可以调整两束正交偏振光之间的频差。输出的正交偏振光经偏振分光镜8分光后，分别入射到第一光电探测器9、第二光电探测器10上，之后由光电转换及放大电路11、信号处理电路12处理，最终显示在显示装置14上。

测量时，当被测物体移动时推动可动测杆1移动，可动测杆1推动直角反射棱镜2随之移动，激光器的腔长随之改变，激光器输出光的偏振态将周期性改变，即四个偏振态依次周期性出现：只有平行偏振光输出→平行偏振光和垂直偏振光都输出→只有垂直偏振光输出→无光输出。激光束被第一光电探测器9和第二光电探测器10探测，相应的有四个状态依次出现：只有第一光电探测器9被照亮→第一光电探测器9和第二光电探测器10同时被照亮→只有第二光电探测器10被照亮→第一光电探测器9和第二光电探测器10都不被照亮。如此反复循环。

每次状态的改变意味着激光腔长改变了λ/8的位移，由于直角反射棱镜每移动λ的位移，激光腔长改变Nλ的位移(N为上述提及的连续的第一反射面的个数，相邻两个第一反射面相互垂直)，所以每次偏振态的改变意味着直角反射棱镜改变了λ/8N的位移，四个偏振态出现的先后顺序可以判断位移的方向。根据激光原理“腔长半波长的改变对应一个纵模间隔”，那么经历4个不同偏振态后，激光器腔长的改变量为λ/2，由于直角反射棱镜每移动λ的位移，激光腔长改变Nλ的位移，因此经历4个不同偏振态后，直角反射棱镜2的该变量是λ/2N。位移停止变化时，判断当前的直角反射棱镜位移值是否为λ/2N的整数倍，若不是则根据位移方向加减PZT上的电压，轻微推动直角反射棱镜2，改变腔长，直到使直角反射棱镜位移量为λ/2N的整数倍。记录电压的该变量，通过计算线性补偿，便可以得到不足λ/2N的精确位移量，从而反推出待测目标的位移量。

作为一种可选的实施方式，如图4至图7所示，该实例中优选N＝10，M＝8。直角反射棱镜2’包括10个连续的第一反射面，相邻两个第一反射面相互垂直，10个第一反射面构成5个第一凹槽；直角棱镜腔镜3’包括8个连续的第二反射面和与第8个第二反射面相连接的第三反射面，8个第二反射面构成4个第二凹槽。5个第一凹槽保证了直角反射棱镜2中10个第一反射面如图3所示，同样的4个第二凹槽保证了直角棱镜腔镜3中8个第二反射面如图4所示的结构。第一反射面、第二反射面和第三反射面的大小相同，直角反射棱镜2的第一凹槽和直角棱镜腔镜3的第二凹槽交错对应，第三反射面为平面反射镜，且第三反射面竖直设置，第三反射面与第八个第二反射面成135°。直角反射棱镜和直角棱镜腔镜的反射面均镀有超过99.99％的高反射膜。

该实施例中，定义图3中直角反射棱镜2’上由上至下的10个第一反射面依次为第一棱镜反射面201、第二棱镜反射面202、第三棱镜反射面203、第四棱镜反射面204、第五棱镜反射面205、第六棱镜反射面206、第七棱镜反射面207、第八棱镜反射面208、第九棱镜反射面209、第十棱镜反射面210；定义图4中直角棱镜腔镜3’上由上至下的8个第二反射面依次为第一腔镜反射面301、第二腔镜反射面302、第三腔镜反射面303、第四腔镜反射面304、第五腔镜反射面305、第六腔镜反射面306、第七腔镜反射面307、第八腔镜反射面308，定义与第八腔镜反射面308连接的第三反射面为第九腔镜反射面309，第九腔镜反射面309和第八腔镜反射面308之间成135°，第九腔镜反射面309为竖直平面。

其中，入射光线与第一棱镜反射面201的法线之间的夹角为45°，如图5所示，具体的光线方向为：入射光线从毛细管射到第一棱镜反射面201上，经第二棱镜反射面202反射到第一腔镜反射面301上，再反射到第二腔镜反射面302上，接着反射到第三棱镜反射面203上，依次反射下去，直到光线由第十棱镜反射面210反射到第九腔镜反射面309上，完成光线的入射；根据图2-图5中所示的直角棱镜折叠腔的结构，光线垂直射到第九腔镜反射面309上后，第九腔镜反射面309反射光线，激光入射光路与反射光路重合，之后光线按照原路返回，再经过折叠腔的多次反射回到毛细管，最终到达凹面输出腔镜7形成激光振荡。直角棱镜折叠腔实现光线的折返。

从图5中可以清晰的看到光线的前进路线，看出光线从激光增益管内出发经过18次反射最终到达腔镜第九反射面309，由腔镜第九反射面309反射后按照原路返回，再进入激光增益管中，形成激光振荡，从而产生激光。由于是折叠腔结构，经过折返后与入射光线平行的共有十条光线，因此，直角反射棱镜2’每移动λ的位移，激光腔长将改变10λ的位移，故经历4个不同偏振态后，直角反射棱镜2的改变量是λ/20。位移停止变化时，判断当前的直角反射棱镜位移值是否为λ/20的整数倍，若不是则根据位移方向加减PZT上的电压，轻微推动直角反射棱镜2，改变腔长，直到使直角反射棱镜位移量为λ/20的整数倍。记录电压的改变量，通过计算线性补偿，便可以得到不足λ/20的精确位移量，从而反推出待测目标的位移量。可动测杆1带动直角反射棱镜2移动，输出的正交偏振光经过偏振分光镜分光后，由两个光电探测器分别接受，并由其后续电路进行计大数、测小数处理，得到位移测量结果并输出。该系统采用折叠腔结构在大范围的位移测量过程中，对整数个λ/20的位移量采用脉冲计数，即计大数，对不足λ/20的位移量采用微位移传感器压电陶瓷测量，即测小数，从而达到更高的精度和更高的分辨率，对波长λ为632.8nm的氦氖激光器而言，其系统分辨率可达到1nm。从而成为一个高分辨率的位移传感仪器，具有广阔的应用前景。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。