专利名称：一种完全共路式微片激光器回馈干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微片激光器回馈干涉仪，特别是关于一种用于非配合目标非接触式精密位移测量的完全共路式微片激光器回馈干涉仪。
背景技术：
微片激光器具有极高的光回馈敏感度，把移频光回馈系统和相位外差测量技术相结合可以实现高位移分辨率的运动位移测量。普通微片激光器回馈干涉仪由于整个回馈外腔都属于死程，空气折射率波动，温度变化引起的元器件变形以及激光器自身的不稳定等因素都会导致回馈光的外腔相位发生漂移，严重影响位移测量的精度。为了消除普通微片激光器回馈干涉仪死程带来的负面影响，提高回馈干涉仪的抗环境干扰能力，现有技术中有人提出在原有测量回馈光的基础上，在移频光回馈系统中增加一路参考回馈光，测量回馈光和参考回馈光呈准共路关系，通过外差测相分别测量出测量回馈光的相位变化量和参考回馈光的相位变化量，二者之差即为待测物的位移变化量。但是利用准共路式微片激光器回馈干涉仪对待测物进行位移测量时，发现准共路式微片激光器回馈干涉仪中设置的参考镜是一个极其不稳定的光学元件，它很大程度影响整个回馈干涉仪的工作稳定性，而且在测量时，由于测量回馈光与参考回馈光之间的夹角很小，参考镜在对测量回馈光和参考回馈光进行选择时，表现出很强的角度敏感度，即当参考镜的偏摆角或俯仰角发生微小变化时容易引起参考光信号和测量光信号发生串扰。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效消除参考镜不稳定和信号串扰现象且能够进一步提高微片激光器回馈干涉仪的工作稳定性和抗环境干扰能力的完全共路式微片激光器回馈干涉仪。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种完全共路式微片激光器回馈干涉仪，其特征在于它包括一微片激光器，所述微片激光器的发射端轴线上设置有第一分光镜，所述第一分光镜的反射光路上设置有第一全反射镜，所述第一全反射镜反射光路上设置有第二全反射镜，所述第二全反射镜反射光路上依次设置有第一声光移频器、第二声光移频器和第二分光镜，同时所述第二分光镜在所述第一分光镜的透射光路上，所述第二分光镜透射光路上设置有一光电探测器；所述微片激光器发射的激光经所述第一分光镜、第一全反射镜、第二全反射镜、第一声光移频器、第二声光移频器和第二分光镜构成的环形光路一次回到所述微片激光器的谐振腔中对激光的输出功率进行调制形成参考回馈光；经过环形回路一次的激光经待测物反射再一次经过环形光路回到所述微片激光器的谐振腔中对激光的输出功率进行调制形成测量回馈光。所述第一分光镜与第一全反射镜之间设置有一会聚透镜。所述第一分光镜与待测物之间设置有一会聚透镜。它还包括一信号控制和处理系统，所述信号控制和处理系统包括第一正弦信号发生源、第二正弦信号发生源、参考电信号发生电路、第一相敏检波器和第二相敏检波器，其中，所述第一正弦信号发生源的输出端连接所述第一声光移频器的输入端，输出频率为Q1 的驱动信号；所述第二正弦信号发生源的输出端连接所述第二声光移频器的输入端，输出频率为ω2的驱动信号；所述参考电信号发生电路的两个输入端分别和所述第一正弦信号发生源和第二正弦信号发生源的频率监测端连接，输出频率为Ω和2Ω的两路参考电信号，其中Ω = Q1-Q2，所述第一相敏检波器的一输入端连接所述光电探测器的一输出端， 另一输入端连接所述参考电信号发生电路的频率为Ω的参考电信号的输出端，输出所述参考回馈光的外腔相位变化量；所述第二相敏检波器的一输入端连接所述光电探测器的另一输出端，另一输入端连接所述参考电信号发生电路的频率为2Ω的测量电信号的输出端，输出所述测量回馈光的外腔相位变化量，所述第一相敏检波器和第二相敏检波器的输出端分别连接到一计算机上。所述第一声光移频器发生+1级衍射的同时，所述第二声光移频器发生-1级衍射； 或所述第一声光移频器发生-1级衍射的同时，所述第二声光移频器发生+1级衍射，所述参考回馈光的移频量为两个声光移频器驱动频率之差。所述微片激光器发出的激光经过所述第一声光移频器和第二声光移频器的移频量与所述微片激光器的弛豫振荡频率匹配。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明的光路传播采用环形光路，环形光路中没有设置参考镜，参考光一次经过环形光路，测量光两次经过环形光路， 分别返回微片激光器的谐振腔对激光输出频率进行调制，进而输出不同频率的参考回馈光和测量回馈光，因此从光学原理上彻底消除信号串扰和参考镜不稳定的问题，有效地减小了测量误差。2、本发明的测量回馈光信号包含了待测物的位移和环境的漂移，参考回馈光信号的相位变化只反映环境的漂移，由于测量回馈光是两次经过第一声光移频器和第二声光移频器移频，而参考回馈光是一次经过第一声光移频器和第二声光移频器移频，即测量回馈光的相位变化与两倍参考回馈光相位变化之差可以准确反映了待测物的位移变化量， 因此更有效地抑制环境干扰。3、本发明的环形光路中仅有一束光，测量回馈光和参考回馈光在空间上是完全共路的，即测量回馈光与参考回馈光完全重合，通过同时检测测量回馈光和参考回馈光的外腔相位变化量，可以准确测量出待测物的位移变化量不仅消除了死程误差，而且进一步提高了回馈干涉仪的精度和稳定性。4、本发明利用外差测相获得测量结果只与回馈信号的相位有关，而与信号的幅值无关，微片激光器自身功率的漂移不影响测量结果，因此进一步提高了仪器的抗干扰能力。5、本发明由于采用环形光路，依次经过第一声光移频器和第二声光移频器未经衍射的光会被反射出环形光路，可以不用专门设置挡光板，因此使得结构更加简单。6、本发明的测量光直接由待测物进行反射，由于待测物的反射率一般都比较小，在忽略二重及多重回馈的情况下，本发明只对待测物的一次反射的信号进行测量，有效保证了测量结果的准确性。本发明具有高灵敏度和高位移分辨力，因此可以广泛应用于非配合目标非接触式精密位移测量中。
图1是本发明位移测量装置原理示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明包括一微片激光器1，微片激光器1发射的激光沿环形光路 (loop)进行传播，环形光路中光学元件的具体设置如下微片激光器1的发射端轴线上设置有第一分光镜2，第一分光镜2的反射光路上依次设置有一会聚透镜3和第一全反射镜 4，第一全反射镜4反射光路上设置有第二全反射镜5，第二全反射镜5反射光路上依次设置有第一声光移频器6、第二声光移频器7和第二分光镜8，第二分光镜8透射光路设置有一光电探测器9，其中第二分光镜8同时在第一分光镜2的透射光路上。上述实施例中，本发明还包括一信号控制和处理系统10，信号控制和处理系统10 包括第一正弦信号发生源101、第二正弦信号发生源102、参考电信号发生电路103、第一相敏检波器104和第二相敏检波器105。其中，第一正弦信号发生源101的输出端连接第一声光移频器6的输入端，输出频率为Q1的驱动信号；第二正弦信号发生源102的输出端连接第二声光移频器7的输入端，输出频率为Ω2的驱动信号；参考电信号发生电路103的两个输入端分别和第一正弦信号发生源101和第二正弦信号发生源102的频率监测端连接，输出频率为Ω和2Ω的两路参考电信号，其中Ω = Q1-Q20第一相敏检波器104的一输入端连接光电探测器9的一输出端，另一输入端连接频率为Ω的参考电信号的输出端，输出参考回馈光的外腔相位变化量；第二相敏检波器105的一输入端连接光电探测器9的另一输出端，另一输入端连接频率为2 Ω的参考电信号的输出端，输出测量回馈光的外腔相位变化量，第一相敏检波器104和第二相敏检波器105的输出端分别连接到一计算机106完成位移结果计算和显示。上述各实施例中，由于待测物11的反射率比较小，会聚透镜3主要是为了使发散的光会聚，因此还可以设置在第一分光镜2和待测物11之间。上述各实施例中，当激光经过两个声光移频器6、7移频后并回馈到谐振腔引起激光频率调制的频率接近微片激光器1的弛豫振荡时即激光经过两个声光移频器6、7的移频量与微片激光器1的弛豫振荡频率匹配时，微片激光器1的动态特性对回馈光信号很高的灵敏度。例如微片激光器1的弛豫振荡频率为200ΚΗζ左右，第一声光移频器6的驱动频率为70ΜΗΖ，第二声光移频器7的频率为70. 4ΜΗΖ，两者之差为40ΚΗΖ，参考光经第一声光移频器6和第二声光移频器7后的移频量为40ΚΗΖ，测量光由于两次经过第一声光移频器6和第二声光移频器7后移频量为80ΚΗΖ，参考光和测量光的移频量接近微片激光器1的谐振腔的弛豫振荡频率200ΚΗΖ，对激光输出功率能够进行很好地调制，能对参考光和测量光进行放大形成参考回馈光和测量回馈光。上述各实施例中，由于本发明的光路传播采用环形光路，光在环形光路中传播时， 在第一分光镜2处会发生反射和透射，反射光和透射光会沿着不同的方向传播，对待测物进行位移测量时可以存在六种光路传播路径，光经过这六种光路传播路径均可以返回到微片激光器1的谐振腔中对激光输出频率进行调制构成回馈光，六种光路传播路径如下表所示表1光的六种传播路径
权利要求
1.一种完全共路式微片激光器回馈干涉仪，其特征在于它包括一微片激光器，所述微片激光器的发射端轴线上设置有第一分光镜，所述第一分光镜的反射光路上设置有第一全反射镜，所述第一全反射镜反射光路上设置有第二全反射镜，所述第二全反射镜反射光路上依次设置有第一声光移频器、第二声光移频器和第二分光镜，同时所述第二分光镜在所述第一分光镜的透射光路上，所述第二分光镜透射光路上设置有一光电探测器；所述微片激光器发射的激光经所述第一分光镜、第一全反射镜、第二全反射镜、第一声光移频器、 第二声光移频器和第二分光镜构成的环形光路一次回到所述微片激光器的谐振腔中对激光的输出功率进行调制形成参考回馈光；经过环形回路一次的激光经待测物反射再一次经过环形光路回到所述微片激光器的谐振腔中对激光的输出功率进行调制形成测量回馈光。
2.如权利要求1所述的一种完全共路式微片激光器回馈干涉仪，其特征在于所述第一分光镜与第一全反射镜之间设置有一会聚透镜。
3.如权利要求1所述的一种完全共路式微片激光器回馈干涉仪，其特征在于所述第一分光镜与待测物之间设置有一会聚透镜。
4.如权利要求1或2或3所述的一种完全共路式微片激光器回馈干涉仪，其特征在于它还包括一信号控制和处理系统，所述信号控制和处理系统包括第一正弦信号发生源、 第二正弦信号发生源、参考电信号发生电路、第一相敏检波器和第二相敏检波器，其中，所述第一正弦信号发生源的输出端连接所述第一声光移频器的输入端，输出频率为Q1的驱动信号；所述第二正弦信号发生源的输出端连接所述第二声光移频器的输入端，输出频率为Ω2的驱动信号；所述参考电信号发生电路的两个输入端分别和所述第一正弦信号发生源和第二正弦信号发生源的频率监测端连接，输出频率为Ω和2Ω的两路参考电信号，其中Ω = Q1-Q2，所述第一相敏检波器的一输入端连接所述光电探测器的一输出端，另一输入端连接所述参考电信号发生电路的频率为Ω的参考电信号的输出端，输出所述参考回馈光的外腔相位变化量；所述第二相敏检波器的一输入端连接所述光电探测器的另一输出端，另一输入端连接所述参考电信号发生电路的频率为2Ω的测量电信号的输出端，输出所述测量回馈光的外腔相位变化量，所述第一相敏检波器和第二相敏检波器的输出端分别连接到一计算机上。
5.如权利要求1或2或3所述的一种完全共路式微片激光器回馈干涉仪，其特征在于 所述第一声光移频器发生+1级衍射的同时，所述第二声光移频器发生-1级衍射；或所述第一声光移频器发生-1级衍射的同时，所述第二声光移频器发生+1级衍射，所述参考回馈光的移频量为两个声光移频器驱动频率之差。
6.如权利要求4所述的一种完全共路式微片激光器回馈干涉仪，其特征在于所述第一声光移频器发生+1级衍射的同时，所述第二声光移频器发生-1级衍射；或所述第一声光移频器发生-1级衍射的同时，所述第二声光移频器发生+1级衍射，所述参考回馈光的移频量为两个声光移频器驱动频率之差。
7.如权利要求1或2或3或6所述的一种完全共路式微片激光器回馈干涉仪，其特征在于所述微片激光器发出的激光经过所述第一声光移频器和第二声光移频器的移频量与所述微片激光器的弛豫振荡频率匹配。
8.如权利要求4所述的一种完全共路式微片激光器回馈干涉仪，其特征在于所述微片激光器发出的激光经过所述第一声光移频器和第二声光移频器的移频量与所述微片激光器的弛豫振荡频率匹配。
9.如权利要求5所述的一种完全共路式微片激光器回馈干涉仪，其特征在于所述微片激光器发出的激光经过所述第一声光移频器和第二声光移频器的移频量与所述微片激光器的弛豫振荡频率匹配。
全文摘要
本发明涉及一种完全共路式微片激光器回馈干涉仪，其特征在于它包括一微片激光器，微片激光器的发射端轴线上设置有第一分光镜，第一分光镜的反射光路上设置有第一全反射镜，第一全反射镜反射光路上设置有第二全反射镜，第二全反射镜反射光路上依次设置有第一声光移频器、第二声光移频器和第二分光镜，同时第二分光镜在第一分光镜的透射光路上，第二分光镜透射光路上设置有一光电探测器；微片激光器发射的激光经第一分光镜、第一全反射镜、第二全反射镜、第一声光移频器、第二声光移频器和第二分光镜构成的环形光路一次回到微片激光器的谐振腔中对激光的输出功率进行调制形成参考回馈光；经过环形回路一次的激光经待测物反射再一次经过环形光路回到微片激光器的谐振腔中对激光的输出功率进行调制形成测量回馈光。本发明可以广泛应用于非配合目标非接触式精确位移测量中。
文档编号G01B11/02GK102410809SQ20111027771
公开日2012年4月11日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者任舟, 张书练, 张松, 谈宜东 申请人:清华大学