專利名稱：基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統的制作方法
基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統技術領域
本發(fā)明屬于激光測距技術領域，涉及一種測距系統，尤其是一種基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統。
背景技術：
激光自混合干涉，又稱激光回饋，其基本原理是激光器的輸出光被外部反射面反射回激光增益管，與激光諧振腔內的光場進行自混合干涉，并調制激光器的損耗，使激光器的輸出光強發(fā)生周期性變化，通過解調輸出光強就可以得到外部反射面的信息。基于激光回饋的測距系統只有一個光學通道，具有結構簡單、緊湊、易準直、性價比高等優(yōu)點。根據回饋方式的不同，激光回饋可以分為準直外腔回饋和非準直外腔回饋等。其中，準直外腔回饋一般采用低反射率的回饋鏡，其光學分辨率較低，一般為λ /2，對于632. 8nm波長的氦氖激光器，位移測量的分辨率為316. 4nm。
中國專利“基于Zeeman雙折射雙頻激光器的激光回饋測距儀”(申請?zhí)?200510011514. 8)綜合利用Zeeman雙折射效應、激光自混合干涉、激光動態(tài)調制等多種激光物理現象，將一支普通的雙頻激光器成功地改造成一支測距傳感器。這一發(fā)明的主體結構是一支Zeeman雙折射雙頻He-Ne激光器和動態(tài)調制的外部反射鏡，外部反射鏡固定在被測物體上。當外部反射鏡以一定的幅度往返運動時，激光器的輸出光強在不同的位置處具有不同的光強調制深度，根據光強調制深度的不同得到被測物體的距離。該方法具有測距能力，但是分辨率和精度不高，而且Zeeman雙折射雙頻激光器結構復雜。中國專利“雙頻 HeNe激光器光回饋測距儀”(申請?zhí)?00810104260. 8)，利用半內腔雙折射雙頻激光器的自混合效應和鑒相的方法實現了回饋距離測量，其的光學分辨率為λ /2，但是半內腔雙折射雙頻激光器腔內要放置雙折射元件，容易受到溫度等因素的影響，而且沒有穩(wěn)頻系統，測量精度難以保證；同時，該方法的光學分辨率難以進一步提高。由于原理上的限制，上述兩種回饋測距方法都存在激光器結構復雜，光學分辨率低，沒有穩(wěn)頻系統和精度低等不足 。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統，該測距系統在簡化激光器結構的基礎上，采用非準直外腔回饋提高測距系統的分辨率，并且利用等光強穩(wěn)頻系統保證測量精度，從而提高儀器性能并拓寬其應用領域。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來解決的
這種基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統，包括全內腔He-Ne雙縱模激光器、非準直回饋外腔、信號探測處理和穩(wěn)頻系統四部分，其中
(A)所述全內腔He-Ne雙縱模激光器包括
激光增益管，內充He、Ne混合氣體；
諧振腔，包括
第一內腔反射鏡，位于所述激光增益管的一端，為凹鏡，其面向激光增益管的凹面鍍反射膜，外表面鍍增透膜；
第二內腔反射鏡，固定在所述激光增益管的另一端，為平鏡，其面向激光增益管的平面鍍反射膜，外表面鍍增透膜；
(B)所述非準直回饋外腔包括
反射鏡，為凹鏡，面向全內腔He-Ne雙縱模激光器的凹面鍍反射膜，另一端不鍍膜，所述反射鏡的表面與激光軸成一個夾角Θ ;
壓電陶瓷，固定在上述反射鏡的沿輸入光方向的外側，在輸入電壓的作用下，所述壓電陶瓷推動反射鏡沿激光軸線方向左、右移動；
(C)所述信號探測處理包括
偏振分光棱鏡，位于第一內腔反射鏡的外側，把輸出的激光在空間分成兩路具有位相差的X向、Y向光強余弦分量；
光電探測器，共兩個，位于所述偏振分光棱鏡的光出射端，分別探測所述偏振分光棱鏡輸出的X向和Y向兩個光強余弦分量；
放大濾波電路，位于上述光電探測器的后端，兩個光電探測器的信號輸出端分別連接至放大濾波電路的信號輸入端，所述放大濾波電路將光電探測器接收到的光回饋信號轉換為數字量，并對信號進行濾波、放大處理；
鑒相電路，連接放大濾波電路的輸出端，對放大后的兩路類余弦信號進行鑒相；
CPLD模塊，連接鑒相電路的輸出端，完成對數字信號的整形、濾波,并對上述兩路有位相差的信號進行計算，得出激光回饋外腔長度；
(D)所述穩(wěn)頻系統包括
電阻絲，纏繞在激光增益管的管殼上；
穩(wěn)頻電路，將X向、Y向兩路光強幅值的差值信號作為穩(wěn)頻的控制信號，控制電阻絲對全內腔He-Ne雙縱模激光器進行加熱的時間，從而實現穩(wěn)定的雙縱模激光輸出。
上述激光增益管內充的He、Ne混合氣體的體積比為7:1。
上述電阻絲為細銅絲，電阻為15歐。
上述放大濾波電路與穩(wěn)頻電路連接。
上述光電探測器為PIN光電探測器。
本發(fā)明具有以下有益效果
本發(fā)明采用非準直外腔回饋提高測距系統的分辨率，并且利用等光強穩(wěn)頻系統， 提供一種非準直外腔雙縱模激光回饋測距系統，該系統的全內腔He-Ne雙縱模激光器在其兩端都輸出偏振正交的激光，其中一端輸出的激光入射到由平面反射鏡與凹面反射鏡組成的非準直回饋外腔，兩個反射鏡都鍍有高反射率膜，入射光束在回饋外腔中多次往返，然后再返回到激光器中，形成高階回饋；穩(wěn)頻系統控制纏繞在激光器表面電阻絲的通電時間，采用等光強穩(wěn)頻的方法對激光器進行穩(wěn)頻，保證穩(wěn)定的雙縱模激光輸出；激光器另一端輸出的激光經沃拉斯頓棱鏡分光后，由光電探測器接收，并由信號處理單元進行分析，輸出測量結果。本發(fā)明結構簡單，其對于氦氖激光器，系統光學分辨率可達納米量級。該系統具有分辨率高、結構簡單、精度高和成本低等特點。


圖1 :基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統示意圖2 :非準直外腔高階回饋光強調制曲線；
圖3 :回饋外腔長L=IlOmm時，兩相鄰縱模的位相曲線；
圖4 :回饋外腔長L=I 12mm時，兩相鄰縱模的位相曲線；
圖5 :回饋外腔長L=I 14mm時,兩相鄰縱模的位相曲線。
其中1為壓電陶瓷；2為反射鏡；3為第二內腔反射鏡；4為激光增益管；5為電阻絲；6為第一內腔反射鏡；7為偏振分光棱鏡；8、9為光電探測器；10為放大濾波電路；11為鑒相電路；12為CPLD模塊；13為穩(wěn)頻電路。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述
參見圖1，本發(fā)明的該種基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統，包括全內腔 He-Ne雙縱模激光器、非準直回饋外腔、信號探測處理和穩(wěn)頻系統四部分，以下對各部分進行詳細說明
(A )全內腔He-Ne雙縱模激光器
全內腔He-Ne雙縱模激光器包括激光增益管4、諧振腔，其中諧振腔包括第一內腔反射鏡6和第二內腔反射鏡3。
激光增益管4內充He、Ne混合氣體，兩種氣體體積比為7:1。第一內腔反射鏡6位于激光增益管4的一端，為凹鏡，其面向激光增益管4的凹面鍍反射膜，外表面鍍增透膜；第二內腔反射鏡3固定在激光增益管4的另一端，為平鏡，其面向激光增益管4的平面鍍反射膜，外表面鍍增透膜。
(B)非準直回饋外腔
非準直回饋外腔包括反射鏡2和壓電陶瓷I (PZT)。其中反射鏡2為高反射率的凹鏡，面向全內腔He-Ne雙縱模激光器的凹面鍍反射膜，另一端不鍍膜，反射鏡2的表面與激光軸成一個夾角Θ。壓電陶瓷I固定在上述反射鏡2的沿輸入光方向的外側，在輸入電壓的作用下，壓電陶瓷I推動反射鏡2沿激光軸線方向左、右移動。
(C)信號探測處理
信號探測處理部分包括偏振分光棱鏡7、光電探測器和放大濾波電路10、鑒相電路11和CPLD模塊12。其中
偏振分光棱鏡7位于第一內腔反射鏡6的外側,把輸出的激光在空間分成兩路具有位相差的X向、Y向光強余弦分量；
光電探測器共兩個，如圖1中的光電探測器8和9,位于偏振分光棱鏡7的光出射端，分別探測偏振分光棱鏡7輸出的X向和Y向兩個光強余弦分量；
放大濾波電路10位于上述光電探測器8、9的后端，兩個光電探測器為PIN光電探測器，兩光電探測器的信號輸出端分別連接至放大濾波電路10的信號輸入端，所述放大濾波電路10將光電探測器接收到的光回饋信號轉換為數字量，并對信號進行濾波、放大處理。
鑒相電路11連接放大濾波電路10的輸出端，對放大后的兩路類余弦信號進行鑒相。
CPLD模塊12包括CPLD芯片及外圍電路，其連接鑒相電路11的輸出端，完成對數字信號的整形、濾波，并對上述兩路有位相差的信號進行計算，得出激光回饋外腔長度。
另外，本發(fā)明在信號探測處理部分還可設置其余信號處理電路，包括相互關聯計數及數字顯示電路，對位移的測量結果進行計數和顯示。
(D)穩(wěn)頻系統
包括電阻絲5和穩(wěn)頻電路13。其中電阻絲5纏繞在激光增益管4的管殼上。放大濾波電路10與穩(wěn)頻電路13連接，穩(wěn)頻電路13將X向、Y向兩路光強幅值的差值信號作為穩(wěn)頻的控制信號，控制電阻絲5對全內腔He-Ne雙縱模激光器進行加熱的時間，從而實現穩(wěn)定的雙縱模激光輸出。
本發(fā)明的壓電陶瓷I和反射鏡2組成了非準直外腔回饋部分。第二內腔反射鏡3、 激光增益管4和第一內腔反射鏡6共同組成了全內腔的雙縱模激光器，整個腔長為200_。 本發(fā)明的工作原理如下
氦氖雙縱模激光器的非準直外腔高階回饋，不但具有氦氖雙折射雙頻激光器準直外腔回饋的位相調諧特性(激光強度的波動曲線可以為兩路有位相差的類余弦信號，測量目標回饋鏡在不同的回饋外腔位置時，具有不同的位相差)，而且激光調諧曲線具有更高的密度，可以達到準直回饋時的幾十倍，所以具有更高的光學分辨率。同時，由于采用了穩(wěn)頻的全內腔激光器，所以還具有更簡單的結構和更高的測量精度，其基本原理如下
由全內腔激光器產生的雙縱模激光，由于激光器殘應力的存在，相鄰兩個縱模的激光將具有正交的偏振態(tài)，可稱之為丄偏振光和11偏振光，在光回饋的情況下，激光光場可以分為兩個部分。一是光束在激光內腔往返一周后的內腔傳播場，二是光束在外腔往返 η周后再返回到激光器諧振腔的傳播場。內腔傳播場與在回饋外腔往返η周后的傳播場疊力口，形成自混合干涉，由于光在外腔經過多次反射，返回到諧振腔內的光已經變的較弱，在弱光回饋條件下正交偏振雙縱模激光器的振蕩條件為
權利要求
1.一種基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統，包括全內腔He-Ne雙縱模激光器、非準直回饋外腔、信號探測處理和穩(wěn)頻系統四部分，其特征在于 (A)所述全內腔He-Ne雙縱模激光器包括 激光增益管(4)，內充He、Ne混合氣體； 諧振腔，包括 第一內腔反射鏡(6)，位于所述激光增益管(4)的一端，為凹鏡，其面向激光增益管(4)的凹面鍍反射膜，外表面鍍增透膜； 第二內腔反射鏡(3)，固定在所述激光增益管(4)的另一端，為平鏡，其面向激光增益管(4)的平面鍍反射膜，外表面鍍增透膜； (B)所述非準直回饋外腔包括 反射鏡(2)，為凹鏡，面向全內腔He-Ne雙縱模激光器的凹面鍍反射膜，另一端不鍍膜，所述反射鏡(2)的表面與激光軸成一個夾角Θ ； 壓電陶瓷(1)，固定在上述反射鏡(2)的沿輸入光方向的外側，在輸入電壓的作用下，所述壓電陶瓷(I)推動反射鏡(2)沿激光軸線方向左、右移動； (C)所述信號探測處理包括 偏振分光棱鏡(7),位于第一內腔反射鏡(6)的外側,把輸出的激光在空間分成兩路具有位相差的X向、Y向光強余弦分量； 光電探測器，共兩個，位于所述偏振分光棱鏡(7)的光出射端，分別探測所述偏振分光棱鏡(7)輸出的X向和Y向兩個光強余弦分量； 放大濾波電路(10)，位于上述光電探測器的后端，兩個光電探測器的信號輸出端分別連接至放大濾波電路(10)的信號輸入端，所述放大濾波電路(10)將光電探測器接收到的光回饋信號轉換為數字量，并對信號進行濾波、放大處理； 鑒相電路(11)，連接放大濾波電路(10)的輸出端，對放大后的兩路類余弦信號進行鑒相； CPLD模塊(12 )，連接鑒相電路(11)的輸出端，完成對數字信號的整形、濾波，并對上述兩路有位相差的信號進行計算，得出激光回饋外腔長度； (D)所述穩(wěn)頻系統包括 電阻絲(5)，纏繞在激光增益管(4)的管殼上； 穩(wěn)頻電路(13)，將X向、Y向兩路光強幅值的差值信號作為穩(wěn)頻的控制信號，控制電阻絲(5)對全內腔He-Ne雙縱模激光器進行加熱的時間，從而實現穩(wěn)定的雙縱模激光輸出。
2.根據權利要求1所述的基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統，其特征在于，所述激光增益管(4)內充He、Ne混合氣體，體積比為7:1。
3.根據權利要求1所述的基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統，其特征在于，所述電阻絲(5)為細銅絲，電阻為15歐。
4.根據權利要求1所述的基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統，其特征在于，所述放大濾波電路(10)與穩(wěn)頻電路(13)連接。
5.根據權利要求1所述的基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統，其特征在于，所述光電探測器為PIN光電探測器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于非準直回饋外腔的激光自混合測距系統，包括全內腔He-Ne雙縱模激光器、非準直回饋外腔、信號探測處理和穩(wěn)頻系統。全內腔He-Ne雙縱模激光器在其兩端都輸出偏振正交的激光，其中一端輸出的激光入射到非準直回饋外腔，入射光束在回饋外腔中多次往返，然后再返回到激光器中，形成高階回饋；穩(wěn)頻系統控制纏繞在激光器表面電阻絲的通電時間，對激光器進行穩(wěn)頻；激光器另一端輸出的激光經沃拉斯頓棱鏡分光后，由光電探測器接收，并由信號處理單元進行分析，輸出測量結果。該測距系統在簡化激光器結構的基礎上，采用非準直外腔回饋提高測距系統的分辨率，并且利用等光強穩(wěn)頻系統保證測量精度，從而提高儀器性能并拓寬其應用領域。
文檔編號G01S17/08GK103018747SQ20121048900
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權日2012年11月26日
發(fā)明者曾召利, 屈學民, 文峻, 慕建群, 劉爍, 張書練 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學