用于激光自混合干涉系統(tǒng)的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自動控制反饋光強度水平的裝置。該裝置包括：分光鏡、反光鏡、中性可調(diào)衰減片、光隔離器、光電探測器、單片機、隔離放大電路、步進電機以及連接步進電機與衰減片支架的傳動機構(gòu)。由分光鏡、反光鏡和光隔離器構(gòu)成的分離光路分離出從目標反射回來的激光。反射光經(jīng)1:1分光鏡，一部分進入到激光腔內(nèi)與腔內(nèi)激光產(chǎn)生干涉，一部分入射到光電二極管上，通過光電探測器把光功率轉(zhuǎn)換為電信號，并通過輸入電路輸入到單片機中。單片機通過編程實現(xiàn)輸入的光功率P與人為設定的目標功率P0之間的比較，并根據(jù)比較結(jié)果向外輸出脈沖信號控制步進電機，帶動衰減片轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)衰減強度，進而達到調(diào)節(jié)反饋光強度的目的。
【專利說明】用于激光自混合干涉系統(tǒng)的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光自混合干涉測量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及激光反饋強度調(diào)節(jié)方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，激光自混合干涉儀以其與傳統(tǒng)干涉儀相比，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易準直的特點，在很多場合逐漸取代傳統(tǒng)的干涉儀得到廣泛應用。自混合干涉儀基于激光自混合干涉現(xiàn)象:激光器發(fā)出的光入射到一物體表面時會在物體表面發(fā)生反射和散射，經(jīng)反射或散射的光一部分又反饋回激光器諧振腔內(nèi)，與腔內(nèi)的光發(fā)生相干混合形成新的激光振蕩。激光振蕩的波長和功率依賴于反饋光的相位和強度。當入射表面沿激光軸向移動時，激光器的功率將會呈周期性變化，每移動半個光波長，激光器功率變化一個波形，波形形狀依賴于反饋光的強度。根據(jù)反饋強度系數(shù)C的大小把激光自混合干涉現(xiàn)象分為四種光反饋水平。
[0003]I)當C〈〈l時，系統(tǒng)處于極度弱反饋狀態(tài)，干涉信號為正弦波，幾乎觀察不到自混合現(xiàn)象
[0004]2)當0.1〈C〈1時，系統(tǒng)處于弱反饋水平，干涉信號類似于傳統(tǒng)雙光束干涉，具有不對稱性，其傾斜程度隨外反饋光強度的增大而增加
[0005]3)當1〈C〈4.6時，系統(tǒng)處于適度反饋水平，半導體激光器多模運轉(zhuǎn)，自混合干涉信號為類鋸齒波形，傾斜方向敏感于目標物體的運動方向
[0006]4)當CM.6時，系統(tǒng)處于強反饋狀態(tài)，半導體激光器出現(xiàn)模跳，不再有自混合干涉產(chǎn)生
[0007]激光自混合干涉儀已被廣泛應用于對象的物理特性和運動特性的測量，如形貌測量、位移和距離測量、速度和振動測量等。測量過程是由光電探測器接收激光器發(fā)出的光，并轉(zhuǎn)換為電信號，得到與光功率信號相對應的電信號，通過進一步的信號處理獲取待測的量。由于不同的反饋水平下功率波形的變化規(guī)律不同，對于與之對應的電信號的處理方法也有所不同，以此衍生出多種測量方法，每種測量方法都是在一定的反饋水平下實現(xiàn)的。另夕卜，在一定的測量范圍下，不同的測量精度要求也會采用不同的反饋強度水平。在實驗驗證反饋光強度對自混合信號波形的影響規(guī)律時，及時的獲知當前的反饋水平并根據(jù)需要對它進行適當?shù)恼{(diào)整是非常重要的。
[0008]現(xiàn)有的用于調(diào)整反饋光強度的方法如光路調(diào)節(jié)方法或是通過改變目標物體的反射率來調(diào)整強度。論文“光反饋光強度參數(shù)的頻率響應”(見《激光與紅外》，2013年43卷第6期)中光路調(diào)節(jié)的方法僅適用于對激光器端面到待測目標之間距離沒有特定要求的場合，限制了該方法在其他很多測量場合的應用；而論文“適度反饋下半導體激光器自混合干涉效應與微振動測量研究”(見《光電技術(shù)應用》，2013年28卷第I期)中改變待測目標的反射率的方法在確定的測量目標的條件下是無法實現(xiàn)的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一個自動控制反饋光強度的方法，有效的解決在測量過程中反饋光強度的檢測和調(diào)節(jié)。
[0010]本發(fā)明的目的還在于提供一種實現(xiàn)上述方法的控制裝置。
[0011]本發(fā)明的一種自動控制反饋光強度的方法，見圖1。激光器(18)發(fā)出的光透過分光鏡(I)入射到待測目標(10)上，由于固定在目標表面的反射鏡(7)的反射,改變光的傳播方向并依此入射到反射鏡(8)和反射鏡(9)上，最后通過反射鏡(9)的反射以與原激光器出射光成90°的方向入射到分光鏡(I)。由于分光鏡(I)的分光作用，一部分光透過分光鏡入射到光電探測器(2)上，另一部分沿激光器出射光的相反方向返回到激光器(18)腔內(nèi)與腔內(nèi)光發(fā)生混合干涉。
[0012]激光器(18)的出射光在通過分光鏡(I)時，也會被分為兩部分。一部分沿著激光軸線方向傳播，入射到待測目標(10)上；另一部分與激光軸線成90°向下射向反光鏡(9)。為了防止射向反光鏡(9)的這部分光對分離光路中的光產(chǎn)生影響，在分光鏡(I)和反光鏡
(9)之間放置一個光隔離器(6)，對來自分光鏡(I)的光進行隔離。
[0013]為了實現(xiàn)反射光的正確分離，安裝在待測目標(10)表面的反射鏡(7)和支架上的反射鏡(8)和(9)均采用直角邊為45°的反射鏡。并且在進行光路搭建時，保證三個反射鏡和分光鏡(I)它們的位置構(gòu)成一個矩形，它們分別位于矩形的四個角上。
[0014]由分離光路分離出的反射光入射到光電探測器(2)上，探測器(2)接收光信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號。探測器的輸出電信號與入射光的強度成正比，并通過輸入電路(3)輸入到單片機(4)中，其中輸入電路是為了將光電探測器的輸出信號轉(zhuǎn)化為單片機可以接收的信號。單片機(4)通過編程實現(xiàn)輸入的光強度P與人為設定的目標強度PO之間的比較，并根據(jù)比較結(jié)果向外輸出脈沖信號，輸出的脈沖信號通過隔離放大電路進行放大，然后控制步進電機(13)做相應的轉(zhuǎn)動:如果Ρ>Ρ0，單片機(4)輸出正向脈沖控制步進電機(13)
[0015]正轉(zhuǎn)，增大衰減片(5)的衰減率，進而減小激光的反饋強度；如果Ρ〈Ρ0，單片機(4)輸出反向脈沖控制步進電機(13)反轉(zhuǎn)，減小衰減片(5)的衰減率,進而增大激光的反饋強度。
[0016]為了實現(xiàn)步進電機(13)對可調(diào)衰減片(5)的控制，利用傳動機構(gòu)(12)將電機
(13)與可調(diào)衰減片(5)的可動支架相連接。為了保證傳動的精確性，選用齒輪傳動，如圖2。主動輪(19)安裝在步進電機(13)的輸出軸上，從動輪(20)安裝在衰減片(5)支架的可動軸上，通過兩個齒輪的嚙合實現(xiàn)角度的傳遞。兩傳動齒輪的齒數(shù)相同，傳動系數(shù)為1:1，由于步進電機(13)的步距角小于1°，通過齒輪傳動傳遞到衰減片(5)支架上的角度變化的間隔也小于1°，實現(xiàn)了對整個圓周角的細分，當可調(diào)衰減片(5)以這樣的角度變化量進行調(diào)節(jié)時，可以保證衰減片衰減強度的連續(xù)調(diào)節(jié)。
[0017]因為齒輪傳動機構(gòu)主要傳遞的是運動，對齒輪的強度要求不高，加工易于實現(xiàn)，成本低。為了保證傳遞角度的準確性，齒輪的精度需要達到6級精度。齒輪的大小可以根據(jù)具體的實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來決定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明激光自混合干涉系統(tǒng)的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2是本發(fā)明自混合干涉系統(tǒng)的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置中的傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖3是本發(fā)明反饋光強度自動控制的流程圖；
[0021]圖中:1.1:1分光鏡2.光電探測器3.單片機輸入電路4.處理器5.可調(diào)衰減片6.光隔離器7.第一反光鏡8.第二反光鏡9.第三反光鏡10.待測目標11.信號發(fā)生器 12.傳動機構(gòu) 13.電動機 14.隔離放大電路 15.處理和顯示電路16.光電探測器17.激光器的驅(qū)動電源18.激光器19.主動齒輪20.從動齒輪

【具體實施方式】
[0022]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0023]參見附圖1，用于激光自混合干涉系統(tǒng)的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置包括:激光器(18)、分光鏡(I)、中性可調(diào)衰減片(5)、第一反光鏡(7)、第二反光鏡(8)、第三反光鏡(9)、光電探測器⑵和處理器(4)，其特征在于，所述分光鏡(I)、中性可調(diào)衰減片(5)和待測目標(10)依次設置在激光器(18)的出射光的光軸上,所述分光鏡為1:1分光鏡，能夠?qū)⑷肷涔夥譃閮墒鴱姸认嗤?、傳播方向垂直的光；所述第一反光鏡(7)固定在所述待測目標(10)的表面上，所述第二反光鏡和第三反光鏡設置在一支架上，且其位置關(guān)系設置為通過第二反光鏡(8)和第三反光鏡(9)將第一反光鏡(7)反射的來自激光器的光反射到分光鏡(I),且反射光的方向與出射光方向垂直；所述反射光經(jīng)過分光鏡后，一部分經(jīng)分光鏡(I)反射后回到所述激光器(18)，與激光器(18)腔內(nèi)的光線發(fā)生混合干涉；另一部分方向不變，進入所述光電探測器(2)，光電探測器(2)將信號輸出給所述處理器(4)，處理器(4)對光電探測器探測到的光信號強度進行處理，并生產(chǎn)相應的控制信號，所述裝置還包括隔離放大電路(17)、步進電機(13)和傳動機構(gòu)(12),所述步進電機(13)通過所述傳動機構(gòu)(12)連接所述中性可調(diào)衰減片(5)，所述處理器產(chǎn)生的所述控制信號為脈沖信號，且所述脈沖信號經(jīng)過隔離放大電路(17)放大后輸出到步進電機(13)，控制步進電機運動，從而控制中性可調(diào)衰減片(5);所述激光器由驅(qū)動電源(17)驅(qū)動。
[0024]安裝在待測目標(10)表面的第一反射鏡(7)和支架上的第二反射鏡(8)和第三反光鏡(9)均米用直角邊為45°的反射鏡,并且第一、第二、第三反射鏡和分光鏡(I)的位置構(gòu)成一個矩形，第一、第二、第三反射鏡和分光鏡(I)分別位于矩形的四個角上。
[0025]激光器(18)的出射光在通過分光鏡(I)時，也會被分為兩部分，一部分與激光軸線成90°向下射向反光鏡(9)，為了防止這部分光對分離光路中的光產(chǎn)生影響，在分光鏡
(I)和反光鏡(9)之間放置一個光隔離器(6)，對來自分光鏡⑴的光進行隔離。
[0026]所述處理器(4)可以為單片機、DSP、或FPGA中的任意一種。
[0027]所述光電探測器(2)的輸出信號經(jīng)過一個輸入電路⑶后輸出給所述處理器⑷。
[0028]所述處理器(4)對比光電探測器(2)探測到的光強度P與目標光強度強度Ptl,并根據(jù)對比結(jié)果向外輸出脈沖信號，輸出的脈沖信號通過所述隔離放大電路(14)進行放大，控制步進電機(13)做相應的轉(zhuǎn)動；如果PSPtl，處理器(4)輸出正向脈沖控制步進電機(13)正轉(zhuǎn)，增大所述中性可調(diào)衰減片(5)的衰減率，進而減小激光的反饋強度；如果PJtl，處理器⑷輸出反向脈沖控制步進電機(13)反轉(zhuǎn)，減小所述中性可調(diào)衰減片(5)的衰減率，進而增大激光的反饋強度。
[0029]所述傳動機構(gòu)(12)可以為齒輪傳動機構(gòu)或其他可以將步進電機的運動精確傳遞給轉(zhuǎn)動支架的傳動機構(gòu)。
[0030]調(diào)整激光器、分光鏡以及待測目標使它們在同一水平線上，保證光路的暢通。將反光鏡8和9的支架調(diào)整到與分光鏡在同一水平線上，距離激光軸線15cm的位置。選擇反光鏡的反射系數(shù)均為0.9，分光鏡為1:1分光鏡。選擇激光器的輸出功率為20mW，在不進行衰減的情況下，反饋回激光腔內(nèi)的功率是初始功率的36.5%。設置理想的反饋光功率是初始功率的25%，通過編程把數(shù)據(jù)寫入單片機中。連接設備，運行程序結(jié)果顯示通過對衰減片進行調(diào)節(jié)，可以把反饋光功率調(diào)節(jié)到初始功率的24.5?25.5%之間。
[0031]具體的工作流程如圖3所示。激光器發(fā)出的光入射到待測目標上，由于固定在目標表面以及固定在支架上的反射鏡的反射，改變光的傳播方向入射到分光鏡。由于分光鏡的分光作用，一部分光透過分光鏡入射到光電探測器上，探測器輸出與光強度成正比的電信號，輸入到單片機內(nèi)，與預先輸入到單片機內(nèi)的理想光強度進行比較。如果光強大于理想光強，單片機輸出正脈沖控制步進電機正轉(zhuǎn)，增大衰減片的衰減率，進而減小激光的反饋強度；如果光強小于理想光強，單片機則輸出負脈沖控制步進電機反轉(zhuǎn)，減少衰減片的衰減率，進而增大激光的反饋強度。
[0032]本發(fā)明未詳細闡述的技術(shù)內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
[0033]盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應該清楚，本發(fā)明不限于【具體實施方式】的范圍，對本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
【權(quán)利要求】
1.一種用于激光自混合干涉系統(tǒng)的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置，包括:激光器(18)、分光鏡(I)、中性可調(diào)衰減片(5)、第一反光鏡(7)、第二反光鏡(8)、第三反光鏡(9)、光電探測器(2)和處理器(4)，其特征在于，所述分光鏡(I)、中性可調(diào)衰減片(5)和待測目標(10)依次設置在激光器(18)的出射光的光軸上,所述分光鏡為1:1分光鏡，能夠?qū)⑷肷涔夥譃閮墒鴱姸认嗤?、傳播方向垂直的光；所述第一反光鏡(7)固定在所述待測目標(10)的表面上，所述第二反光鏡和第三反光鏡設置在一支架上，且其位置關(guān)系設置為通過第二反光鏡(8)和第三反光鏡(9)將第一反光鏡(7)反射的來自激光器的光反射到分光鏡(I),且反射光的方向與出射光方向垂直；所述反射光經(jīng)過分光鏡后，一部分經(jīng)分光鏡(I)反射后回到所述激光器(18)，與激光器(18)腔內(nèi)的光線發(fā)生混合干涉；另一部分方向不變，進入所述光電探測器(2)，光電探測器(2)將信號輸出給所述處理器(4)，處理器(4)對光電探測器探測到的光信號強度進行處理，并生產(chǎn)相應的控制信號，通過該控制信號控制所述中性可調(diào)衰減片(5);所述激光器由驅(qū)動電源(17)驅(qū)動。
2.如權(quán)利要求1所述的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:安裝在待測目標(10)表面的第一反射鏡(7)和支架上的第二反射鏡(8)和第三反光鏡(9)均米用直角邊為45°的反射鏡，并且第一、第二、第三反射鏡和分光鏡(I)的位置構(gòu)成一個矩形，第一、第二、第三反射鏡和分光鏡(I)分別位于矩形的四個角上。
3.如權(quán)利要求2所述的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:激光器(18)的出射光在通過分光鏡(I)時，也會被分為兩部分，一部分與激光軸線成90°向下射向反光鏡(9)，為了防止這部分光對分離光路中的光產(chǎn)生影響，在分光鏡(I)和反光鏡(9)之間放置一個光隔離器(6)，對來自分光鏡(I)的光進行隔離。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述裝置還包括隔離放大電路(17)、步進電機(13)和傳動機構(gòu)(12)，所述步進電機(13)通過所述傳動機構(gòu)(12)連接所述中性可調(diào)衰減片(5)，所述處理器產(chǎn)生的所述控制信號為脈沖信號，且所述脈沖信號經(jīng)過隔離放大電路(17)放大后輸出到步進電機(13)，控制步進電機運動，從而控制中性可調(diào)衰減片(5)。
5.如權(quán)利要求4所述的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述處理器(4)為單片機、DSP、或 FPGA。
6.如權(quán)利要求5所述的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述光電探測器(2)的輸出信號經(jīng)過一個輸入電路(3)后輸出給所述處理器(4)。
7.如權(quán)利要求4所述的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述處理器(4)對比光電探測器(2)探測到的光強度P與目標光強度強度Ptl，并根據(jù)對比結(jié)果向外輸出脈沖信號，輸出的脈沖信號通過所述隔離放大電路(14)進行放大，控制步進電機(13)做相應的轉(zhuǎn)動；如果PWtl，處理器(4)輸出正向脈沖控制步進電機(13)正轉(zhuǎn)，增大所述中性可調(diào)衰減片(5)的衰減率，進而減小激光的反饋強度；如果PCPci，處理器(4)輸出反向脈沖控制步進電機(13)反轉(zhuǎn)，減小所述中性可調(diào)衰減片(5)的衰減率，進而增大激光的反饋強度。
8.如權(quán)利要求7所述的反饋光強度自動調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:利用傳動機構(gòu)(12)將所述步進電機(13)與所述中性可調(diào)衰減片(5)的可動支架相連接，所述傳動機構(gòu)(12)為齒輪傳動機構(gòu)。
【文檔編號】G01B9/02GK104266584SQ201410546959
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】朱煒, 辛倩倩, 田麗 申請人:北京理工大學