專利名稱：激光激振測(cè)振儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體激光激振測(cè)振儀。它是微光電機(jī)械系統(tǒng)部件運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)特性測(cè)量的有效工具，同時(shí)又是微光電機(jī)械部件制備生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量檢測(cè)的重要儀器，在微光電機(jī)械系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)以及制備生產(chǎn)中將起到重要作用。
已有技術(shù)中，人們用了多種結(jié)構(gòu)方式如靜電感應(yīng)，磁致申縮，電熱形變，壓電驅(qū)動(dòng)，光致激勵(lì)等耒驅(qū)動(dòng)微光電機(jī)械系統(tǒng)部件的運(yùn)動(dòng)，并且用電學(xué)、光學(xué)方式測(cè)量它們的位移、速度、振動(dòng)頻率、幅度等參量。
“單片集成砷化鎵(GaAs)激光驅(qū)動(dòng)微機(jī)械諧振器”(SCIENCE，Vol.260，7May 1993，p.786-789)和日本實(shí)用新型專利JP5-20815、JP6-117913“光激勵(lì)振子傳感器”，具有激光激振和感應(yīng)信號(hào)輸出功能。這一感應(yīng)信號(hào)來(lái)源于激光器對(duì)外部注入光的反應(yīng)，它是用于溫度，應(yīng)(壓)力，流量等物理量測(cè)量的一種特殊功能的器件，不是一種能夠適用于不同情況和不同要求的測(cè)量?jī)x器。
“機(jī)械式激光頻閃振動(dòng)控制測(cè)量?jī)x”(CN 86 2 10604 U)實(shí)際上是一種穩(wěn)頻控制的電信號(hào)發(fā)生器，它不具有用激光驅(qū)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的功能，也不具有微小運(yùn)動(dòng)精密測(cè)量的功能，不能用于微機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域的測(cè)量。
“運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量方法及其裝置”(CN 1057907A)屬于激光多普勒測(cè)量技術(shù)，不具有激勵(lì)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的功能。
“非接觸式調(diào)頻光纖位移測(cè)量?jī)x”(CN 1042414A)是光纖干涉測(cè)量?jī)x器的一種。但它不具有激勵(lì)被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的功能，在測(cè)量原理上采用激光調(diào)頻技術(shù)。
發(fā)明人“A Measuring Devices”提出的測(cè)量裝置(參見(jiàn)專利WO 86/05271)，(1)光路主要采用體光學(xué)元器件；(2)采用頻移器實(shí)現(xiàn)外差干涉；(3)裝置僅用于振動(dòng)頻率的測(cè)量，忽略幅度的精確度量。
本實(shí)用新型的目的是為了克服上述已有技術(shù)中的不足，提供一種既能激勵(lì)作為被測(cè)樣品的微光電機(jī)械系統(tǒng)部件運(yùn)動(dòng)，又能同時(shí)測(cè)量其振動(dòng)頻率和振幅參數(shù)的非接觸式的激光激振測(cè)振儀。它將具有一體化，多功能，適用范圍廣的特點(diǎn)。
本實(shí)用新型的激光激振測(cè)振儀，它包括機(jī)殼10，在機(jī)殼10內(nèi)置有帶激振交直流電源20的激振光源1和帶有直流電源5的測(cè)振光源4。激振光源1的輸出光束經(jīng)過(guò)激振臂光纖2與光纖合波器6的第一輸入端O1相連。測(cè)振光源4輸出光束經(jīng)過(guò)測(cè)振臂光纖3與光纖合波器6的第二輸入端O2相連。光纖合波器6的輸出端O3通過(guò)合波光纖7與光纖復(fù)用器8的輸入端O4相接，光纖復(fù)用器8的第一輸出端O5連接前端帶光纖探頭11的干涉光纖9。光纖探頭11置于帶有振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電源14的壓電陶瓷13上，并且光纖探頭11頂端端面m對(duì)準(zhǔn)置于機(jī)殼10外的被測(cè)樣品12。光纖復(fù)用器8的第二輸出端O6通過(guò)最后輸出光纖19將干涉光束傳送到光電探測(cè)器18的受光面上。光電探測(cè)器18的輸出端連接到機(jī)殼10外的信號(hào)監(jiān)示器17以及經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊15與計(jì)算機(jī)16相連。上面所說(shuō)的激振光源1和測(cè)振光源4是半導(dǎo)體激光器，或是其他固體激光器，或是氣體激光器。所說(shuō)的光纖合波器6和光纖復(fù)用器8是光纖耦合器或半導(dǎo)體耦合器等。所說(shuō)的信號(hào)監(jiān)示器17是示波器，或是頻率計(jì)等。
如上所述的本實(shí)用新型的激光激振測(cè)振儀的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它的工作過(guò)程是利用激振光源1經(jīng)交流電源20的驅(qū)動(dòng)，發(fā)射出全強(qiáng)度調(diào)制的光束通過(guò)激振臂光纖2，依次進(jìn)入光纖合波器6，合束光纖7，光纖復(fù)用器8和干涉光纖9經(jīng)光纖探頭11對(duì)準(zhǔn)被測(cè)樣品12輻照，使之產(chǎn)生振動(dòng)；與此同時(shí)直流電源5驅(qū)動(dòng)的測(cè)振光源4發(fā)射等強(qiáng)度光束經(jīng)測(cè)振臂光纖3進(jìn)入與上述同一光路入射到被測(cè)樣品12表面并部分反射返回到光纖探頭11，與直接從光纖探頭11頂端端面m反射返回的光在干涉光纖9內(nèi)產(chǎn)生干涉，干涉光信號(hào)經(jīng)光纖復(fù)用器8和最后輸出光纖19傳送到光電探測(cè)器18的受光面上，由光電探測(cè)器18轉(zhuǎn)換為干涉電信號(hào)，經(jīng)A/D變換模塊15輸入計(jì)算機(jī)16進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或經(jīng)信號(hào)監(jiān)示器17，給出振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度。
如果被測(cè)樣品12的振幅小于半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，通過(guò)帶振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電源14的壓電陶瓷(PZT)13帶動(dòng)光纖探頭11產(chǎn)生相對(duì)振動(dòng)，即在干涉信號(hào)上附加有正弦調(diào)制信號(hào)，借以測(cè)出極微小的振動(dòng)幅度。


圖1為本實(shí)用新型的激光激振測(cè)振儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型在實(shí)施例中記錄和獲得的信號(hào)波形圖。曲線1為交流電源20驅(qū)動(dòng)激振光源1發(fā)射的電調(diào)制波形；曲線2為通過(guò)光電探測(cè)器18光電轉(zhuǎn)換后的干涉信號(hào)波形。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)1.本實(shí)用新型如圖1所示的上述結(jié)構(gòu)，激振激光束和測(cè)振激光束通過(guò)光纖，光纖合波器6合二而一在同一根光纖上轉(zhuǎn)播，完成激振測(cè)振，實(shí)現(xiàn)一體化，非接觸式，多功能，適用范圍廣的儀器。
2.本實(shí)用新型采用干涉光纖9，光纖探頭11和光纖復(fù)用器8承擔(dān)光的傳輸和干涉，不受電的干擾和外界環(huán)境的影響，因此儀器的工作穩(wěn)定性好，并可實(shí)施遠(yuǎn)程測(cè)量。
3.本實(shí)用新型中的光纖探頭11置于帶振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電源14的壓電陶瓷13上，具有正弦相位調(diào)制功能，因此振動(dòng)幅度的測(cè)量精度可以高達(dá)納米量級(jí)。
4.本實(shí)用新型由于采用半導(dǎo)體激光器，光纖和光纖耦合器，具有結(jié)構(gòu)緊湊，牢固，體積小，重量輕，小型化，便于攜帶，操作簡(jiǎn)便，使用靈活的特點(diǎn)。
實(shí)施例1如圖1所示的結(jié)構(gòu)。激振光源1和測(cè)振光源4都采用半導(dǎo)體激光器，它包括激光二極管，PD光監(jiān)控，帶有FC(ST，SC)/PC接頭的尾纖。被測(cè)樣品12是硅微機(jī)械諧振器，為懸臂梁結(jié)構(gòu)。信號(hào)監(jiān)示器17采用示波器。由計(jì)算機(jī)16或信號(hào)監(jiān)示器17獲得結(jié)果如圖2所示。圖2中，曲線1為驅(qū)動(dòng)激振光源1的電調(diào)制波形，曲線2為檢測(cè)到硅微機(jī)械諧振器振動(dòng)的波形，測(cè)得的硅微機(jī)械諧振器的振動(dòng)頻率為3.333KHz，與激振光源1的驅(qū)動(dòng)調(diào)制頻率完全一致，而且由圖2中所示的兩條曲線也證明了這一點(diǎn)。測(cè)得振動(dòng)振幅為131nm。這充分說(shuō)明了本實(shí)用新型的上述優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求1.一種激光激振測(cè)振儀，包括<1>在機(jī)殼(10)內(nèi)置有帶交直流電源(20)的激振光源(1)和帶直流電源(5)的測(cè)振光源(4)；<2>置于機(jī)殼(10)內(nèi)的光電探測(cè)器(18)的輸出端連接到置于機(jī)殼(10)外的信號(hào)監(jiān)示器(17)以及通過(guò)A/D變換模塊(15)與計(jì)算機(jī)(16)相連；其特征在于<3>激振光源(1)的輸出光束通過(guò)激振臂光纖(2)與光纖合波器(6)的第一輸入端(O1)相連，測(cè)振光源(4)的輸出光束經(jīng)測(cè)振臂光纖(3)與光纖合波器(6)的第二輸入端(O2)相連；<4>光纖合波器(6)的輸出端(O3)經(jīng)合波光纖(7)與光纖復(fù)用器(8)的輸入端(O4)相連，光纖復(fù)用器(8)的第一輸出端(O5)連接前端帶有光纖探頭(11)的干涉光纖(9)；<5>光纖探頭(11)置于帶振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電源(14)的壓電陶瓷(13)上，光纖探頭(11)的頂端端面(m)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)樣品(12)；<6>光纖復(fù)用器(8)的第二輸出端(O6)經(jīng)最后輸出光纖(19)將光束傳送到光電探測(cè)器(18)的受光面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光激振測(cè)振儀，其特征在于所說(shuō)的激振光源(1)和測(cè)振光源(4)是半導(dǎo)體激光器，或是其它固體激光器，或是氣體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光激振測(cè)振儀，其特征在于所說(shuō)的光纖合波器(6)和光纖復(fù)用器(8)是光纖耦合器，或是半導(dǎo)體耦合器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光激振測(cè)振儀，其特征在于所說(shuō)的信號(hào)監(jiān)示器(17)是示波器，或者是頻率計(jì)。
專利摘要一種激光激振測(cè)振儀,包括產(chǎn)生調(diào)制激振光束的激振光源和產(chǎn)生光強(qiáng)恒定測(cè)振光束的測(cè)振光源,光纖合波器,合束光纖,光電探測(cè)器,光纖復(fù)用器和端面對(duì)準(zhǔn)被測(cè)樣品并具有正弦相位調(diào)制的光纖探頭。激振光束使被測(cè)樣品產(chǎn)生振動(dòng),測(cè)振光束射到被測(cè)樣品表面反射返回的光束和光纖探頭端面反射返回的光束產(chǎn)生干涉,由此可同時(shí)測(cè)得振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度。本實(shí)用新型具有多功能,非接觸式,小型化,一體化,穩(wěn)定性好,測(cè)量精度高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01H9/00GK2397483SQ9925192
公開(kāi)日2000年9月20日 申請(qǐng)日期1999年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月2日
發(fā)明者陳高庭, 方祖捷, 王向朝, 瞿榮輝, 蔡海文, 耿建新 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所