氦氖激光器纳米测尺系统技术方案

本申请公开了一种氦氖激光器纳米测尺系统，包括可动测杆、含猫眼组折叠腔的氦氖激光器以及数据采集处理单元，氦氖激光器包括猫眼组反射镜、猫眼组腔镜、应力双折射元件、激光增益管、增透窗片和凹面输出腔镜，数据采集处理单元包括偏振分光镜、两个光电探测器、光电转换及放大电路、信号处理电路和显示装置。本申请猫眼组腔镜与凹面输出腔镜为氦氖激光器的谐振腔的两腔镜，这两个腔镜静止固定，不受可动测杆的影响，系统稳定性高；谐振腔采用猫眼组反射镜和猫眼组腔镜构成的折叠腔，猫眼组反射镜每移动λ，激光谐振腔的腔长改变2Nλ，系统的分辨率提高相应的2N倍(N为猫眼组反射镜所包含的猫眼逆向器的个数)。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及激光位移传感
，尤其涉及一种氦氖激光器纳米测尺系统。
技术介绍
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)。这一专利技术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，将猫眼逆向器作为腔镜与直线导轨固连，提高系统的稳定性，拓宽了应用领域。中国专利“纳米激光器测尺及实现纳米测量的细分方法”(申请号：200410088819.4)利用系统可溯源到光波长的特性和自校准能力，采用计大数、测小数的方法，通过增加一个精密的微位移压电传感器(PZT)和适当的信号处理电路，将系统的分辨率提高到10nm，理论测量范围提高到50mm。若要求其分辨率进一步提高，以精密的微位移压电传感器(PZT)和适当的信号处理电路是很难达到的，因为其计大数所用的半波长为316.4nm，精密的微位移压电传感器(PZT)存在迟滞和非线性等特点，上述缺点限制了该系统分辨率的提高，所以很难再提高该系统的分辨率。
技术实现思路
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，做出了本专利技术。本专利技术提供了一种氦氖激光器纳米测尺系统，包括可动测杆、含猫眼组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；所述氦氖激光器包括：猫眼组折叠腔，其用于光线的多次折返并输出单频激光，所述猫眼组折叠腔包括与所述可动测杆的另一端相连接的猫眼组反射镜以及与所述猫眼组反射镜平行放置的猫眼组腔镜；应力双折射元件，其位于所述猫眼组折叠腔的出光侧，并将所述猫眼组折叠腔输出的单频激光变成具有两个频率的正交偏振光，所述猫眼组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；显示装置，其与所述信号处理电路相连。优选的，所述猫眼组反射镜包括N个第一猫眼逆向器，所述猫眼组腔镜包括N个第二猫眼逆向器，所述第一猫眼逆向器和所述第二猫眼逆向器相同，N≥1，N为自然数；所述猫眼组反射镜的N个第一猫眼逆向器与所述猫眼组腔镜的N个第二猫眼逆向器交错对应，激光在所述猫眼组折叠腔内的入射光线与反射光线重合。优选的，所述猫眼组反射镜的N个第一猫眼逆向器由上至下顺次、均匀分布；所述猫眼组腔镜的N个第二猫眼逆向器由上至下顺次分布，其中第一个第二猫眼逆向器至第N-1个第二猫眼逆向器均匀分布，所述第N个第二猫眼逆向器的轴线位于所述第N-1个第二猫眼逆向器的出射光线的方向上；激光的入射光线经第一个第一猫眼逆向器进入第一个第二猫眼逆向器，经第一个第二猫眼逆向器进入第二个第一猫眼逆向器，依此规律进行，经第N个第一猫眼逆向器入射至所述第N个第二猫眼逆向器，激光在所述第N个第二猫眼逆向器内的入射光线与反射光线重合。优选的，所述第一猫眼逆向器由一个两面镀增透膜的凸透镜和一个镀高反射膜的凹面镜组成，激光经所述凸透镜入射至所述凹面镜，由所述凹面镜反射后经所述凸透镜射出。优选的，所述凸透镜和所述凹面镜的间距、所述凸透镜的焦距和所述凹面镜的曲率半径相等。优选的，所述凹面镜镀有反射率超过99.99％的高反射膜。优选的，所述应力双折射元件的光轴呈水平；所述猫眼组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，所述猫眼组反射镜包括4个第一猫眼逆向器，所述猫眼组腔镜包括4个第二猫眼逆向器。与现有技术相比，本专利技术提供的具有猫眼组折叠腔的氦氖激光器纳米测尺系统具有如下有益效果：猫眼组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；谐振腔采用猫眼组反射镜和猫眼组腔镜构成的折叠腔，猫眼组反射镜每移动λ，激光谐振腔的腔长改变2Nλ，系统的分辨率提高相应的2N倍(其中N为第一猫眼逆向器的个数，也即为第二猫眼逆向器的个数)。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为本专利技术的提供的氦氖激光器纳米测尺系统的结构示意图；图2为本专利技术提供的氦氖激光器纳米测尺系统的折叠腔的结构示意图；图3为本专利技术提供的氦氖激光器纳米测尺系统折叠腔中的光路图；图4为本专利技术提供的氦氖激光器纳米测尺系统中第一猫眼逆向器中的入射光线与反射光线不重合的光路图；图5为本专利技术提供的氦氖激光器纳米测尺系统中第一猫眼逆向器中的入射光线与反射光线重合的光路图；图6为本专利技术一实施例提供的氦氖激光器纳米测尺系统的猫眼组折叠腔的结构示意图；图7为本专利技术一实施例提供的氦氖激光器纳米测尺系统中猫眼组反射镜的结构示意图；图8为本专利技术一实施例提供的氦氖激光器纳米测尺系统中猫眼组腔镜的结构示意图；图9为本专利技术一实施例提供的氦氖激光器纳米测尺系统中猫眼组折叠腔中的光路图。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专利技术，而非对该专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与专利技术相关的部分。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。本专利技术基于激光原理：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。如图1所示，本专利技术提供了一种氦氖激光器纳米测尺系统，包括可动测杆1、含猫眼组折叠腔的氦氖激光器30以及数据采集处理单元20。具有猫眼组折叠腔的氦氖激光器30包括猫眼组反射镜2、猫眼组腔镜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，猫眼组反射镜2和猫眼组腔镜3平行放置构成猫眼组折叠腔，猫眼组腔镜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)、光电转换及放大本文档来自技高网...

【技术保护点】
氦氖激光器纳米测尺系统，其特征在于，包括可动测杆、含猫眼组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；所述氦氖激光器包括：猫眼组折叠腔，其用于光线的多次折返并输出单频激光，所述猫眼组折叠腔包括与所述可动测杆的另一端相连接的猫眼组反射镜以及与所述猫眼组反射镜平行放置的猫眼组腔镜；应力双折射元件，其位于所述猫眼组折叠腔的出光侧，并将所述猫眼组折叠腔输出的单频激光变成具有两个频率的正交偏振光，所述猫眼组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；显示装置，其与所述信号处理电路相连。...

【技术特征摘要】
1.氦氖激光器纳米测尺系统，其特征在于，包括可动测杆、含猫眼组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；所述氦氖激光器包括：猫眼组折叠腔，其用于光线的多次折返并输出单频激光，所述猫眼组折叠腔包括与所述可动测杆的另一端相连接的猫眼组反射镜以及与所述猫眼组反射镜平行放置的猫眼组腔镜；应力双折射元件，其位于所述猫眼组折叠腔的出光侧，并将所述猫眼组折叠腔输出的单频激光变成具有两个频率的正交偏振光，所述猫眼组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；显示装置，其与所述信号处理电路相连。2.根据权利要求1所述的氦氖激光器纳米测尺系统，其特征在于，所述猫眼组反射镜包括N个第一猫眼逆向器，所述猫眼组腔镜包括N个第二猫眼逆向器，所述第一猫眼逆向器和所述第二猫眼逆向器相同，N≥1，N为自然数；所述猫眼组反射镜的N个第一猫眼逆向器与所述猫眼组腔镜的N个第二猫眼逆向器...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓勇，陈康，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32