基于激光双反馈自混合干涉的微位移测量方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于激光双反馈自混合干涉的微位移测量方法，在双反馈自混合干涉的基础上，信号处理模块采集到双反馈自混合干涉信号并转变为电压信号，计算机软件计算出该双反馈干涉信号的振幅将其作为基准功率(p1)，信号处理模块采集到因位移物体的微位移变化而产生的双反馈自混合干涉信号并转变为电压信号，计算出此时双反馈自混合干涉信号的振幅将其作为被测信号功率(p2)，根据被测信号功率(p2)受微位移量影响的关系式反推算出微位移量，测量分辨率低至20nm，实现较高精度的微位移测量，达到实现纳米级位移测量要求。达到实现纳米级位移测量要求。达到实现纳米级位移测量要求。

【技术实现步骤摘要】
基于激光双反馈自混合干涉的微位移测量方法和系统


[0001]本专利技术涉及光学应用，具体是一种利用激光自混合干涉效应测量物体位移的方法和系统。

技术介绍

[0002]自混合干涉(Self
‑
mixing Interference,SMI)效应是指从激光器发射的光波经过外部物体反射回激光腔，与激光腔内的光波发生干涉。由于反射回激光腔的反馈光经过外部物体反射时携带了外部物体的信息，再与腔内光发生干涉，会调制激光器的输出特性，从而可以实现对目标物体的物理量的测量。
[0003]传统的自混合干涉系统仅有一个光路通道，具有结构紧凑、简单、抗干扰强等优点；并且，自混合干涉信号检测方便，从激光器的前向输出端和后向漏光端都可检测，特别是从后向漏光端检测时，可与探测物光波完全隔离，避免检测时形成干扰。目前，自混合干涉效应主要应用于测量微转角、加速度、振动、微小角度等。
[0004]最常用的自混合干涉用于微位移测量方法是单光反馈自混合干涉的条纹计数法。首先使激光器工作于中等反馈水平，此时其自混合干涉条纹为类锯齿形状，对类锯齿波信号进行微分处理，可以获得正脉冲和负脉冲，脉冲本身可以直接用于计数，而脉冲的正负则作为计数加减的条件。由于外界反射物每移动半个光波长，产生一个自混合干涉条纹，故系统的分辨率为半个光波长，分辨率较差(例如对于632.8nm的激光器，分辨率仅为316.4nm)，难以应用到更加精细(纳米级)的测量领域。

技术实现思路

[0005]为克服上述技术缺陷，本专利技术提出一种利用位移变化引起所在通道光程变化得以调控另一外腔长度得到的自混合干涉信号强度作为基础再反推计算出位移变化值的基于激光双反馈自混合干涉的微位移测量方法和系统。
[0006]为了实现以上目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于激光双反馈自混合干涉的微位移测量方法，首先，激光器的谐振腔发出的光束经分光棱镜分成透射光束和反射光束；接着，透射光束穿过第一衰减片后，入射到位移物体关联的第一反射镜，透射光束被反射后，沿原路折返至谐振腔内并与腔内光波形成反馈自混合干涉，同时，反射光束穿过第二衰减片后，入射到第二反射镜，反射光束被反射后，沿原路折返至谐振腔内并与腔内光波形成反馈自混合干涉；接着，信号处理模块采集到双反馈自混合干涉信号并转变为电压信号，由数据采集卡传输至计算机，计算机软件计算出该双反馈干涉信号的振幅将其作为基准功率(p1)；接着，信号处理模块采集到因位移物体的微位移变化而产生的双反馈自混合干涉信号并转变为电压信号，由数据采集卡传输至计算机，计算出此时双反馈自混合干涉信号的振幅将其作为被测信号功率(p2)；最后，根据被测信号功率(p2)受微位移量影响的关系式反推算出微位移量。
[0007]进一步地，所述基准功率(p1)满足公式
被测信号功率(p2)满足公式将基准功率(p1)和被测信号功率(p2)相除后得到公式反推计算式中位移物体移动后(被测信号)的外腔长度L'
ext1
，将L'
ext1
值减去基准信号外腔长度L
ext1
值，得出微位移测量结果。
[0008]同时，本专利技术采用的技术方案是：一种基于激光双反馈自混合干涉的微位移测量系统，包括激光器，激光器的谐振腔的光束前向输出端设置分光棱镜，分光棱镜将光束分成透射光束和反射光束；所述分光棱镜的透射光束端依次地设置第一衰减片和第一反射镜，第一反射镜关联被测的位移物体；所述分光棱镜的反射光束端依次地设置第二衰减片和第二反射镜；所述激光器的谐振腔的后向漏光端设置光电探测器，光电探测器电连接信号处理模块，信号处理模块电连接数据采集卡，数据采集卡电连接计算机，计算机电连接控制器，控制器控制位移物体产生微位移。
[0009]进一步地，所述第一衰减片与第二衰减片的衰减系数比为3：7或2：8。
[0010]实施上述技术方案，通过分光棱镜将光束分为双光束，分别经反射镜折返后形成双反馈通道，相比单通道反馈更具有较好的抗干扰性，巧妙地利用被测物体所在反馈通道的位移变化引起光程差(外腔长度)变化以调控双反馈自混合干涉信号强度的特性，反推计算出被测物体的微位移量，得到所需微位移测量结果，测量分辨率低至20nm，实现较高精度的微位移测量，达到实现纳米级位移测量要求。
附图说明
[0011]图1是双反馈自混合干涉原理的示意图。
[0012]图2是双反馈自混合干涉微位移测量系统的示意图。
[0013]图3是双反馈自混合干涉信号的实验图谱。图3(a)外腔长L
ext1
＝50.20μm；图3(b)外腔长L
ext1
＝50.15μm；图3(c)外腔长L
ext1
＝50.40μm；图3(d)外腔长L
ext1
＝51.00μm；图3(e)外腔长L
ext1
＝51.05μm；图3(f)外腔长L
ext1
＝51.15μm。
[0014]图4是双反馈自混合干涉微位移测量的计算流程图。
[0015]图5是自混合干涉测量的平移台的位移曲线图。
具体实施方式
[0016]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0017]双反馈自混合干涉中，两个外腔中的任意一个外腔长的取值不同，都会影响调制另一个外腔长得到的自混合干涉信号的强度。若已知一个反馈外腔的具体数值，以及实验测得的双反馈自混合干涉信号的强度，则可通过计算求得另一个反馈外腔的数值。
[0018]参见图1，M1和M2是激光器谐振腔的两个内腔面，M3和M4是激光器外部的两个反馈光通道的外腔面(反射镜)。激光器谐振腔激发出的光束经过分光镜(Optical Coupler)分光，形成两个光束分别经两个外腔面M3和M4反射，两个反射光束均按原路返回，回到激光谐振腔内与腔内的光波进行自混合干涉，形成双反馈的激光自混合干涉。图中，L0是激光器的内腔长(谐振腔的长度)，L
ext1
和L
ext2
分别是激光器的两个外腔长，其中L
ext1
代表第一个光反馈通道的外腔长度，L
ext2
代表第二个光反馈通道的外腔长度。弱反馈时，激光器的输出功率p的公式(1)表示为：
[0019]公式中：p0是激光器没有外部反馈时的功率，r1和r2分别是激光谐振腔两个内腔面M1和M2的反射系数，r3和r4分别是激光器外部两个反馈外腔面(反射镜)M3和M4的反射系数；ζ1和ζ2激光器的功率调制参数，其中ζ1＝2r3(1
‑
|r2|2)/r2ln(r1r2)，ζ2＝2r4(1
‑
|r2|2)/r2ln(r1r2)；λ是激光器的工作波长，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光双反馈自混合干涉的微位移测量方法，其特征在于：首先，激光器的谐振腔发出的光束经分光棱镜分成透射光束和反射光束；接着，透射光束穿过第一衰减片后，入射到位移物体关联的第一反射镜，透射光束被反射后，沿原路折返至谐振腔内并与腔内光波形成反馈自混合干涉，同时，反射光束穿过第二衰减片后，入射到第二反射镜，反射光束被反射后，沿原路折返至谐振腔内并与腔内光波形成反馈自混合干涉；接着，信号处理模块采集到双反馈自混合干涉信号并转变为电压信号，由数据采集卡传输至计算机，计算机软件计算出该双反馈干涉信号的振幅将其作为基准功率(p1)；接着，信号处理模块采集到因位移物体的微位移变化而产生的双反馈自混合干涉信号并转变为电压信号，由数据采集卡传输至计算机，计算出此时双反馈自混合干涉信号的振幅将其作为被测信号功率(p2)；最后，根据被测信号功率(p2)受微位移量影响的关系式反推算出微位移量。2.根据权利要求1所述的基于激光双反馈自混合干涉的微位移测量方法，其特征在于：所述基准功率(p1)满足公式被测信号功率(p...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐攀，钟金钢，
申请(专利权)人：广州番禺职业技术学院，
类型：发明
国别省市：