專利名稱：以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)屬于激光位移傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
中國專利“位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法”(ZL 199103514.3)綜合利用幾種激光物理現(xiàn)象，如激光頻率分裂現(xiàn)象、激光模競爭現(xiàn)象、激光功率調(diào)諧現(xiàn)象等，將一支普通HeNe激光器改造成一種不利用干涉現(xiàn)象但具有自標(biāo)定功能又相對簡單的位移傳感儀器。該方法具有λ/8的位移測量分辨率(對于波長為0.6328μm的HeNe激光器，λ/8為79nm)。這一發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)是一支普通的半內(nèi)腔HeNe激光器，其兩個反射腔鏡之一作為動鏡固連在一直線導(dǎo)軌(測桿)上以便可沿激光器光軸做軸向移動。該方法有廣泛的潛在應(yīng)用前景。但是，因其不能克服如下問題以至在儀器化的過程中遇到了困難。位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)測量物體位移時，待測物體的位移是通過測桿的移動傳遞給激光器腔鏡的。測桿在移動過程中會因其直線性誤差和間隙而擺動，并帶動激光器的腔鏡擺動，從而造成光腔失諧(即兩個腔鏡的平行性被破壞)。因此，在測桿的移動中，激光器的輸出光強極不穩(wěn)定，忽大忽小、時強時弱，甚至常常停止出光。故已有位移自傳感HeNe激光器的測量范圍的大小具有偶然性。一個測次可能達(dá)到7mm，而下一個測次可能只有1mm。期望提高測桿的加工精度來解決這一問題也存在困難。比如一個3cm長的測桿，3μm的軸—孔間隙帶來的反射鏡角度偏轉(zhuǎn)為20秒，這一轉(zhuǎn)角會破壞激光諧振腔的穩(wěn)定性。其二是原專利裝調(diào)困難。就系統(tǒng)的基本原理來說，必須同時做到①控制縱模間隔與出光帶寬之比(4∶3)，要達(dá)到此要求既要控制腔長又要實行衰減，非常麻煩，②激光器必須基橫模運轉(zhuǎn)。因此調(diào)整較為費時費力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是使用一個“貓眼”來代替位移自傳感HeNe激光器的一個反射鏡，使其實施大范圍測量時仍能保持激光器輸出光強的穩(wěn)定。實現(xiàn)位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)的儀器化，使其大范圍推廣應(yīng)用。同時，使裝調(diào)變得簡便。
以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)，由一支半內(nèi)腔激光器，置于激光腔內(nèi)的雙折射元件，置于激光輸出鏡一端光軸上的腔外偏振分光棱鏡，和接收由棱鏡分開的兩束光的光電探測器及后續(xù)的信號處理和位移量顯示單元等組成。該系統(tǒng)使用了一個“貓眼”充當(dāng)激光腔的一個反射鏡并與測桿固連在一起，被測物體位移是推動測桿移動，測桿又推動“貓眼”位移?！柏堁邸钡木劢雇哥R和凹面鏡之間的間距可調(diào)，從而可以控制激光器輸出的橫向模式。
本發(fā)明的特征在于所述的激光反射鏡是一與可在裝有彈簧的導(dǎo)軌上移動的測桿固連于一起的貓眼；所述的貓眼由雙面鍍增透膜的凸面鏡和鍍有高反膜的凹面反射鏡構(gòu)成，而該凸透鏡和凹面反射鏡之間的間距是可調(diào)的。在由凸透鏡和凹面反射鏡構(gòu)成的貓眼中，凹面反射鏡緊固在測桿上，而凸透鏡是固定在用于調(diào)節(jié)凸透鏡和凹面反射鏡之間間距的套筒上的；所述的雙折射元件是由一位于放電管端口上且左、右兩個通光面都鍍有增透膜的增透窗片以及扣在該增透窗片周邊的加力環(huán)構(gòu)成的；所述測桿的導(dǎo)軌、放電管、凹面反射鏡即凹面輸出鏡、分光鏡即偏振分光棱鏡以及光電檢測器共同粘結(jié)在同一個圓筒上；所述的測桿的導(dǎo)軌、放電管、凹面輸出鏡、偏振分光棱鏡以及光電探測器還可都固定在同一個平面支架上。
實驗證明首先，“貓眼腔”比傳統(tǒng)的平凹腔更好調(diào)整，不必用測角儀或十字叉小孔就可調(diào)整腔鏡的平行性，可使整個導(dǎo)軌移動范圍內(nèi)出光均勻。其次，適當(dāng)調(diào)整“貓眼”中凸透鏡和凹面鏡之間的距離，很容易使激光器基橫模運轉(zhuǎn)。再者，沿光軸側(cè)向平移“貓眼”，可控制激光器增益，輕松達(dá)到縱模間隔和出光帶寬之比為4∶3的目的。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明帶來的效果做進(jìn)一步說明。圖5為光腔改變不同長度時的功率調(diào)諧曲線，實驗數(shù)據(jù)表明“貓眼”在移動過程中光腔功率穩(wěn)定。圖6為用HP雙頻激光干涉儀和本發(fā)明中所說的“納米激光器測尺”測量同一位移所得的對比實驗結(jié)果。實驗表明以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)的分辨率為79nm，線性度0.0047％，測量范圍達(dá)12mm，最終成為了一個真正實用的儀器。


圖1.以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)的實施例一(圓柱結(jié)構(gòu))。
圖2.以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)的實施例二(板式結(jié)構(gòu))。
圖3.貓眼反射鏡的原理圖。
圖4.以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)中貓眼反射鏡的實施例。
圖5.以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)中抗失調(diào)的效果圖(不同腔長改變量下的功率調(diào)諧曲線)。
圖6.以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)同HP雙頻激光干涉儀的對比實驗結(jié)果。
具體實施例方式
本發(fā)明所說的以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)可參見圖1。凹面輸出鏡01、激光增益管02及貓眼03(由凸透鏡04和凹面反射05構(gòu)成)組成一個半內(nèi)腔的HeNe激光器。貓眼03固連于測桿06上。被測物07的左移，彈簧08使測桿06的右端與被測物07壓緊，以保證被測物07的位移完全傳遞到貓眼03上。被測物07位移時推動測桿06，測桿06推動貓眼03移動，激光器腔長(即凹面輸出鏡01和凹面反射鏡05之間的距離)改變。激光器增益管02右端有增透窗片09，它的左右兩個通光面都鍍有增透膜以減小光通過時的界面反射損耗。加力環(huán)10對增透窗片09施加一個力。力的作用使激光器內(nèi)形成兩頻率不同、偏振態(tài)正交的光成分。從激光器左端輸出的兩正交偏振光束經(jīng)偏振分光棱鏡11分束后，分別入射到兩光電探測器12、13上。隨著被測物07，測桿06，貓眼03的位移變化，激光器輸出光的偏振態(tài)發(fā)生周期性改變平行光輸出→平行光和垂直光都輸出→垂直光輸出→無光輸出。隨著待測物07發(fā)生位移過程中輸出光偏振態(tài)周期性改變時，光電探測器12和13將被輪流照亮12被照亮→12和13同時被照亮→13被照亮→12和13都不被照亮。每次改變意味著被測物07，測桿06，貓眼03發(fā)生了λ/8的位移。通過隨后的信號處理電路14處理，便可在顯示電路15中顯示被測到的位移量。
下面對各圖進(jìn)行說明圖1.系統(tǒng)的圓柱結(jié)構(gòu)中，測桿06的導(dǎo)軌16，激光增益管02，凹面輸出鏡01，偏振分光棱鏡11，光電檢測器12、13.共同固連于同一圓筒17(如石英管殼)上。
圖2.板式結(jié)構(gòu)與圖1圓柱結(jié)構(gòu)不同的是，測桿的導(dǎo)軌16、激光增益管02、凹面輸出鏡01、偏振分光棱鏡11及光電檢測器12、13可固定于一平面支架上18。此實施例中也可不采用應(yīng)力雙折射，代之的是另一雙折射元件19(如石英晶體)。其它部件同圖1。
圖3.為本發(fā)明中所說貓眼原理圖。光束入射到雙面鍍有增透膜的會聚透鏡04上，出射后經(jīng)鍍有高反膜的凹面鏡05反射，最后原方向返回，與入射角無關(guān)。04雙面的曲率半徑r、05的曲率半徑R及04的焦距f相等，且兩者之間的間距約等于f，但適當(dāng)可調(diào)。
圖4.貓眼反射鏡應(yīng)用于位移自傳感HeNe激光系統(tǒng)中的的實施例。測桿06受導(dǎo)軌16支撐，06上左端裝有貓眼03，其中凹面鏡05緊固于06上，而會聚透鏡04卻由套筒20支撐，調(diào)節(jié)套筒20可改變04和05之間的間距。為保證測桿06和被測物體07的緊密接觸，在測桿06和導(dǎo)軌16間設(shè)置了一壓簧08。
圖5.以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)在不同位移量時功率調(diào)諧曲線穩(wěn)定性比較(通過在壓電陶瓷上施加鋸齒波調(diào)來諧腔長)。(a)沒發(fā)生位移時的功率調(diào)諧曲線，(b)有位移為4mm時的功率調(diào)諧曲線，(c)位移為8mm時的功率調(diào)諧曲線，(d)位移為12mm時的功率調(diào)諧曲線。
圖6.以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)同HP雙頻激光干涉儀的對比實驗結(jié)果。利用本測量系統(tǒng)同HP干涉儀同時測量同一位移，該位移約以0.2mm步長變化。本系統(tǒng)計脈沖數(shù)，而干涉儀記錄所測的位移量。最終以脈沖數(shù)為橫坐標(biāo)，位移量為縱坐標(biāo)建立如圖所示的數(shù)據(jù)曲線。
權(quán)利要求
1.以貓眼作為腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)，包括一支由放電管、固定在該放電管一端的激光輸出鏡、置于放電管另一端的可移動激光反射鏡組成的半內(nèi)腔激光器，設(shè)置在該激光器腔內(nèi)的雙折射元件，設(shè)置在該激光器腔外光軸上激光輸出鏡一端的偏振分光鏡以及接收并處理由該鏡分出的兩束偏振光的兩個光電探測器、兩個放大器及信號處理和位移量顯示電路，其特征在于所述的激光反射鏡是一與可在裝有彈簧的導(dǎo)軌上移動的測桿固連于一起的貓眼，所述的貓眼由雙面鍍增透膜的凸面鏡和鍍有高反膜的凹面反射鏡構(gòu)成，而且該凸透鏡和凹面反射鏡之間的間距是可調(diào)的。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)，其特征在于在由凸透鏡和凹面反射鏡構(gòu)成的貓眼中，凹面反射鏡緊固在測桿上，而凸透鏡是固定在用于調(diào)節(jié)凸透鏡和凹面反射鏡之間間距的套筒上的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)，其特征在于所述的雙折射元件是由位于放電管一端且左、右兩個通光面都鍍有增透膜的增透窗片以及扣在該增透窗片周邊的加力環(huán)構(gòu)成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)，其特征在于所述測桿的導(dǎo)軌、放電管、凹面反射鏡即凹面輸出鏡、分光鏡即偏振分光棱鏡以及光電探測器共同固連在同一個圓筒上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)，其特征在于所述的測桿的導(dǎo)軌、放電管、凹面輸出鏡、偏振分光棱鏡以及光電探測器都固定在同一個平面支架上。
全文摘要
以貓眼作腔鏡的位移自傳感HeNe激光器系統(tǒng)屬于激光位移傳感技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于應(yīng)用一個由凸透鏡和凹面鏡構(gòu)成，且凸透鏡和凹面鏡之間的間距又可調(diào)的貓眼代替半內(nèi)腔激光器中的反射鏡，所述的貓眼是與一個可在導(dǎo)軌上移動的測桿相連的；半內(nèi)腔激光器中的雙折射元件是一位于放電管一端口上，且左、右兩通光面都鍍有增透膜的增透窗片，在該窗片上還扣有一個加力環(huán)。激光器經(jīng)過簡單調(diào)整，就能輕松地實現(xiàn)縱模間隔和出光帶寬之比為4∶3的目的，而且貓眼在移動過程中激光功率比較穩(wěn)定，避免了激光腔的失調(diào)，保證了系統(tǒng)在大的測量范圍內(nèi)都能正常工作。
文檔編號H01S3/08GK1547293SQ200310115540
公開日2004年11月17日 申請日期2003年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月28日
發(fā)明者張書練, 杜文華, 李巖 申請人:清華大學(xué)