专利名称：一种高增益激光位移传感器的偏振混叠方法
技术领域：
本发明涉及一种激光位移传感器的光信号处理方法，特别是关于一种高增益激光位移传感器的偏振混叠方法。
背景技术：
如图I所示，采用激光位移传感器进行位移测量时，当双频激光器输出功率较小时(低增益)，在压电陶瓷电压上升和电压下降的过程中，由于腔长的变化，ο光和e光出现顺序显著不同，ο光和e光在每个半波长周期内有两个光强相等的点，称为高等光强点和低等光强点，当高等光强点和低等光强点之间的纵向差距较大时，电路信号处理相对容易。例如专利号为ZL200910076308. 3，名称为“ 1152nm波长氦氖激光器纳米测尺”的中国专利，米用输出光为1152nm波长的红外光激光器作为位移传感器的核心,使得在分辨率不变的 条件下，量程可以扩大至IOOmm以上，利用红外光激光器的高增益，实现非接触式测量。如图2所示，其电路信号处理过程为其中一条曲线为ο光的功率调谐曲线，另一条曲线为e光的功率调谐曲线，首先将信号整体放大，高等光强点F和低等光强点G之间的纵向差距较大，图中A E表示一个出光带宽的完整周期被均分为四等份，即AB=BC=⑶=DE，为了方便信号处理，在高等光强点F和低等光强点G之间设置一个阈值H，只对阈值H以上的信号进行处理实现位移测量，其中，AB段只有ο光，BC为ο光和e光的混合光，⑶只有e光，DE为无光区，A E表示腔镜移动λ/2，则四个等分区分别表示λ/8，即实现半波长内的四细分。从实际测量来看，对于双频激光器功率较小的位移测量系统，在一般的导轨直线度水平上，腔镜移动10 20mm的范围内双频激光器可以出光，光强不稳定；继续加大移动范围时，双频激光器便无法出光，因此实际测量时，应该选择输出功率较大的双频激光器进行位移测量，但是随着双频激光器输出功率不断增大，双频激光器输出的两线偏振光ο光和e光无法在相邻的高、低等光强点处显著分开，尤其当双频激光器输出功率较大时，相邻的高、低两等光强点光强可能非常相近，这样导致在采用上述纳米测尺设定阈值方法对信号进行处理时，容易引起误计数，从而造成较大的测量误差。如图3所示，通过对图3所示的功率调谐曲线进行放大观察，一个周期内两处等光强点的信号电压并非完全相等，而是有一定的电压差，同时观察到图3与图I中两相邻等光强点的绝对电压差值相近，只是因为图3中信号的整体幅度较大，两等光强点幅度显示比较接近，因此如果能够使得相邻两等光强点的电压差保持不变而信号的整体幅度大幅缩�。庋湍芄皇垢叩偷裙馇康阆灾挚�。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种当采用大功率双频激光器进行位移测量时，能够使双频激光器输出的ο光和e光的相邻高、低等光强点显著分开，有效避免较大测量误差的高增益激光位移传感器的偏振混叠方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种高增益激光位移传感器的偏振混叠方法，它包括双频激光器、光电转换电路、单片机、压电陶瓷和压电陶瓷驱动电路，所述双频激光器包括激光增益管、输出镜和增透窗片，所述输出镜外侧设置有与激光传播方向垂直的渥拉斯顿棱镜，对应所述渥拉斯顿棱镜的出光方向分别设置有第一光电探测器和第二光电探测器；所述渥拉斯顿棱镜是由第一直角棱镜与第二直角棱镜沿斜面粘合而成，所述第一直角棱镜与所述第二直角棱镜的光轴互相垂直且均垂直于入射面的面法线；其特征在于将所述渥拉斯顿棱镜、第一光电探测器和第二光电探测器作为整体以所述双频激光器出射的激光为轴旋转角度ω，使经所述双频激光器垂直入射到所述第一直角棱镜的两正交线偏振光，其中一偏振光的振动方向与所述第一直角棱镜的光轴成ω角度，另一偏振光
的振动方向与所述第一直角棱镜的光轴成f- 角度，经所述渥拉斯顿棱镜输出的X光和y
光分别被所述第一光电探测器和第二光电探测器接收。 所述X光为所述双频激光器出射的两正交线偏振光的混合光，即O光和与e光的混合光，混合比例为k, k = sin2 ω ,所述y光为ο光与e光的混合光,混合比例为l_k。所述ω的取值范围为0≤ω≤180。所述双频激光器采用波长为1152nm的氦氖双频激光器。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点本发明由于将渥拉斯顿棱镜、第一光电探测器和第二光电探测器作为整体以双频激光器输出的激光为轴旋转ω角度，使经双频激光器垂直入射到第一直角棱镜的两正交线偏振光，其中一偏振光的振动方向与第
一直角棱镜的光轴成ω角度，另一偏振光的振动方向与第一直角棱镜的光轴成角度，
此时双频激光器输出两线偏振光发射到旋转后的渥拉斯顿棱镜，经渥拉斯顿棱镜输出的X光和y光分别被第一光电探测器和第二光电探测器接收，因此本发明在不增加任何系统成本和电路复杂度的前提下，使得一个周期内相邻高、低两等光强点的电压差保持不变，信号的整体幅度大幅缩�。佣瓜嗔谖�、低两等光强点的电压差在/[目号整体中占有较大的比例，使得相邻高、低等光强点显著分开，方便了信号处理，有效避免了由于两个等光强点在整体信号中距离过近导致误计数引起的测量误差，大大提高了激光位移测量系统的精度和稳定性。本发明可以广泛应用于激光位移测量的信号处理过程中。
图I是双频激光器输出激光功率较小时的功率调谐曲线，其中“ ，，为O光，“ 一:一 ”为e光；横坐标表示时间，单位S，纵坐标为信号电压，单位V，折线表示为压电陶瓷(PZT)电压上升和下降的过程；图2是现有的信号计数处理方法示意图，横坐标表示时间，单位S，纵坐标为信号电压,单位V ；图3是双频激光器输出激光功率较大时的功率调谐曲线，“一，，为ο光，“ ”为e光；横坐标表示时间,单位s,纵坐标为信号电压,单位V,折线表示为压电陶瓷电压上升和下降的过程；图4是现有的高增益激光器位移传感器系统结构示意图；图5是本发明实施例中渥拉斯顿棱镜的结构示意图，“丨”表示第一直角棱镜光轴方向平行于纸面，“ · ”表示第二直角棱镜光轴方向垂直于纸面；图6是k取O时X光与y光的功率调谐曲线示意图，“ ”为X光，“为y光，横坐标表示腔长变化，单位nm，纵坐标为光强，无量纲；图7是k取O. I时X光与y光的功率调谐曲线示意图，“ ”为X光，“ 为y光，横坐标表示腔长变化，单位nm，纵坐标为光强，无量纲；图8是k取O. 2时X光与y光的功率调谐曲线示意图，“ ”为x光，“ ”为y光，横坐标表示腔长变化，单位nm，纵坐标为光强，无量纲；图9是k取O. 3时X光与y光的功率调谐曲线示意图，“ ”为x光，“ ”为y光，横坐标表示腔长变化，单位nm，纵坐标为光强，无量纲；图10是k取O. 4时X光与y光的功率调谐曲线示意图，“ ”为x光，“ ο ”为I光，横坐标表示腔长变化，单位nm，纵坐标为光强，无量纲；图11是k取O. 45时X光与y光的功率调谐曲线示意图，“ ”为x光，“ ο ”为I光，横坐标表示腔长变化，单位nm，纵坐标为光强，无量纲。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图4所示，本发明所采用的激光位移传感器与现有技术公开的1152nm波长氦氖激光器纳米测尺中所采用的激光位移传感器结构基本相同，它包括双频激光器、光电转换电路、单片机和压电陶瓷驱动电路；双频激光器包括激光增益管1，激光增益管I的一端设置输出镜2，另一端设置增透窗片3，输出镜2外侧设置有与激光传播方向垂直的偏振分光棱镜4,对应偏振分光棱镜4的出光方向分别设置有第一光电探测器5和第二光电探测器
6;增透窗片3外侧沿着激光传播方向依次设置有双折射晶体7和腔镜8，腔镜8的外侧固定设置有压电陶瓷(PZT)9，压电陶瓷9与压电陶瓷驱动电路10的正负极相连接，双频激光器输出激光经输出镜2发射到偏振分光棱镜4,偏振分光棱镜4输出互相垂直的水平偏振光和垂直偏振光分别由第一光电探测器5和第二光电探测器6接收并发送到光电转换电路11的两个输入端，光电转换电路11将接收到的光信号进行处理发送到单片机12，单片机12控制压电陶瓷驱动电路10驱动压电陶瓷9工作。如图5所示，本发明中偏振分光棱镜4采用渥拉斯顿棱镜4，渥拉斯顿棱镜4是由第一直角棱镜41与第二直角棱镜42沿斜面粘合而成的矩形棱镜,第一直角棱镜41与第二直角棱镜42的光轴互相垂直且均垂直于入射面(MN面)的面法线，第一直角棱镜41和第二直角棱镜42均采用方解石晶体制作而成。经双频激光器出射的两正交线偏振光入射到渥拉斯顿棱镜4的第一直角棱镜41,当两线偏振光的振动方向与第一直角棱镜41的MN面平行或垂直时，两正交线偏振光被严格分开，当两线偏振光的振动方向与第一直角棱镜的光轴成其它角度β (β古O或90)时，两正交线偏振光经渥拉斯顿棱镜4后未能分开，而是按照不同比例混合在两束光中。根据正交偏振激光的原理，腔镜8每移动半个波长，输出镜2输出的激光光强波动一个周期，腔镜8输出的激光为ο光和e光的混合光，将ο光和e光不等比例混合形成另外两束光x光和y光，X光中包含部分ο光和e光，y光中也包含部分ο光和e光，假设混合比例为k(0 < k < 1)0光进入X光，则比例为(Ι-k)的ο光进入J光；同理，比例为k的e光进入I光，比例为(Ι-k)的e光进入X光,则X光和y光的光强表不为Ix/y = kX I0/e+(1-k) XIe7o
根据上述原理，本发明将渥拉斯顿棱镜4、第一光电探测器5和第二光电探测器6作为整体以双频激光器输出的激光为轴旋转ω角度(OS ω ( 180)，使经双频激光器垂直入射到第一直角棱镜41的两正交线偏振光,其中一偏振光的振动方向与第一直角棱镜41
的光轴成ω角度，另一偏振光的振动方向与第一直角棱镜41的光轴成角度,此时双频
激光器输出两线偏振光发射到旋转后的渥拉斯顿棱镜4，经渥拉斯顿棱镜4输出的X光和y光分别被第一光电探测器5和第二光电探测器6接收，其中X光为ο光与e光的混合光，混合比例为k，y光为ο光与e光的混合光，混合比例为l_k，k = Sin2Co，夹角ω的大小可以根据实验需要进行确定，只要将一个周期内相邻的高、低两个等光强点分开即可。如图6 11所示，下面通过具体实施例进一步说明本发明的具体实施过程，双频激光器采用波长为1152nm的氦氖双频激光器，通过旋转渥拉斯顿棱镜4，使第一直角棱镜41与经双频激光器出射的激光形成一系列不同的角度0，使得1^=0、(). 1、0. 2、0. 3、
O.4和O. 45，当混合比例k值的取值逐渐增大时，可以观察到ο光与e光的相邻高、低等 光强点逐渐明显分开，例如x光中ο光与e光的混合比例k取O. 45，旋转角度为ω约为arcsinO. 67082，从图11中可以看出相邻高、低等光强点的绝对电压差并未发生改变，但是信号的整体幅度被大大压缩，ο光与e光的相邻高、低等光强点显著分开，这样就可以采用现有的方法方便地对信号进行后续处理。综上所述，通过实验进一步表明，采用本发明的偏振混叠方法，不仅可以显著增加高低等光强点的相对距离，方便地对各细分区间的宽度进行调节，而且并未改变相邻高低等光强点的横向位置，测量结果准确。上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的所有实施过程等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种高增益激光位移传感器的偏振混叠方法，它包括双频激光器、光电转换电路、单片机、压电陶瓷和压电陶瓷驱动电路，所述双频激光器包括激光增益管、输出镜和增透窗片，所述输出镜外侧设置有与激光传播方向垂直的渥拉斯顿棱镜，对应所述渥拉斯顿棱镜的出光方向分别设置有第一光电探测器和第二光电探测器；所述渥拉斯顿棱镜是由第一直角棱镜与第二直角棱镜沿斜面粘合而成，所述第一直角棱镜与所述第二直角棱镜的光轴互相垂直且均垂直于入射面的面法线；其特征在于将所述渥拉斯顿棱镜、第一光电探测器和第二光电探测器作为整体以所述双频激光器出射的激光为轴旋转角度ω，使经所述双频激光器垂直入射到所述第一直角棱镜的两正交线偏振光，其中一偏振光的振动方向与所述第一直角棱镜的光轴成ω角度，另一偏振光的振动方向与所述第一直角棱镜的光轴成角度，经所述渥拉斯顿棱镜输出的X光和I光分别被所述第一光电探测器和第二光电探测器接收。
2.如权利要求I所述的一种高增益激光位移传感器的偏振混叠方法，其特征在于所述X光为所述双频激光器出射的两正交线偏振光的混合光，即O光和与e光的混合光,混合比例为k, k = sin2 ω ,所述y光为ο光与e光的混合光,混合比例为l_k。
3.如权利要求I所述的一种高增益激光位移传感器的偏振混叠方法，其特征在于所述ω的取值范围为0彡ω彡180。
4.如权利要求2所述的一种高增益激光位移传感器的偏振混叠方法，其特征在于所述ω的取值范围为0彡ω彡180。
5.如权利要求I或2或3或4所述的一种高增益激光位移传感器的偏振混叠方法，其特征在于所述双频激光器采用波长为1152nm的氦氖双频激光器。
全文摘要
本发明涉及一种高增益激光位移传感器的偏振混叠方法，它包括双频激光器、光电转换电路、单片机、压电陶瓷和压电陶瓷驱动电路，双频激光器包括激光增益管、输出镜和增透窗片，输出镜外侧设置有与激光传播方向垂直的渥拉斯顿棱镜，对应渥拉斯顿棱镜的出光方向分别设置有第一光电探测器和第二光电探测器；渥拉斯顿棱镜是由第一直角棱镜与第二直角棱镜沿斜面粘合而成，第一直角棱镜与第二直角棱镜的光轴互相垂直且均垂直于入射面的面法线；其特征在于将渥拉斯顿棱镜、第一光电探测器和第二光电探测器作为整体以双频激光器出射的激光为轴旋转角度ω，经渥拉斯顿棱镜输出的x光和y光分别被第一光电探测器和第二光电探测器接收。本发明可以广泛应用于激光位移测量的信号处理过程中。
文档编号G01B11/02GK102829729SQ20121032360
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者张书练, �：Ｉ�, 谈宜东, 李岩, 牛燕雄 申请人:清华大学
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