[發明專利]位移測量系統

有效

• 申請號: 201210591981.2
• 申請日: 2012-12-29
• 公開（公告）號: CN103075966A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 張書練;曾召利;談宜東;李巖
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 深圳市鼎言知識產權代理有限公司 44311
• 代理人: 哈達

技術領域

本發明屬于位移測量技術領域，尤其是關于一種基于法布里-珀羅外腔回饋的納米級位移測量系統。

背景技術

納米測量是納米科學發展的基礎，而納米科學主要是研究、發現和加工結構尺寸小于100納米的材料、器件和系統，以獲得所需要的功能和性能，并已經在材料、化學、生物、能源和醫藥衛生等領域得到廣泛應用。隨著納米時代的到來，對納米尺度的產品進行檢測的需求日益增大，同時也對納米測量技術提出了更高的標準。納米測量需要在毫米級的測量范圍內達到納米級的分辨率，同時需要綜合考慮環境條件、系統復雜程度及溯源性等方面的要求。

納米測量技術按照量程、分辨率和測量不確定度的標準，可以分為兩大類：一類是激光干涉儀技術，其特點是量程大，可達幾十米，但對小于半個光波長的位移需要用電子鑒相等細分方法來實現；另一類是差拍法布里-珀羅（Fabry-Perot，F-P）干涉儀技術、X射線干涉儀技術、光學+X射線干涉儀技術、頻率測量技術和光頻梳技術等，他們的特點是分辨率和測量不確定度低，可達亞納米甚至皮米量級。然而激光干涉儀技術由于電子噪聲等非線性誤差的影響，半波長以內的位移測量并不可靠，因此難以滿足高分辨率的要求。而差拍法布里-珀羅干涉儀技術等的量程小，一般在微米量級，限制了其應用范圍。

基于激光回饋的位移測量方法具有結構簡單、自準直和性價比高的優點。然而，傳統的利用激光回饋測量位移的測量裝置中，由于采用非準直的外腔回饋，激光束在回饋外腔中的回饋階次和分辨率并不能直接獲得，而是需要干涉儀標定后才能知道該裝置的分辨率，在實現納米級的位移測量分辨率的時候，無法實現分辨率的自標定。

發明內容

綜上所述，確有必要提供一種具納米級的位移測量分辨率且能夠直接獲得分辨率的位移測量系統。

一種位移測量系統，主要包括：一激光器，用以輸出雙頻激光，所述激光器包括一第一內腔反射鏡、一增益管、一增透窗片、一雙折射元件以及一第二內腔反射鏡沿輸出激光的軸線依次共軸設置，所述雙折射元件設置于第二內腔反射鏡與所述增透窗片之間，并分別與所述第二內腔反射鏡及所述增透窗片間隔設置用以產生分頻激光；一數據采集及處理單元，所述數據采集及處理單元包括一分光棱鏡靠近所述第一內腔反射鏡設置以接收激光器輸出的激光，并將激光分成o光及e光，一第一光電探測器及第二光電探測器與所述分光棱鏡間隔設置以接收所述o光及e光并轉換為兩路電信號，一濾波放大電路與所述第一光電探測器及第二光電探測器電連接以處理兩路電信號，一信號處理單元與所述濾波放大電路電連接以計算脈沖數，一顯示裝置與所述信號處理單元電連接以顯示脈沖數；其中，進一步包括一回饋單元，所述回饋單元包括一第一反射鏡及第二反射鏡相對間隔且平行設置，所述第一反射鏡具有一第一表面以直接接收入射激光，所述第一表面的法線與所述入射激光形成一夾角α，所述第二反射鏡包括一第三表面、與所述第一表面相對的第四表面及第五表面，所述第三表面與所述第一表面相對且平行的，所述第三表面包括一反射區域及透射區域，所述反射區域設置有反射膜，所述透射區域設置有增透膜，所述第五表面與所述透射區域相對設置，且表面設置有反射膜并與所述第三表面形成一夾角β，從激光器入射到回饋單元的激光直接入射到第一反射鏡，經第一反射鏡與第二反射鏡的反射區域之間多次反射后，從所述透射區域入射到所述第五表面，并經第五表面反射后再沿原路返回所述激光器。

與現有技術相比較，本發明提供的位移測量系統，通過在回饋單元中設置第二反射鏡與第一反射鏡形成回饋單元，利用激光在第一反射鏡及第二反射鏡之間往返的單重高階弱回饋效應，一方面具有高階倍頻效應，能夠達到納米級的位移測量分辨率；另一方面，所述位移測量系統的分辨率同時可根據回饋單元中的反射光點數得到，而無需其他裝置進行標定，因此方法更加簡單，因此具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的位移測量系統的結構示意圖。

圖2為圖1所述位移測量系統中第二反射鏡的結構示意圖。

圖3為圖2所示第二反射鏡沿線III-III方向的剖面圖。

圖4為激光在圖1所示位移測量系統所述回饋單元中的光路圖。

圖5為圖4所示激光在第二反射鏡中的光路圖。

圖6A為傳統位移測量系統測量位移的回饋光強調制曲線。

圖6B為圖1所述的位移測量系統測量位移的回饋光強調制曲線。

圖7A為圖1所述位移測量系統中回饋階次n=7時的回饋光強調制曲線。

圖7B為圖1所述位移測量系統中回饋階次n=21時的回饋光強調制曲線。