[發明專利]一種激光自混合干涉小角度測量方法及裝置

在審

• 申請號: 201410560091.4
• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104330054A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: 鐘金鋼;郭揚
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 廖繼海

技術領域

本發明涉及激光應用技術領域，特別涉及激光自混合干涉小角度測量方法及裝置。

背景技術

激光自混合干涉是指激光器輸出光被外部物體反射或散射后，部分光反饋回激光器內，與激光諧振腔內光相混合后，引起激光器輸出功率發生變化的現象。在光反饋較弱時，激光自混合干涉引起的功率變化輸出信號與傳統的雙光束干涉信號類似，外部反射物的移動導致回饋光的光程出現變化時，激光器輸出功率將出現周期性變化。激光自混合干涉系統僅有一個光學通道，并且可以做到“絕對”測量，相對傳統的激光干涉系統，具有結構簡單、緊湊等優點，在許多場合可以代替傳統干涉儀，目前已在位移、振動、速度等高精度測量中得到廣泛應用，但在角度測量中應用較少。

我們曾發現當激光束入射到一旋轉物體時，如果激光束偏離被測物體的旋轉中心，被測物體的角度變化將導致回饋光的光程變化，也將出現激光自混合干涉現象。這種由于物體旋轉引起的激光自混合干涉現象可以應用到旋轉角度的測量[見發明專利：鐘金鋼，琚志祥，基于激光自混合干涉的微小角度測量方法及裝置，專利號：ZL200610123674.6]。這種角度測量方式可以獲得角分辨率優于10^-5弧度的測量，但由于產生激光自混合干涉需要回饋光通過激光器的出光窗口重新返回激光諧振腔內部，而激光器出光窗口的孔徑太小，使得角度測量的范圍也太小，只能對微小角度進行測量，限制了激光自混合干涉對旋轉角度測量的應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種激光自混合干涉小角度測量方法，有效地解決了角度測量范圍太小的問題，從而拓展基于激光自混合干涉的角度測量方法的應用。

本發明的目的還在于提供一種實現上述方法的測量裝置。

本發明的技術方案如下：

一種激光自混合干涉小角度測量方法，激光器輸出的激光束經聚焦透鏡聚焦到旋轉物體反射面上，激光束偏離旋轉物體的角度旋轉中心，激光束經反射面反射回激光器中，引起激光自混合干涉，激光器的輸出功率用一光電探測器進行監測，當旋轉物體發生小角度旋轉時，光電探測器監測到的激光器的輸出功率將隨著角度的變化而變化，通過預先定標好的角度和輸出功率間的對應關系，實現對旋轉物體旋轉角度的測量，其特征在于：激光器與反射面之間設置一個聚焦透鏡，激光器輸出的激光束經聚焦透鏡聚焦到反射鏡上。

一種激光自混合干涉小角度測量裝置，包括激光器、聚焦透鏡、光電探測器以及信號處理系統。激光器輸出的激光束入射至旋轉物體的反射面且激光束偏離旋轉物體的角度旋轉中心，光電探測器用于監測激光器的輸出功率，信號處理系統與光電探測器相連，其特征在于：激光器與反射面之間設置一個聚焦透鏡，激光器輸出的激光束經聚焦透鏡聚焦到反射面上。聚焦透鏡的焦距越短，角度測量范圍越大。

進一步的，聚焦透鏡與反射面的距離為聚焦透鏡的焦距，也即是激光束正好聚焦在反射面上。

本發明的理論依據如下：

圖1所示，當激光束射入一旋轉物體上，圖中的反射面是旋轉物體的一部分，其反射光再反饋回激光諧振腔內，將出現激光自混合干涉現象。當回饋光較弱時，自混合干涉信號類似雙光束干涉信號，成正弦周期分布，回饋光的光程每改變半個波長時，自混合干涉信號將出現一次周期性的變化。當物體旋轉時，旋轉角度的變化將導致回饋光的光程發生改變，因此也會引起激光自混合干涉信號隨角度成周期變化。但由于物體的旋轉角度變化，使回饋光與激光出射光成一定角度，回饋光將會偏離出射光光軸，當偏離角度過大時，回饋光將偏離出激光器的出光窗口，使回饋光無法返回激光器諧振腔內，激光自混合干涉現象消失。