[发明专利]基于非准直回馈外腔的激光自混合测距系统

说明书

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，涉及一种测距系统，尤其是一种基于非准直回馈外腔的激光自混合测距系统。

背景技术

激光自混合干涉，又称激光回馈，其基本原理是：激光器的输出光被外部反射面反射回激光增益管，与激光谐振腔内的光场进行自混合干涉，并调制激光器的损耗，使激光器的输出光强发生周期性变化，通过解调输出光强就可以得到外部反射面的信息。基于激光回馈的测距系统只有一个光学通道，具有结构简单、紧凑、易准直、性价比高等优点。根据回馈方式的不同，激光回馈可以分为准直外腔回馈和非准直外腔回馈等。其中，准直外腔回馈一般采用低反射率的回馈镜，其光学分辨率较低，一般为λ/2，对于632.8nm波长的氦氖激光器，位移测量的分辨率为316.4nm。

中国专利“基于Zeeman双折射双频激光器的激光回馈测距仪”（申请号：200510011514.8）综合利用Zeeman双折射效应、激光自混合干涉、激光动态调制等多种激光物理现象，将一支普通的双频激光器成功地改造成一支测距传感器。这一发明的主体结构是一支Zeeman双折射双频He-Ne激光器和动态调制的外部反射镜，外部反射镜固定在被测物体上。当外部反射镜以一定的幅度往返运动时，激光器的输出光强在不同的位置处具有不同的光强调制深度，根据光强调制深度的不同得到被测物体的距离。该方法具有测距能力，但是分辨率和精度不高，而且Zeeman双折射双频激光器结构复杂。中国专利“双频HeNe激光器光回馈测距仪”（申请号：200810104260.8），利用半内腔双折射双频激光器的自混合效应和鉴相的方法实现了回馈距离测量，其的光学分辨率为λ/2，但是半内腔双折射双频激光器腔内要放置双折射元件，容易受到温度等因素的影响，而且没有稳频系统，测量精度难以保证；同时，该方法的光学分辨率难以进一步提高。由于原理上的限制，上述两种回馈测距方法都存在激光器结构复杂，光学分辨率低，没有稳频系统和精度低等不足。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于非准直回馈外腔的激光自混合测距系统，该测距系统在简化激光器结构的基础上，采用非准直外腔回馈提高测距系统的分辨率，并且利用等光强稳频系统保证测量精度，从而提高仪器性能并拓宽其应用领域。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种基于非准直回馈外腔的激光自混合测距系统，包括全内腔He-Ne双纵模激光器、非准直回馈外腔、信号探测处理和稳频系统四部分，其中：

（A）所述全内腔He-Ne双纵模激光器包括：

激光增益管，内充He、Ne混合气体；

谐振腔，包括：

第一内腔反射镜，位于所述激光增益管的一端，为凹镜，其面向激光增益管的凹面镀反射膜，外表面镀增透膜；

第二内腔反射镜，固定在所述激光增益管的另一端，为平镜，其面向激光增益管的平面镀反射膜，外表面镀增透膜；

（B）所述非准直回馈外腔包括：

反射镜，为凹镜，面向全内腔He-Ne双纵模激光器的凹面镀反射膜，另一端不镀膜，所述反射镜的表面与激光轴成一个夹角θ；

压电陶瓷，固定在上述反射镜的沿输入光方向的外侧，在输入电压的作用下，所述压电陶瓷推动反射镜沿激光轴线方向左、右移动；

（C）所述信号探测处理包括：

偏振分光棱镜，位于第一内腔反射镜的外侧，把输出的激光在空间分成两路具有位相差的X向、Y向光强余弦分量；

光电探测器，共两个，位于所述偏振分光棱镜的光出射端，分别探测所述偏振分光棱镜输出的X向和Y向两个光强余弦分量；

放大滤波电路，位于上述光电探测器的后端，两个光电探测器的信号输出端分别连接至放大滤波电路的信号输入端，所述放大滤波电路将光电探测器接收到的光回馈信号转换为数字量，并对信号进行滤波、放大处理；

鉴相电路，连接放大滤波电路的输出端，对放大后的两路类余弦信号进行鉴相；

CPLD模块，连接鉴相电路的输出端，完成对数字信号的整形、滤波，并对上述两路有位相差的信号进行计算，得出激光回馈外腔长度；

（D）所述稳频系统包括：

电阻丝，缠绕在激光增益管的管壳上；

稳频电路，将X向、Y向两路光强幅值的差值信号作为稳频的控制信号，控制电阻丝对全内腔He-Ne双纵模激光器进行加热的时间，从而实现稳定的双纵模激光输出。

上述激光增益管内充的He、Ne混合气体的体积比为7:1。

上述电阻丝为细铜丝，电阻为15欧。

上述放大滤波电路与稳频电路连接。