[发明专利]位移测量系统

说明书

技术领域

本发明属于位移测量技术领域，尤其是关于一种基于法布里-珀罗外腔回馈的纳米级位移测量系统。

背景技术

纳米测量是纳米科学发展的基础，而纳米科学主要是研究、发现和加工结构尺寸小于100纳米的材料、器件和系统，以获得所需要的功能和性能，并已经在材料、化学、生物、能源和医药卫生等领域得到广泛应用。随着纳米时代的到来，对纳米尺度的产品进行检测的需求日益增大，同时也对纳米测量技术提出了更高的标准。纳米测量需要在毫米级的测量范围内达到纳米级的分辨率，同时需要综合考虑环境条件、系统复杂程度及溯源性等方面的要求。

纳米测量技术按照量程、分辨率和测量不确定度的标准，可以分为两大类：一类是激光干涉仪技术，其特点是量程大，可达几十米，但对小于半个光波长的位移需要用电子鉴相等细分方法来实现；另一类是差拍法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）干涉仪技术、X射线干涉仪技术、光学+X射线干涉仪技术、频率测量技术和光频梳技术等，他们的特点是分辨率和测量不确定度低，可达亚纳米甚至皮米量级。然而激光干涉仪技术由于电子噪声等非线性误差的影响，半波长以内的位移测量并不可靠，因此难以满足高分辨率的要求。而差拍法布里-珀罗干涉仪技术等的量程小，一般在微米量级，限制了其应用范围。

基于激光回馈的位移测量方法具有结构简单、自准直和性价比高的优点。然而，传统的利用激光回馈测量位移的测量装置中，由于采用非准直的外腔回馈，激光束在回馈外腔中的回馈阶次和分辨率并不能直接获得，而是需要干涉仪标定后才能知道该装置的分辨率，在实现纳米级的位移测量分辨率的时候，无法实现分辨率的自标定。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种具纳米级的位移测量分辨率且能够直接获得分辨率的位移测量系统。

一种位移测量系统，主要包括：一激光器，用以输出双频激光，所述激光器包括一第一内腔反射镜、一增益管、一增透窗片、一双折射元件以及一第二内腔反射镜沿输出激光的轴线依次共轴设置，所述双折射元件设置于第二内腔反射镜与所述增透窗片之间，并分别与所述第二内腔反射镜及所述增透窗片间隔设置用以产生分频激光；一数据采集及处理单元，所述数据采集及处理单元包括一分光棱镜靠近所述第一内腔反射镜设置以接收激光器输出的激光，并将激光分成o光及e光，一第一光电探测器及第二光电探测器与所述分光棱镜间隔设置以接收所述o光及e光并转换为两路电信号，一滤波放大电路与所述第一光电探测器及第二光电探测器电连接以处理两路电信号，一信号处理单元与所述滤波放大电路电连接以计算脉冲数，一显示装置与所述信号处理单元电连接以显示脉冲数；其中，进一步包括一回馈单元，所述回馈单元包括一第一反射镜及第二反射镜相对间隔且平行设置，所述第一反射镜具有一第一表面以直接接收入射激光，所述第一表面的法线与所述入射激光形成一夹角α，所述第二反射镜包括一第三表面、与所述第一表面相对的第四表面及第五表面，所述第三表面与所述第一表面相对且平行的，所述第三表面包括一反射区域及透射区域，所述反射区域设置有反射膜，所述透射区域设置有增透膜，所述第五表面与所述透射区域相对设置，且表面设置有反射膜并与所述第三表面形成一夹角β，从激光器入射到回馈单元的激光直接入射到第一反射镜，经第一反射镜与第二反射镜的反射区域之间多次反射后，从所述透射区域入射到所述第五表面，并经第五表面反射后再沿原路返回所述激光器。

与现有技术相比较，本发明提供的位移测量系统，通过在回馈单元中设置第二反射镜与第一反射镜形成回馈单元，利用激光在第一反射镜及第二反射镜之间往返的单重高阶弱回馈效应，一方面具有高阶倍频效应，能够达到纳米级的位移测量分辨率；另一方面，所述位移测量系统的分辨率同时可根据回馈单元中的反射光点数得到，而无需其他装置进行标定，因此方法更加简单，因此具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的位移测量系统的结构示意图。

图2为图1所述位移测量系统中第二反射镜的结构示意图。

图3为图2所示第二反射镜沿线III-III方向的剖面图。

图4为激光在图1所示位移测量系统所述回馈单元中的光路图。

图5为图4所示激光在第二反射镜中的光路图。

图6A为传统位移测量系统测量位移的回馈光强调制曲线。

图6B为图1所述的位移测量系统测量位移的回馈光强调制曲线。

图7A为图1所述位移测量系统中回馈阶次n=7时的回馈光强调制曲线。

图7B为图1所述位移测量系统中回馈阶次n=21时的回馈光强调制曲线。