[发明专利]激光自混合测量装置

说明书

技术领域

一般地说，本发明涉及光电器件领域。更具体地说，本发明涉及利用激光自混合传感器测量诸如距离或速度之类的与位移有关的参数。

背景技术

如果在激光器的光学路径内设置外部反射表面，得到一个外部腔体，就会发生激光自混合。所述外部腔体的调谐引起各种激光器平衡条件的重新调整，从而可以检测激光器输出功率的改变。这些通常为波动或振荡形式的改变是重复的，作为所述外部反射表面位移对半激光波长的距离的函数。波动频率与外部反射器的速度成比例。基于激光自混合的测量装置通常表现出高的灵敏性，并因此而表示出高的精度。这可归于如下事实，重新进入激光器腔体的反射光决定激光的调制频率，并因此而在该激光器腔体中被放大。这样，激光器起到相敏探测器和放大器的作用。因此，无需诸如光学滤波器之类的附加机构或者诸如干涉仪之类的多种复杂装置，即可得到高的接收器灵敏度。譬如，从美国专利US 6,707,027 B2 公知一种激光自混合装置。若是反射表面具有沿光学路径的移动的组成部分，则该种装置就造成利用所发生的多普勒相移。

然而，如果把激光自混合装置用于计量（gauge）带有随机反射表面的物体的速度或距离，则被反射的信号就会强烈地取决于由波长刻度结构和/或构成的变化所引起的空间可变的反射率。这可能例如在吸收表面或黑体表面上，以及在如同反射镜、玻璃表面或发光表面之类的完全反射的表面上产生极低的反射信号电平，造成低的或者甚至消失的测量信号。这特别应用于测量几何形状，其中，镜面反射光束（specular beam）不会被反射回到激光器腔体中。 

另一个影响就是所谓散斑图样，这是由于所述表面的波长刻度结构所引起的。这种散斑图样引起强烈随机的强度变化，这同样也调制自混合信号的幅值、频率和相位。因此，使用波动或振荡信号，这种散斑图样影响与参数计量器（gauges）有关的系统测量精度。

发明内容

鉴于公知装置的上述问题，本发明的目的在于提高激光自混合装置的测量精度。本发明是基于使用衍射元件，使部分激光束改变方向回到激光器的激光器腔体中，用以借助激光自混合效应测量与位移有关的参数，如所述衍射元件关于激光器的位移、速度或旋转。

为此，提出一种激光自混合装置，包括：

带激光器腔体的激光器，用于产生测量激光束；

监视器件，用于监视激光强度或其等价参数；

检测电路，用以检测被所述监视器件监视的激光强度的周期性变化；

衍射元件，布置在激光器的光路中，它将部分激光沿所述光路改变方向回到激光器腔体中。所述衍射元件具有周期性结构，将入射激光衍射成为多束局部光束（partial beams），并且所述衍射元件可相对于所述激光器腔体移动。

使用上述激光自混合测量装置测量与位移有关参数的相应方法包括如下步骤：

在激光器的激光器腔体内产生测量激光束；

由衍射元件使部分激光沿着所述光路改变方向回到所述激光器腔体中，所述衍射元件具有周期性结构，特别如光栅，将入射激光衍射成为多束局部光束，并且所述衍射元件可相对于所述激光器腔体移动；

用监视器件监视激光强度或其等价参数，以及

利用检测电路检测被监视器件监视的激光强度的周期性变化，并从测得的激光强度的周期性变化计算与位移有关的参数。

所述衍射元件代替漫反射表面的目的在于使入射激光均匀地反射回到所述激光器腔体中，从而能够消除或者至少是相当程度地抑制与散斑有关的现象。

所述与位移有关的参数可以是位移本身、速度 ー 即每单位时间的位移、相应于表面(如旋转部件的圆周表面(circumferential surface))位移的旋转角度、或者角速度ー相应于每单位时间所述旋转部件的圆周表面的位移。在本申请中，所述衍射结构优选覆盖可以被一束或多束激光束最终照射于其上的整个区域。

为了利用自混合效应与衍射元件相对于激光器移动所引起的相位移动相结合来测量与位移有关的参数，如果该衍射元件能够沿着在具有沿入射激光束方向的分量的方向移动，则是有益的。这样，衍射元件的移动引起外部腔体调谐，导致因与被衍射的局部光束自混合的缘故所致的激光强度波动。

原则上讲，本发明对于其中发生自混合效应的各类激光器都起作用。不过，激光二极管作为激光器是被特别优选的，因为激光二极管是小且节约成本的器件。激光二极管既可以是边缘发射激光器和也可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。