[发明专利]一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光回馈位移测量方法及系统，特别是关于一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法及系统。

背景技术

激光回馈位移测量仪具有灵敏度高、自准直、结构简单和性价比高的优点，在精密机械加工、振动监测和成像等领域有广泛的应用。激光回馈位移测量仪的原理是激光回馈自混合干涉效应，激光经被测目标表面反射后，再次返回到激光谐振腔内部，对激光器内部的光场进行调制，使激光的幅度、相位和偏振态等发生改变，通过解调激光的变化得到被测目标的运动信息。

在激光回馈位移测量仪中采用反射率较高的回馈镜时，激光会在激光器输出镜与回馈镜之间多次往返，然后再进入到激光器的谐振腔内，形成高阶回馈，此时激光回馈位移测量仪具有很高的光学分辨率，一般为传统弱回馈的几十倍。由于高阶回馈光对环境的变化十分敏感，外界的微小振动都会引起回馈光场的剧烈扰动，使激光器内部光场受到不均匀调制，引起激光器的光强变化甚至偏振跳变，而偏振跳变几乎是瞬时发生，此时用光强差稳频的方法将无法对激光回馈位移测量仪进行稳频。为了保证激光回馈位移测量仪能够长期稳定工作，现有技术常常在测量中避免产生高阶回馈，采用光强衰减等方式将高阶回馈转化为弱回馈，然后进行测量，但是，此时激光回馈位移测量仪的分辨率会大大降低，从而影响其性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效消除外界环境变化对回馈外腔的影响，且能够提高激光回馈位移测量仪的稳频精度和抗干扰能力的基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法及系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法，它包括以下步骤：1)设置一包括有双频激光器、位移测量系统、回馈外腔和外腔调制稳频系统的激光回馈位移测量系统；所述位移测量系统包括有信号处理系统和位移显示器，所述回馈外腔包括有凹面回馈镜，所述回馈镜的平面一侧固定连接压电陶瓷；所述外腔调制稳频系统包括有驱动电路、稳频控制电路、光电池、分光镜、沃拉斯顿棱镜、最小值查询单元和清零补偿单元，且在所述双频激光器的整个激光增益管外表面周向缠绕有电阻丝；2)将所述压电陶瓷固定在被测目标上，所述双频激光器输出的激光沿着激光轴线方向分别向所述分光镜和回馈镜传播；3)所述驱动电路将周期性三角波电压信号发送到所述压电陶瓷，所述压电陶瓷在电压信号作用下做伸缩运动的同时推动所述回馈镜做往复运动；4)启动所述最小值查询单元在三角波电压的每个驱动周期内查找测量基准点，并将每个驱动周期内查找得到的最小值发送到所述位移显示器进行显示；5)所述稳频控制电路发送稳频信号控制所述电阻丝对激光增益管进行间断性加热，使双频激光器的腔长发生变化，以调节双频激光器处于稳频状态；6)测量位移前，对所述位移显示器进行清零操作，具体操作为：①清零操作时，如果位移显示器显示的数值为0，则不需要进行补偿；②清零操作时，如果位移显示器显示的数值不为0，则启动清零补偿单元调用最小值查询单元进行清零补偿，将位移显示器显示的数值补偿为0；7)位移测量系统开始计数对被测目标进行位移测量，当被测目标运动完成后，信号处理系统将测得的位移值发送到最小值查询单元，查找三角波电压驱动周期内驱动电压为0的位移值，并将此位移值发送到位移显示器中显示。

所述最小值查询单元的具体过程为：在所述压电陶瓷的三角波电压信号的一个驱动周期内，最小值查询单元等时间间隔采集位移测量数据L₁，L₂…L_n，并不断比较L₂和L₁的大小，若L₂大于L₁则记录L₁，若L₂小于L₁则记录L₂，依次将后续采集的位移数据与已记录的值进行比较，寻找一个驱动周期内的最小值；当被测目标没有发生位移时，所述压电陶瓷在每个驱动周期内最小值都为0，所以位移显示器显示的数值为0；当被测目标发生位移时，每个驱动周期内查找得到的最小值为位移变化的叠加值，则位移显示器显示的数值不断累加；当被测目标运动完成后，最小值查询单元在驱动周期内查找得到的最小值为消除了压电陶瓷附加位移后的被测目标的实际位移值，位移显示器显示实际位移值。