[发明专利]一种激光自混合干涉小角度测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光应用技术领域，特别涉及激光自混合干涉小角度测量方法及装置。

背景技术

激光自混合干涉是指激光器输出光被外部物体反射或散射后，部分光反馈回激光器内，与激光谐振腔内光相混合后，引起激光器输出功率发生变化的现象。在光反馈较弱时，激光自混合干涉引起的功率变化输出信号与传统的双光束干涉信号类似，外部反射物的移动导致回馈光的光程出现变化时，激光器输出功率将出现周期性变化。激光自混合干涉系统仅有一个光学通道，并且可以做到“绝对”测量，相对传统的激光干涉系统，具有结构简单、紧凑等优点，在许多场合可以代替传统干涉仪，目前已在位移、振动、速度等高精度测量中得到广泛应用，但在角度测量中应用较少。

我们曾发现当激光束入射到一旋转物体时，如果激光束偏离被测物体的旋转中心，被测物体的角度变化将导致回馈光的光程变化，也将出现激光自混合干涉现象。这种由于物体旋转引起的激光自混合干涉现象可以应用到旋转角度的测量[见发明专利：钟金钢，琚志祥，基于激光自混合干涉的微小角度测量方法及装置，专利号：ZL200610123674.6]。这种角度测量方式可以获得角分辨率优于10^-5弧度的测量，但由于产生激光自混合干涉需要回馈光通过激光器的出光窗口重新返回激光谐振腔内部，而激光器出光窗口的孔径太小，使得角度测量的范围也太小，只能对微小角度进行测量，限制了激光自混合干涉对旋转角度测量的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光自混合干涉小角度测量方法，有效地解决了角度测量范围太小的问题，从而拓展基于激光自混合干涉的角度测量方法的应用。

本发明的目的还在于提供一种实现上述方法的测量装置。

本发明的技术方案如下：

一种激光自混合干涉小角度测量方法，激光器输出的激光束经聚焦透镜聚焦到旋转物体反射面上，激光束偏离旋转物体的角度旋转中心，激光束经反射面反射回激光器中，引起激光自混合干涉，激光器的输出功率用一光电探测器进行监测，当旋转物体发生小角度旋转时，光电探测器监测到的激光器的输出功率将随着角度的变化而变化，通过预先定标好的角度和输出功率间的对应关系，实现对旋转物体旋转角度的测量，其特征在于：激光器与反射面之间设置一个聚焦透镜，激光器输出的激光束经聚焦透镜聚焦到反射镜上。

一种激光自混合干涉小角度测量装置，包括激光器、聚焦透镜、光电探测器以及信号处理系统。激光器输出的激光束入射至旋转物体的反射面且激光束偏离旋转物体的角度旋转中心，光电探测器用于监测激光器的输出功率，信号处理系统与光电探测器相连，其特征在于：激光器与反射面之间设置一个聚焦透镜，激光器输出的激光束经聚焦透镜聚焦到反射面上。聚焦透镜的焦距越短，角度测量范围越大。

进一步的，聚焦透镜与反射面的距离为聚焦透镜的焦距，也即是激光束正好聚焦在反射面上。

本发明的理论依据如下：

图1所示，当激光束射入一旋转物体上，图中的反射面是旋转物体的一部分，其反射光再反馈回激光谐振腔内，将出现激光自混合干涉现象。当回馈光较弱时，自混合干涉信号类似双光束干涉信号，成正弦周期分布，回馈光的光程每改变半个波长时，自混合干涉信号将出现一次周期性的变化。当物体旋转时，旋转角度的变化将导致回馈光的光程发生改变，因此也会引起激光自混合干涉信号随角度成周期变化。但由于物体的旋转角度变化，使回馈光与激光出射光成一定角度，回馈光将会偏离出射光光轴，当偏离角度过大时，回馈光将偏离出激光器的出光窗口，使回馈光无法返回激光器谐振腔内，激光自混合干涉现象消失。