半導(dǎo)體激光器自混頻干涉測(cè)距技術(shù)研究

1、半導(dǎo)體激光器自混頻干涉測(cè)距技術(shù)研究半導(dǎo)體激光器自混頻干涉測(cè)量技術(shù)是一種新的干涉測(cè)量方法 , 是指激光經(jīng)過目標(biāo)反射之后 , 一部分反射光重新耦合進(jìn)入激光器諧振腔, 與原有的激光光場(chǎng)進(jìn)行相干調(diào)制 , 并且改變半導(dǎo)體激光器的載流子密度以及增益, 從而引起輸出功率和結(jié)電壓的變化。 在此過程中 , 半導(dǎo)體激光器除了充當(dāng)光源之外 , 還扮演著探測(cè)器、空間光濾波器和光放大器的角色。 因此 , 該技術(shù)有著單光路、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 自準(zhǔn)直、便于集成、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn) , 已經(jīng)在絕對(duì)距離、位移、速度、折射率、激光器線寬、生物成像等諸多測(cè)量應(yīng)用中表現(xiàn)出巨大的潛能。目前, 在自混頻干涉測(cè)量應(yīng)用中 , 大多數(shù)半導(dǎo)體激光器

2、需要精密電流源驅(qū)動(dòng) , 并且需要溫控進(jìn)行恒溫控制。尤其在工業(yè)應(yīng)用中 , 復(fù)雜的電磁環(huán)境和種類繁多的噪聲嚴(yán)重影響了自混頻干涉測(cè)量系統(tǒng)的性能, 系統(tǒng)信噪比難以滿足高精度探測(cè)的要求。本課題研究基于平衡探測(cè)的半導(dǎo)體激光自混頻干涉技術(shù)對(duì)不同噪聲源的抑制作用 , 提高系統(tǒng)信噪比增強(qiáng)其魯棒性和抗干擾能力。同時(shí) , 針對(duì)光學(xué)探頭尺寸受到嚴(yán)格限制的測(cè)量場(chǎng)合,如測(cè)量微小空間的孔徑、孔深, 本課題將進(jìn)行基于垂直腔面發(fā)射激光器的自混頻干涉光學(xué)探頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn), 拓展半導(dǎo)體激光自混頻干涉測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。首先 , 本文回顧了半導(dǎo)體激光器自混頻干涉測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和當(dāng)前關(guān)鍵性問題。針對(duì)雙面發(fā)射半導(dǎo)體激光器兩側(cè)自混頻干涉信

3、號(hào)相位相反的現(xiàn)象, 提出基于三鏡腔等效的雙面發(fā)射半導(dǎo)體激光器自混頻唯象分析模型, 推導(dǎo)出弱反饋下激光器兩側(cè)的自混頻干涉信號(hào)的解析表達(dá)式, 并分析了激光器前端的自混頻干涉信號(hào)的特點(diǎn)和物理過程, 即隨著注入電流的增加 , 半導(dǎo)體前端位置的自混頻干涉信號(hào)先逐漸減小 , 直至為零 , 后逐漸增大的過程。 同時(shí) , 基于 Lang-Kobayashi 方程分析半導(dǎo)體激光器腔內(nèi)的光子密度的變化 , 推導(dǎo)出弱反饋下半導(dǎo)體激光器兩側(cè)自混頻信號(hào)的解析式。 在此基礎(chǔ)上 , 分析半導(dǎo)體激光器載流子壽命、 光子壽命、 反射率、閾值電流等主要參數(shù)在自混頻干涉效應(yīng)中的作用機(jī)理, 為半導(dǎo)體激光器自混頻干涉測(cè)量提供了理論指導(dǎo)

4、。此外, 建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái) , 通過改變注入電流, 觀測(cè)半導(dǎo)體激光器兩側(cè)的自混頻干涉信號(hào), 證明了理論模型中注入電流對(duì)半導(dǎo)體激光器自混頻干涉信號(hào)的影響作用。其次 , 建立了基于平衡探測(cè)的自混頻干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 并進(jìn)行了絕對(duì)距離測(cè)量和振動(dòng)測(cè)量。利用半導(dǎo)體激光器兩側(cè)自混頻干涉信號(hào)相位相反的特點(diǎn) , 分別使用兩個(gè)探測(cè)器監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器兩側(cè)的輸出功率。在此過程中 , 詳細(xì)分析平衡探測(cè)技術(shù)的工作機(jī)理, 深入討論了分光鏡分光比的最優(yōu)方案和用于平衡探測(cè)的半導(dǎo)體激光器選擇依據(jù)。實(shí)驗(yàn)證明 , 平衡探測(cè)能夠有效的消除絕對(duì)距離測(cè)量中的殘余調(diào)制信號(hào), 并且對(duì)共模噪聲有明顯的抑制作用 , 即使對(duì)于隨機(jī)噪聲 , 平衡探測(cè)技

5、術(shù)將信噪比提高近3 d B 。另外 , 詳細(xì)探討了影響半導(dǎo)體激光器自混頻干涉測(cè)量的主要噪聲電流源噪聲的影響, 以及偏壓抖動(dòng)、 強(qiáng)電磁輻射等噪聲源帶來的干擾, 證明了平衡探測(cè)技術(shù)對(duì)于這些噪聲的抑制能力 , 極大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性。 另外 , 研制了基于平衡探測(cè)的半導(dǎo)體自混頻干涉測(cè)量原理樣機(jī)。 建立了基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和雙路平衡探測(cè)的硬件平臺(tái) ; 使用 Labview 作為上位機(jī)的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程, 通過插值快速傅里葉變換算法對(duì)干涉條紋的頻率進(jìn)行估計(jì), 分析了頻率偏移以及采樣率對(duì)插值傅里葉變換算法的精度影響 , 實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)距離的實(shí)時(shí)測(cè)量功能。 最終 ,在15-260 cm測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，測(cè)量頻率為12 k Hz,獲得150仙m的單次測(cè)量精 度。該系統(tǒng)體積小、造價(jià)低、抗干擾能力強(qiáng) , 為半導(dǎo)體激光器自混頻干涉測(cè)量的微小系統(tǒng)研制和復(fù)雜環(huán)境中測(cè)量應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。最后 , 使用垂直腔面發(fā)射激光器作為光源, 實(shí)現(xiàn)無光學(xué)鏡頭的微小自混頻探頭的研制。通過半經(jīng)典理論分析,擬合出波長(zhǎng)與注入電流的三次方關(guān)系 , 采用電流整形方式補(bǔ)償由于注入電流帶來的熱效應(yīng) , 提高單次測(cè)量精度; 并且使用變幅值的調(diào)制序列 , 通過差分消除殘余調(diào)制信