半導體激光器自混頻干涉測距技術研究

1、半導體激光器自混頻干涉測距技術研究半導體激光器自混頻干涉測量技術是一種新的干涉測量方法 , 是指激光經過目標反射之后 , 一部分反射光重新耦合進入激光器諧振腔, 與原有的激光光場進行相干調制 , 并且改變半導體激光器的載流子密度以及增益, 從而引起輸出功率和結電壓的變化。 在此過程中 , 半導體激光器除了充當光源之外 , 還扮演著探測器、空間光濾波器和光放大器的角色。 因此 , 該技術有著單光路、 結構簡單、 自準直、便于集成、成本低廉等諸多優(yōu)點 , 已經在絕對距離、位移、速度、折射率、激光器線寬、生物成像等諸多測量應用中表現出巨大的潛能。目前, 在自混頻干涉測量應用中 , 大多數半導體激光器

2、需要精密電流源驅動 , 并且需要溫控進行恒溫控制。尤其在工業(yè)應用中 , 復雜的電磁環(huán)境和種類繁多的噪聲嚴重影響了自混頻干涉測量系統(tǒng)的性能, 系統(tǒng)信噪比難以滿足高精度探測的要求。本課題研究基于平衡探測的半導體激光自混頻干涉技術對不同噪聲源的抑制作用 , 提高系統(tǒng)信噪比增強其魯棒性和抗干擾能力。同時 , 針對光學探頭尺寸受到嚴格限制的測量場合,如測量微小空間的孔徑、孔深, 本課題將進行基于垂直腔面發(fā)射激光器的自混頻干涉光學探頭的設計與實現, 拓展半導體激光自混頻干涉測量技術的應用領域。首先 , 本文回顧了半導體激光器自混頻干涉測量技術的發(fā)展和當前關鍵性問題。針對雙面發(fā)射半導體激光器兩側自混頻干涉信

3、號相位相反的現象, 提出基于三鏡腔等效的雙面發(fā)射半導體激光器自混頻唯象分析模型, 推導出弱反饋下激光器兩側的自混頻干涉信號的解析表達式, 并分析了激光器前端的自混頻干涉信號的特點和物理過程, 即隨著注入電流的增加 , 半導體前端位置的自混頻干涉信號先逐漸減小 , 直至為零 , 后逐漸增大的過程。 同時 , 基于 Lang-Kobayashi 方程分析半導體激光器腔內的光子密度的變化 , 推導出弱反饋下半導體激光器兩側自混頻信號的解析式。 在此基礎上 , 分析半導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在自混頻干涉效應中的作用機理, 為半導體激光器自混頻干涉測量提供了理論指導

4、。此外, 建立實驗平臺 , 通過改變注入電流, 觀測半導體激光器兩側的自混頻干涉信號, 證明了理論模型中注入電流對半導體激光器自混頻干涉信號的影響作用。其次 , 建立了基于平衡探測的自混頻干涉測量實驗系統(tǒng), 并進行了絕對距離測量和振動測量。利用半導體激光器兩側自混頻干涉信號相位相反的特點 , 分別使用兩個探測器監(jiān)測半導體激光器兩側的輸出功率。在此過程中 , 詳細分析平衡探測技術的工作機理, 深入討論了分光鏡分光比的最優(yōu)方案和用于平衡探測的半導體激光器選擇依據。實驗證明 , 平衡探測能夠有效的消除絕對距離測量中的殘余調制信號, 并且對共模噪聲有明顯的抑制作用 , 即使對于隨機噪聲 , 平衡探測技

5、術將信噪比提高近3 d B 。另外 , 詳細探討了影響半導體激光器自混頻干涉測量的主要噪聲電流源噪聲的影響, 以及偏壓抖動、 強電磁輻射等噪聲源帶來的干擾, 證明了平衡探測技術對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的半導體自混頻干涉測量原理樣機。 建立了基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和雙路平衡探測的硬件平臺 ; 使用 Labview 作為上位機的開發(fā)環(huán)境進行編程, 通過插值快速傅里葉變換算法對干涉條紋的頻率進行估計, 分析了頻率偏移以及采樣率對插值傅里葉變換算法的精度影響 , 實現了絕對距離的實時測量功能。 最終 ,在15-260 cm測量動態(tài)范圍內，測量頻率為12 k Hz,獲得150仙m的單次測量精 度。該系統(tǒng)體積小、造價低、抗干擾能力強 , 為半導體激光器自混頻干涉測量的微小系統(tǒng)研制和復雜環(huán)境中測量應用奠定了基礎。最后 , 使用垂直腔面發(fā)射激光器作為光源, 實現無光學鏡頭的微小自混頻探頭的研制。通過半經典理論分析,擬合出波長與注入電流的三次方關系 , 采用電流整形方式補償由于注入電流帶來的熱效應 , 提高單次測量精度; 并且使用變幅值的調制序列 , 通過差分消除殘余調制信