（测试计量技术及仪器专业论文）半导体激光器干涉测量技术应用研究.pdf

摘要 半导佑激光干涉技术是以半导体激光器为j 毪澡，在传统干涉结掏的基礁上不 断创新，综合应用现代光电子学、信号处理、精密机械等多个领域的新成果而形 成的，是一种实用性强、应用面广的技术。作为高精度计量测试的主要手段之一， 不但可以用于几何量的测量，而且可以罔于非几何羹如力学量等的高精度测量。 结合光纤传感器，可以设计出具有准确皮高、菲接触、体积小、结构简单等优点 的测量系统。 本文在分析国内外研究现状和成果的基础上，利用半导体激光器外差干涉测 豢位移憨方法，开发了高精度魄珏力溺羹系统。该测蘸系统由压力一经移变换传感 器和由半导体激光器、光纤传输装置、光电探测器、处理电路、计辣机等构成的 干涉测量装置组成。该传感器具有结构简单，成本低的特点，使用不同的膜片， 传惑器可以实现不同量程和不同精度的扩展，以适用于不同的测量要求。另外， 通过光纾分潞器实现了多邋道的测量。通过秘诗算橇的通信，实现了对多台测量 仪器的监控。主要内容如下： 分析了半导体激光器干涉测量方法和调制方法，对外差干涉测量和注入电流 调谐徽了理论分析，透过对半导体激光嚣驰调谐特性秘温度特性静分轿，据毒了 半导体激光器光源系统的实验设计指标：注入电流的波动必须小于o 5 i a ，温度变 化应在o 1 的范围内。设计了温度控制，功率控制，锯齿波驱动电路，并对半 导体激光器的波长一电流特性、功率一电流特性避行了测量。 理论分据了自聚焦透镜鲍光束交换特性，设计了一种分段式囱聚焦透镜用于 扩束和耦合，实验证明可以极大地降低安装精度要求。 对弹性膜片进行了分析和比较，并对具有线性特性曲线的e 型波纹膜片的特 憔睦线逮看了测量，设计了压力传感器。 设计了由半导体激光器、光隔离器、单模光纤、光分路器、自聚焦透镜、光 电探测器组成的光路。j c = j 各个单元的特性进行了测量，给出了一些重要数据。 设计了半母体激光器的注入电流锯齿波驱动电路鞠信号处理电路，绘出了测 懋系统电路处瑾部分的原理圈及实验数据，并对结果避行了分千斤。编制了单片梳 拟合程序和与上位机通汛的程序；上位机软件实现了传感器管理、数据管理、图 形显示等功能。 最后，在位移相对测爨方法的基礁上黯缝对澜量方法进行了一些獗究。 关键词：半导体激光器外差干涉注入电流调谐光纤传熙器自聚焦 透镜波纹膜片 a b s 丁f 矾c t 1 1 1 es 咖i c o n d u c t o rl a s e ri n 概m 哪i sap r a c t i c a la i l d 耐d e l yu s e dt e c h n o i o g y 1 l l a 士锄p l o y ss e i n i c o n d u c t o r l 蝴觚db a s c so nm e 廿a d i 矗o n a l0 p t i c a li m e 血嘲 鲰m c 呲t a 妇ns h a p eb yi i l t e 掣a = t i n gn e w 卸h i e 、，e m c i l t so fm e 氏l d s 也缸i n v o l v e s m o d e r np h o t o e l e 嘶c s ，s i 鲫i a lp r o c e s s i l l g ，p r c c i m e c l l a l l i c s ，e t c a sam a i nm c 也o do f h i g h p r e c i s i o nm e 笛晡n 岛i t c a i lb e _ i l s e dt 0m e a s u r ea l g o r i ( h i nv a r i a b l e sa n d n o n - a l g o r i t i l l i l 嘣a b l e ss l l c h 够m e c h a l l i c sv 撕a b l e s u s i n gm a tt e c 王1 i l o l o g ya n d 矗b c r 叫i cs e l l s o r ，p e o p l ec a l ld e v e l o pn o “瑚t a c tn l e a s 岫gs y s t 锄sw h i c hh a v e h i g h e rp r e c i s i o n ，s m a l l e rv 0 1 砌e 舭ds i l l l p l e r 曲m c t i l r c o nt h eb 够i so f 觚a l y z i n g 也ep 托s e n td e v e l o p m e n to n 缸da _ b r o a d ，也i sp a p e r d e v e l o p sal l i g h p r c c i s i o np r e s s u m e a s 诚n gs y s t e m1 ，i t h 也e m i c o n d l l c t o rl a s e r i i i 锄f b r o m e t 够t h es y s t e mi 1 1 c l l l d e sap r e s s u r c d i s p l a c e m e n ts e l l s o ra i l di n t e i f 每r e n c e m e a s u r ed e v i c ec o n s i s t e do fs e i i l i c o n ( 1 u c t o ri a s e r ，o p 廿c a lr o u t c so ff i b e r ，p h o t o - c l e c 证c d c 喧c c t o 侣，p r o c e s s i l l gc i r c u i t sa n dac o m p m 旺t h es e n s o rh 鹋t l l es n d n gp o i z l 招o f s 脚l e3 饥l c t l l r c 觚dl o wc o s t u s i l l gd i 疵r e i l t 豇l l l ：l s ，也e 辩n s o r sr a n g e 姐dp r e c i s i o n v a r yt 0 丘td i 饪h 髓td e m a n d s m n m 吨h a 瑚硷lm e 船删嘲【n e mi sr e a l i z e db yu s i n go p t i c a l 丘b e rb r a i l c h i i l gd e v i c b yc o m m u n i c a t i n g 谢t ht i l ec o m p u t c r ；s e v c r a li i l s 乜瑚【脚t sc 雒 b em o i l i t 0 da 士m es 锄et i m e t h em a i nc o n t e n t si s ： 1 1 l i sp a p e r 姐a l y z c si n t e m m e 仃y 粕dm o d u l a t i o no fl d n m a k e sat h e 0 硎c a l a n a l ”i so f b c t e r o d y l l ci l l 耐b r e n c ea n di i n e a r _ 丘e q u e n c ym o d u l a t i o n b y 锄a l y z i l l gl d c h a r a c t e r i s t i c so fm o d u l a t i o n 如dt c m p e r a n 雌，t h e 舢g eo fc l | 饿眦( o 5 p a ) a n d t e m p 锄m ( o 1 ) i so b t a i n c d s 伽c i r c u i 乜s u c h 弱t e i n p e m t u r e 础l ，p 洲斌 c o m r o ia n dz i g z a gd r i v i n gc i f i m i ta r cg i v e ni nt h i sp a p e lt h ec h a r a c t e r i s d c so f w a v e l e n 酣b - c l | r r c i 止p o w e 卜c u r r c mo f l d a r em e 硒u r e d 1 1 1 ec h a r a c 僦i s t i c so fl do u i i ) u tb c 锄仃a n s f o m l e db yg r j n a 坤粕a l y z e d m c o r e t i c a l l y a2 s e 鲫e mg r 矾i sd e s i 弘e df o r 妇l 如b r o a d e n j n ga l l dc o 呻l 嘶ni s 班o v c db yr e l a t e de x p e r i m e n ：c st h a tm ed e v i c ec o u l dr e d i 舭鹤s e 血b l i n gr e 掣i i r 曲蝴怕 毋e a t l y h lt h i sp a p s e v e r a lk i l l d so fe l a s t i c 丘l i l 碍黜a l l a l y z e da i l dc o m p 删t k c h a r a c t e r i s t i c sc u r v eo fec o 删g 砷md i 印1 1 r a g mi so b t a i n e db ye x p 嘶m 口叱na l s o d e s i 霉1 st i 他s c t u f eo f 拙忙p r e s s u r es s o l 1 1 1 eo p t i cl e n g t hi sd e s i g l l e d nc o l l s i s t so fl d ，o p t i ci s o i a t o r ，s i n 掣em o d e 助e r ， o 砸c a 王舳e rb r a n c h i n gd e v i c e s ，g r i nk i l sa 1 1 dp h o t o ( 1 e 姒：t 0 c h 嬲蛾e r i s t i c so fe a c h 2 遵逮勰翅霸醛l l 强d 繇硅s o 封睦ei 蛰参翻盘麟薅鞋ai so 跌斑礤 辩酾v i n gc i 麟赴艚l d a n ds 泓8 l 伍es i 嚣a 王烨c e s s i 芏l g c i r 硼“i s 酾g 喇。t h e s c h e l 呦舡cd i a g r a mo ft 王l ec h 吼mo ft i n e 嬲 l r i n g 啪m ，t h ed a t a 斛通也e 锄a l y 尊i 嚣o f t 沁出t 鑫a 瓣v 朝艮& 董c 敦辫o g m m $ 鹬m e 鑫墨n g 掰氇g r 粕翦，c o 扛n 磁鲢e 矮娃gp 琊辫瓣， 鼯& s 。l s 撇a 薅a g e 瓣嫩弹蠼即m ，蠡挺搬就鳝麟o 撼搿锶蹿毪秘矗舒雒蕊勰丧窜帮魏g p f o g r a m 锄姆a l s og i v e n i l lm i sp a p e r a tl a s 毒b 鹊e do nt h 擗r e l a t i v em e 泌u r i n gl n e l i l o 氐s o m eg t t i d 王e so n 雠a b s o l m e 强囊瞄习蠹壤o f d i s p l 瓢爆鞋嚣蟪鑫鼯疆宙妇畦触 k e y 删d 8 ：s e m i c o n d u c t o ri a s e r ，h e t e r o d y n ei n t e r f e r e n c e ，l i n e a rf e q u e n c y 趣o d u l a 土主o n ，f i b e r 呻p t i cs e 8 s o = r 6 襄薹毪e 王a 沌i cf i l m 3 第一耄绪论 第一章绪论 1 1 半导体干涉测量技术 1 1 1 干涉测量概述h - 3 1 光学干涉测量是以光波干涉原理为基础的一门测量技术。该方法属于非接触 式测量，不会给测试物件待来表面损伤和附加误差等。而且，同一般的光学测量 技术相比，具有更高的测试灵敏度和精确度。因此，光干涉测量技术应用十分广 泛。 有三个因素有力地促进了干涉技术的发展： 1 ) 激光的出现及其在干涉技术中的应用； 2 ) 隔震条件的改善； 3 ) 干涉仪同计算机或微处理器的结合。 激光作为光源用于干涉测量产生了激光干涉技术，其在一定意义上继承、发 展了传统干涉的思想。由于激光具有良好的时间和空间相干性、亮度高、频率稳 定性和方向性好，彻底克服了传统单色光源对干涉仪的限制。激光干涉测量不仅 具有更高的灵敏度，而且大大增加了测量范围。光电转换器件及电子技术的应用 彻底改变了传统干涉条纹的处理方法，外差、准外差、自动记录，电子细分等技 术大大提高了干涉信号的处理精度和速度。“交流”干涉，即根据将有效信号谱搬 移到高频段的思想，使干涉信号的信噪比大大提高。干涉仪结构和信号处理方法 相应地取得了突破性的进步，使激光干涉技术得到了十分广泛的应用。 1 1 2 半导体激光干涉测量技术口。6 1 与其他种类激光器相比，半导体激光器有十分突出的优点，除了体积小、重 麓轻、转换效率高、省电等优点外，半导体激光器的制造工艺与半导体电子器件 和集成电路的生产工艺兼容，因此便于与其他器件实现单片光电子集成。半导体 激光器的激射频率可在较宽的范围内调谐，激射功率和频率可以方便、高效地进 行直接调制，且调制范围大。而且随着半导体激光器激射波长范围的扩展、光谱 特性的改善、阈值电流的降低、量子转换效率的提高、输出光功率的增加、可靠 性和使用寿命的提高等，半导体激光器的优越性更加明显。以半导体激光器为光 第一章绪论 源，以传统光干涉理论为基础，结合计算机或微处理器，逐渐形成了一个新的分 支：半导体激光干涉技术激光的出现，提高了光源性能。半导体激光器的使用， 使光源调制方便且减小了光源体积，降低了成本。结合计算机，又极大地提高了 干涉信号的处理速度。而传统干涉结构存在的普遍问题是：结构庞大、光路复杂、 不易准直。可以预料，干涉技术发展的趋势之一就是：在不降低精度的情况下， 干涉仪本身尽可能更加简单、紧凑、稳定。 半导体激光器干涉技术有以下几个特点： ( 1 ) 光源。半导体激光器能单纵模工作并且输出光频率可调谐，即输出光频率 可以很容易地通过注入电流的变化或改变活性区的温度来改变，而且在一定条件 下可以实现线形调制基础上的调制干涉。可以实现动态干涉，完成过去的干涉测 量方法很难完成或根本不能完成的连续位移等物理量的测量，不但具备其它激光 器的用途，还有更广泛的应用。 ( 2 ) 干涉仪结构。半导体激光器和光电探测器均为半导体工艺制得，很容易同 光纤耦合，使得光源、传输光路和光电探测器能最小损耗地连接起来，实现高集 成化。这就可以大大地提高抗干扰能力，是气体激光器所不能比拟的。同时，干 涉仪的结构可以多种多样，不受传统结构的限制。 ( 3 ) 信号处理。计算机和固态接受阵列等半导体器件的高速发展，大大地促进 了激光干涉技术的进步。主要标志就是高精度相位测量技术的进步，特别是由于 外差和连续相移干涉方法使得相位测量的速度和精度得到惊人的提高。在这些技 术中光程差的测量精度可以达到波长的百分之一甚至千分之一。 ( 4 ) 客观需求的大量提出，迸一步推动了研究的迅速发展和新技术，新方法的 出现，成熟以及在实用中的推广。 1 1 3 半导体激光干涉测量技术分类o 】 半导体激光干涉技术分可以为线性调制，正弦调制，合成波长技术，外腔调 制和全息干涉四大类。 ( 一) 线形调制：指利用半导体激光器激射波长随着某种因素线性变化而线 性变化的特性进行干涉测量的一类干涉仪。常用的方法是注入电流调谐，利用半 导体激光器注入电流同输出光频的线性调制关系，实现干涉测量，其优点是干涉 仪结构简单，信号处理直接，可以很方便地实现位移、距离、表面轮郭、振动等 物理量的测量 ( 二) 正弦调制干涉：是指激光器的注入电流为正弦变化的干涉仪，其实质 2 第一章绪论 仍然是线性调制。 ( 三) 合成波长调制：实质是利用小数重合法进行长度的高精度测量。合成 波长是指用两个或三个波长来合成一个远大于这几个波长中任意一个波长的光 束，利用这个等效于一个波长的光源作为干涉仪的光源。 ( 四) 外腔谐振干涉：是利用激光器外的反射、折射界面将激光器的输出反 射回激光器的谐振腔中，对激光器的输出光强和光波长进行调制实现测量的，是 高精度测量很有发展前途的一类方法。 1 2 光纤传感器 1 2 1 光纤传感器概述 1 2 】 将光纤作为传感元件的一部分代替原光学设计中复杂的光路，导致了以单模 光纤为基础的干涉系统得以引入和发展。光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随着 光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，它是以光波为载体，光纤为媒质，感知 和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波 传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点； 1 ) 抗电磁干扰、耐腐蚀、适用于火险高危等特殊环境。 由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒 质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各 种大型机电，石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能 方便有效地传感。 灵敏度高、响应快。 在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元 件利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。 其中有的已有理论证明，有的已经试验验证，如测量水生、加速度、辐射、温度、 磁场等物理量的光纤传感器，都有其独特的优点。 3 ) 信号易处理 光波易为各种光探测器件接收，可方便地进行光电或电光转换，易与高度发 展的现代电子装置和计算机相匹配。 4 ) 重量轻，体积小，外形可变。 光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可挠的优点，因此利用光纤可制 成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空、航天以及空间严格限 第一章绪论 制的场合的应用。 5 ) 低传输损耗 可以用于远距离测量。 6 ) 测量对象广泛。 光纤传感技术，经过多年的研究开发，对为数众多的被测物理量找到了相应 的传感方法和设计原理。目前，光纤传感器可以对位移、压力、温度、速度、振 动、液位、角速度等近7 0 多种物理量进行测量。 因而，光纤传感技术一闯世就受到极大重视，在众多领域都得到研究开发和 应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。融合光学、物理学、化 学、生物医学、精密机械、微电子和计算机等学科的光纤传感器技术的研究开发 一直受到世界各国学术界和研究机构的高度重视，己经渗透到军事国防、航空航 天、工矿农业、能源环保、生物医学、交通运输等各种领域。 1 2 2 光纤位移传感器概述【1 2 - 1 3 】 用光纤传感器可以对多种物理量进行测量，其中位移量的测量就是典型的而 且测量精度很高的方法之一。所以在测量中常见有将其它被测物理量转换成位移 量进行测量的办法，例如可以将压力、振动转换成膜的位移；也可将加速度转换 成重物的位移。这种方法结构简单，容易实现，所以位移测量成为其它物理量检 测的基础。因此在七十年代最 早研究的光纤传感器便是光纤位移传感器，目前，它正在工业、军事和医疗 等广大领域中发挥越来越大的作用。 常用的光纤位移传感器类型包括强度调制型、相位调制型和波长调制型。 强度调制型位移传感器以输出光强的变化来表示被测位移量。传感头结构与 检测设备一般不复杂，可以实现非接触、非破坏性测量，但测量范围与灵敏度不 高且抗干扰能力差。 相位调制型位移传感器通过光纤中光的相位变化来表示被测位移量。由于光 的频率太高，需要相干解调。光纤中光的相位对环境变化很敏感，这一方面使这 - 种传感器具有很高的灵敏度，但同时也有串音、易受如振动、温度等多种环境量 干扰的缺点 波长调制型位移传感器一般采用宽带光源，利用传感部分的选频特性来调制 出射光的波长，从而得到被测位移量的大小。由于光纤中光的波长很稳定，这种 方法有可靠性高，抗干扰能力强的特点。但是光谱的变化占用了很宽的信道，且 4 第一章绪论 一般需要光谱仪解调，因此传感头和解调部分复杂，成本也高。 1 3 课题来源及性能要求 对半导体激光器干涉测量技术应用研究来源于浙江省科学技术厅的科研开发 项目“防爆远程多通道压力测量系统研究”，项目编号为( 0 1 1 1 0 1 0 3 2 ) 。 性能要求： 1 ) 系统的压力测量分辨力优于5 5 p a 。 2 ) 绝对测量误差小于“2 p a 。 3 1 精度达到o 4 。 因为常用的压力测量方法除机械式压力表外主要有应变式压力传感器和压电 式压力传感器，这两种方式均为带电传感器，不宜在易燃易爆场合应用，而一些 机械式压力表( 计) 有的不宜在生产现场使用，有的无法实现远距离集中测量与 控制。目前不少自动化连续生产的化工、炼油、医药等行业已逐步实现集散控制 系统，因此，压力的测量还留有隐患 、 使用光纤压力传感器与传统压力传感器相比，有其独特的优点。利用光波传 导压力信息，不受电磁于扰，电气绝缘好，耐腐蚀，无电火花，可以在高压、易 燃易爆的环境中测量压力、流量、液位等。它灵敏高度，体积小，可挠性好，可 插入狭窄的空间是进行测量，因此而得到重视，并且得至迅速发展。 本文的研究内容主要包括：利用激光干涉测量位移方法实现高精度的压力测 量；利用光纤传感器实现远程及易燃易爆的环境中的测量i 利用光电检测电路和 计算机实现信息的自动处理和远程监控。 第二章半导体激光干涉测量方案选择 第二章半导体激光干涉测量方案选择 由上所述，半导体激光器干涉测量技术具有精度高，成本低，小型化及集成 化等优点，所以使用半导体激光器是现实的选择。而合成波长干涉法和外腔谐振 干涉结构比较复杂，光学元件较多，较难调整，温控和稳频要求高等缺点不宜用 于现场测量。综合以上考虑，半导体激光器线性调制干涉测量在满足高精度的前 提下，可以做到小型化及现场使用，成为理想的方案。 2 1 总体方案设计 半导体激光器线性调制干涉方法测量位移的总体方案如下图所示： 自聚焦透镜 图2 1 总体方案框图 卜- i 反射镜 系统由半导体激光器，光隔离器，光纤分路器，自聚焦透镜，反射镜，光探 测器组成。受锯齿波( 或三角波) 调制的半导体激光器发出的调频光经光隔离器，y 型光纤分路器后，由自聚焦透镜准直后平行射出。反射镜反射回的光束通过自聚 焦透镜耦合回光纤，经过光纤分路器到达光探测器，和自聚焦透镜出射端面反射 回来的光束在光电探测器处发生干涉。光纤分路器、自聚焦透镜、反射镜、光探 铡器组成了一个斐索型共光路干涉仪f 1 4 1 5 l6 】。 弹性膜片把压力转换为膜片的位移，反射镜安装在弹性膜片上和膜片一起移 动，反射镜至自聚焦透镜的距离发生变化，由干涉仪检测出位移的变化量，通过 单片机转换为压力，实现压力的测量。由于光干涉铡量位移的高精度，实现压力 测量的高精度。 6 第二章半导体激光干涉测量方案选择 2 2 半导体激光器调制理论 2 2 1 半导体激光器调制方法及选择阱_ 3 0 1 影响半导体激光器发射波长的因素很多，如腔长、温度、能隙、增益、载流 子浓度、折射率等。半导体激光器的波长调谐就是通过特殊的结构来改变上述因 素中的一种或几种，从而改变半导体激光器的发射波长。 半导体激光器的波长调谐有主要以下几种： 1 腔内色散调谐【2 3 2 4 1 ：腔内色散调谐是采用在激光器腔内插入色散元件将不同波 长的激光在空间分离，设法使所需频率的光在腔内形成振荡，其他波长的光束因 不能反馈而被抑制掉，从而实现半导体激光器的波长调谐，这与传统激光器的波 长调谐方法一致。比较典型的腔内色散调谐波长调谐方法有：棱镜调谐，双折射 滤光器调谐，光栅调谐，f - p 标准具调谐。 2 泵光分布增益调谐瞄 2 4 ，2 5 】：应用多段电注入的“增益杠杆一效应，改变电流注 入的大小实现波长调谐，增益杠杆效应，如图2 2 所示，适用的对象是多段电注 入量子阱激光器。 当控制段电流增大时，会把其它段的注入载流子密度往下拉。若控制段长度 小于总长度的一半，虽然控制段电流在增加，但是由于增益饱和及增益杠杆效应， 使总的平均载流子密度反而减小这导致了波长往长波方向移动。由于量子阱激 光器在闽值以上具有增益筘位的特 点，增益箝位要求： 坛“) + ( 1 一晟k 0 ：) = g 。 ( 2 1 ) 又由于量子阱激光器的g ( ，1 ) 曲线有 明显的非线性特性。所以，分别泵浦 时如果l 区的注入电流改变，则该区 的载流子浓度g ( ) 发生改变，增益 箝位要求9 0 ：) 产生相反方向的变 化，由于g ( 一) 曲线的非线性特性， 西f ) 的变化可能引起平均载流子浓 度发生很大的变化。发射波长与平均 载流子浓度有如下依赖关系： 图2 2 增益杠杆效应示意图 o c 万= 砌l + ( 1 一咖2 ( 2 2 ) 3 注入锁定调谐：由一个激光器( 主振荡器) 产生性能优良的微弱光信号并注入 7 第二章半导体激光干涉测量方案选择 到另一个激光器( 从激光器) 获得光放大。注入锁定调谐从激光器增益较低，而 注入的光信号较强，这时，当注入信号频率u 很靠近从激光器的自由振荡，则 在激光振荡过程中，注入信号的强度远大于自发辐射噪声，它在与激光器自由振 荡模式的竞争中具有优势，结果使振荡模式的频率跃变为u ，而频率为u 的自由 振荡模式被抑制，输出光束的频率由外注入信号决定。这样改变外注入光信号的 频率就可实现注入锁定调谐。但是，在注入信号频宽比从振荡器的纵模频率问隔 小的情况下，要有效的实现注入锁定，主振荡器和从振荡器之间的腔模匹配是产 生注入锁定的必要条件，因为只有在这种情况下，才能使注入场与它靠近的纵模 场发生共振作用，迫使该模起振，注入足够的种子功率密度，保证小的失谐量和 适当的开关时间是实现注入锁定调谐的重要条件。 自注入锁定是利用腔内的一台激光器本身产生的种子信号自注入到腔内而 实现再生放大，种子光源产生较为微弱的单纵模激光，该种子光源的频率和腔的 谐振频率相同，当它自注入到腔内时，将整个激光器的单纵模工作波长锁定在种 子光源的波长处，输出的单纵模激光的线宽比种子光源的线宽窄而功率却大得多 4 温度调谐【2 邸叫】：半导体激光器与其他传统激光器相比，输出光功率和频率受 温度和注入电流的影响显著。因此半导体激光器的波长调谐可采用温度调谐和注 入电流调谐。一般来说，其波长一温度曲线有很好的线性，能够通过温度的改变精 确地控制波长，但是温度调制速度较慢。温控调谐可以使半导体激光器的输出功 率保持恒定，温度变化电路是温控系统的关键。在半导体激光器中，温度和能隙 之间存在着依赖关系，有以下经验公式【4 j 也扩) = e p 一4 r 2 ，盯+ b ) ( 2 3 ) 式中，e ( o ) 为绝对零度时的能隙，4 和嚣为经验参量，能隙的变化又引起波长的 变化： 如南 、 q 舢 e 。扩j 、 所以通过控制有源区的温度，可以改变半导体激光器有源区的能隙，从而使出射 波长得到调谐。 5 注入电流调谐翔1 2 7 0 9 】；利用改变半导体激光器的注入电流也可以改交波长。 电流调制可以达到很高的速度，但是，波长被调制的同时，光强也被调制。对于 一般的半导体激光器，其典型的波长电流调制率为o 0 1 衄妇a ，而光功率电流 调制率为0 3 m w 佃a ，改变电流对光强影响较大。其调谐机理可以解释为：注入 电流的变化引起载流子浓度改变，从而改变了折射率( 或改变增益系数) ，实现波 长调谐。 8 第二章半导体激光干涉测量方案选择 由于注入电流调谐方式简单。便于利用成熟的电路技术，灵活调整，可做到 小型化，成本也较低，所以一般采用电流调谐方式。 2 1 2 半导体激光器注入电流调制特性2 】 不同半导体激光器的注入电流调制特性略有不同，利用其作为干涉光源，必 须清楚地了解调制特性的各个方面。 l 、注入电流调制特性。 根据注入电流调制频率的高低，可以将半导体激光器的输出光频特性分为两 个区域：当电流调制频率小于l o m h z 时，输出光的频率偏移主要是由工作区温 度变化而引起的，此时输出光频率随调制电流线性变化；在大于l o m h z 时，主 要是由载流子效应引起的，这时输出光频与电流的关系不再是线性的了。 当半导体激光器的注入电流发生变化时，输出的光频特性将随之变化。 ( 1 ) 当注入电流大于半导体激光器的阂值后，输出光为激光。 c 2 ) 根据注入调制电流频率的大小，可将半导体激光器的输出光频特性分为线形 区和非线性区。 ( 3 ) 注入电流增加，输出光功率增大，谱线宽度变宽，相干长度增大。 4 ) 注入电流的增加是有一定限制的，最高工作电流不应超过闵值电流的四倍， 否则器件会迅速老化。 ( 5 ) 注入电流大于阈值后，随着电流值的增加，会有模跳变现象发生。任意两个 相邻跳模间的线性区域不同，调制系数也不同。 罄 翥 亭 毫 半导件激光器的p 4 特性 图2 3 半导体激光器注入电流调制特性 2 、温度特性 温度对半导体激光器的特性影响很大，一般单纵模半导体激光器发射光频率 9 正向电流、日 第二章半导体激光干涉铡量方案选择 随温度漂移为2 0 句o g h z ，在一2 叽5 0 范围内，温度变化系数为0 2 n m ，而 在注入电流调制下输出光频变化为5 g h z l l l a 。比较而言，温度对半导体激光器的 影响要比注入电流的影响大得多。为保证半导体激光器在注入电流的调制下正常 工作，在绝大多数场合，都需要严格控制其温度。从输出光频的数量级考虑，温 度变化应控制在o 0 5 以内，特殊需要时要求可能更高，以保证注入电流调制半 导体激光器时，温度的影响可以忽略。半导体激光器温度的变化是一个缓慢的漂 移过程。从控制角度来说，是一个典型的一阶滞后环节。因此，对其进行控制时， 采样速度的要求并不高，当精度应满足要求。同时，为来保证高精度控制温度， 执行机构的频响应较高。 3 、光束特性 半导体激光器输出的激光的波长范围可在4 8 0 n m 之u m 之间，而且输出波长 随温度的变化而变化，温度越高，波长越长。它的光束结构是椭圆对称的而不是 圆形对称的，因此具有高质量输出的半导体激光器有两个发散角，它们的比称为 纵横比。这个值越接近l ，光束越圆，一般口比较大，不随温度变化而变化，巩 比较小，随温度变化而变化。与传统激光器相比，半导体激光器的谱线比较宽， 相干长度与谱线宽度成反比，这限制了半导体激光器在大距离测量中的应用。 2 2 半导体激光器线性调制相干理论 2 2 1 外差干涉基本原理 当两柬在同一方向上传播的振动方向相同，振幅相等而频率相差很小的单色光 波相叠加时，就会产生光学上有意义的“拍”现象。合成波的振幅变化缓慢而场 振动变化极快，强度随时间和位置在o 和4 a 2 之间变化，a 是单个光波振幅。这种 强度时大时小的现象称为拍。设两个频率分别为h 和v ：，振动方向相同的线偏振 光场如下式所示： ， 爿，( ，f ) = q ( ，) e x p - ， 2 万h f 一仍( ，强 ( 2 5 ) 一2 ( ，f ) = 吒( ，) e x p _ ，【2 删：f 一仍( ，娜 ( 2 6 ) 叠加后形成的光强分布为： ，( ，f ) = 1 4 ( ，f ) + 彳2 ( ，f ) j ，7 、 = 砰( ，) + 口；( ，) + 2 q ( ，) 口：( ，) c o s 2 厅( v 2 一v l ，一阮( ，) 一吼( ，灌 如果两偏振光束偏振方向的夹角为口，则合成强度为： 1 0 第二章半导体激光干涉测量方案选择 ，( ，f ) = 4 ；( ，) + 口；( ，) + 2 q ( ，) 口2 ( ，) c o s 口c o s 2 石0 2 一v l y k ( ，) 一纯( ，) 蚤( 2 8 ) 上式表明，合成强度为两光束各自的强度和一个以两束光的频率差为频率随时间 做正弦变化的强度组成。两柬光波的相位差表征在交流变化的强度项的初相位上 这就预示着一种通过测量交变量的初相位提取两光束相位信息的方法，一般称为 外差干涉测量【t 嘲。 外差测量中，任一点处两束光的相位差值的探测只需要利用该点交变的强度 值，这是个点测量过程，有别于一般干涉测量中必须利用整个测量场强度的空间 分布来测量的过程。由于两束光波的振幅和相位分别表征在该点交变强度的振幅 和初相位上，光波的振幅对相位检测的影响非常小，这就使外差测量成为一种精 度非常高的测量技术，测量的精度由电子相位测量系统的精度和环境稳定性决定。 2 2 2 半导体激光器线性调制外差干涉 半导体激光器输出光频率随外部因素而线性变化，以三角波为例，设激光频 率有国的线性变化，三角波周期为正，调制率为口= 2 叫z 。如图2 - 2 所示， 通过光纤耦合器的光束在自聚焦透镜出射端面部分反射作为参考光由光探测器接 收，部分透身争光被反射镜反射后经自聚焦透镜耦合回光纤作为物光由光探测器接 收。设参考光束的频率在一个周期内为： 。例 = 。意篇嚣 旺， 物光和参考光场在自聚焦透镜出射端面分束时频率相等，由于物光和参考光有时 间差f ：2 d ，c ，d 为自聚焦透镜到反射镜的距离，c 为光速。因而这时两束光有了 频率差，如图2 4 所示。 忒喜交捻弋；夕舻冬吣幺翟 i、舯 ： 图2 - 4 三角波调频示意图 会合处两光波的电矢量分别可表示为： 第二章半导体激光于涉测量方案选择 e ( ，) = 4 ( ，) 麟p u 肼) = 4 麟p u ( f + 印甜2 ) 】 ( 2 】o ) e ( f ) = 以( r ) c x p u ( f 一力】= 以( r ) c x p l ，( ( f f ) + ，7 口( f f ) 2 ) 】 ( 2 1 1 ) 式中4 p ) ，4 ( r ) 为物光和参考光振幅，f 为e ( f ) 相对于e ( f ) 的时间延时。于是光 电探测器接收到的光强为： j = 4 ；( f ) + a ：( f ) + 2 a ，( f ) 以( f ) c o s ( ，7 国，+ 缈6 7 7 口f 2 ) 式中拍频和相位钆可分别表示为： 吼2 撕= 半等 吼= f = 2 d ，c 式中，7 盯2 “f 可以忽略不计。信号如图2 - 5 所示： a ) 示意图b ) 实际信号图 图2 5 半导体激光器线性调谐拍频波形 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 可见，有二种途径可以测得位移d 的变化量：拍频信号频率测量和拍频信号相位测 量。 由于振幅4 ，( f ) 和以( f ) 一般同时被三角波调制，在信号处理过程中可以用除 法器消除这种影响，将其视为常数，爿，( f ) = 爿，以( f ) ；a 此时 邝，= 彳c o s c 玎，+ 纯， ：! - 。一裂；美笼 c ：耶， 式中4 = 2 4 ，4 。，以上描述的是一个周期内的信号变化情况，对整个时域 一sr 忡有： z f o ( t ) = 上弋 ，。 l 口刁f9 ，l z 图3 - 4 半导体激光器功率控制电路 1 7 第三章半导体激光器于涉测量用于防爆远程多通道压力测量系统的研究 稳压电源，它可作为标准电压通过比较放大器a 2 送到比较放大器a 3 的另一个输 入端。这样a p c 电路的工作情况如下：一方面半导体激光器输出功率降低导致 a l 输出电压降低，将这个电压送到比较放大器a 3 的一个输入端；另一方面，由 直流参考电路送出一参考电压经a 2 送到a 3 的另一输入端做比较，然后由a 3 产生 一个正的输出电压送到电流源，使电流源输出电流增加，从而使半导体激光器的 注入电流增加，输出光功率稳定。 由于每个半导体激光器的调制特性不同，所以使用其作为干涉测量光源时必t 须对其参数进行必要的测量，半导体激光器特性参数如表3 1 ，表3 - 2 ，表3 3 所 示： 表3 1 半导体激光器特性参数： 典型技术指标( 2 5 ) 参数最小典型最大单位测试条件 阈值电流r m 1 53 0m a 出纤功率p 0 1m w i 产i 山+ 3 0 m a 中心波长 。 1 4 9 51 5 1 01 5 2 5册 p 0 - l m w 边模抑制比s m s r 2 53 0od b p o = o 2 mw p 0 = l m w 表3 2 半导体激光器输出光功率电流关系测量数据 电流功率图 3 1 5 44 1 0 7 0 3 1 7 4 4 2