（精密仪器及机械专业论文）垂直腔面激光器自混合振动传感的应用研究.pdf

中文摘要 光学传感测量是一种非接触式测量，具有高精度，稳定性好等优点，在精密 测量领域发挥着重要的作用。在众多的光学测量中，以激光干涉法应用最为广泛。 近年来以垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 作为新兴的激光光源受到了人们的广 泛关注，以其发射角小、极短的光学谐振腔易于实现动态单模工作、极低的功耗 等优点已经成为光学信息处理、光通讯的主要光源。v c s e l 加速了激光自混合 干涉( s m i ) 技术的应用发展，自混合干涉的主要优点是系统简单、结构紧凑、 易准直，解决了传统干涉光路的复杂、尺寸大的问题。 本文对垂直激光器自混合技术进行深入研究，主要研究内容包括以下几个 方面： ， 1 用三镜腔模型和激光速率方程深入研究了激光自混合效应的基本理论， 建立了自混合干涉的数学模型，为后期的实验和分析奠定理论基础。 2 建立单模v c s e l 自混合测振实验装置，设计系统的光电信号处理电路。 采用单模v c s e l 代替普通半导体激光器，使得外部光路简单紧凑，提高了 测振精度。 3 研究了外腔振动下的自混合信号的特点。通过改变振动源的频率、振幅 和波形进行振动传感测量实验，观察到了相应的自混合干涉信号，并对实 验结果进行了理论分析。 4 基于信号的统计特性，利用短时傅立叶变换获取自混合信号的时频分布 特征。 5 根据傅立叶变换的信息，利用比值法对频谱进行校正。 6 根据表征信号奇异点的特征，对多普勒信号脱落引起的频率奇异点进行 跟踪识别，并拟合修正，进一步提高信号时频分布精度。 7 采用扬声器作为振动源，通过一系列对比实验，定性分析系统测试性能。 关键词：v c s e l 自混合干涉振动测量傅立叶变换小波变换 a b s t r a c t o p t i c a ls e n s i n ga n dm e a s u r i n gt e c h n o l o g i e sa r en o n - c o n t a c t e d ；t h e yh a v ea l o to f a d v a n t a g e ss u c ha sh i g ha c c u r a c y , p e r f e c ts t a b i l i t y , e t ca n dp l a ya ni m p o r t a n t r o l ei nt h e f i e l do fm e t r o l o g i c a lm e a s u r e m e n t so fv a r i o u so p t i c a ls e n s i n ga n dm e a s u r i n g m e t h o d s l a s e ri n t e r f e r o m e t r yi st h em o s tw i d e l yu s e d v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n g i a s r s ( v c s e l ) a san e wl a s e rl i g h ts o u r c eh a sr e c e i v e dah u g ea m o u n t o fa t t e n t i o ni n r e c e n ty e a r s v c s e lh a v eb e c o m et h ei d e a ll i g h ts o u r c e sf o ro p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g a n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nb yt h e i ra t t r a c v t i v es u c ha sl o we m i s s i o na n g l e ，i n h e r e n t s i n g l el o n g i t u d i n a lm o d eo p e r a t i o nd u et o s h o r t o p t i c a lr e s o n a t o ra n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o n v c s e la c c e l e r a t et h ea p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n to fl a s e rs e l f - m i x i n g i n t e r f e r e n c e ( s m i ) i t sm a i na d v a n t a g e si n c l u d es i m p l i c i t y , c o m p a c tc o n f o r m a t i o na n d e a s ya l i g n m e n tp r o v i d i n gab e t t e rs o l u t i o nt ot h ep r o b l e m so fc o m p l e x i t ya n dl a r g e s i z eo ft h ec o n v e n t i o n a li n t e r f e r o m e t r i cs y s t e m s t h em e c h a n i s ma n dt e c h n o l o g yo ft h es m ib a s e do nv i b r a t i o ns e n s i n ga n d m e a s u r i n gh a sb e e ns t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yi n t h i st h e s i s t h em a i n c o n t e n t sa r ei n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fs e n s i n gt e c h n o l o g yh a v eb e e nd e s c r i b e db a s e do n t h es e l f - m i x i n g ee f f e to fl a s e rd i o d eu s i n gt h r e e h a i r r o rm o d e la n dr a t ee q u a t i o n i th a sl a i dt h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rt h el a t t e rp a r to ft h ee x p e r i m e n ta n d a n a l y s i s 2 s i n g l em o d ev c s e l l a s e rd o p p l e rv i b r a t i o ne x p e r i m e n t a ls e t u pi sc o n s t r u c t e d a n do p t o e l e c t r o n i cs i n g a lp r o c e s s i n gc i r c u i t so ft h es y s t e mi sd e s i g n e d t h e p r e c i s i o nv i b r a t i o nh a sb e e ni m p r o v e df o ru s i n gs i n g l em o d ev c s e l i np l a c eo f c o m m o ns e m i c o n d u c t o r 3 t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es m io ft h ee x t e r n a lc a v i t yv i b r a t i o nh a sb e e ns t u d i e d t h ev i b r a t i o nm e a s u r i n ge x p e r i m e n t sh a db e e nc a r r i e do u tb yc h a n g i n gt h e f r e q u e n c y , a m p l i t u d ea n dw a v e f o r mo ft h ev i b r a t i n go b j e c t ，r e s p e c t i v e l y t h e c o r r e s p o n d i n gs m is i n g a l sh a db e e no b s e r v e de x p e r i m e n t a l l ya n dt h ee x p e r i m e n t r e s u l t sh a db e e na n a l y z e d 4 o nt h eb a s i so fs t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i co fs i g n a ls h o r tt i m ed i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r mh a sb e e nu s e dt oo b t a i nt i m e - f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no f d o p p l e rs i g n a l 5 a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o no ff o u r i e rt r a n s f o r m ，r a t i or e g u l a t em e t h o dh a s b e e ne m p l o y e dt oc o r r e c tt h ef r e q u e n c yo fm a x i m u ms p e c t r u mi nt h er e s u l to f d o p p l e rs i g n a l sf o u r i e rt r a n s f o 彻 6 a c c o r d i n gt ot h es p r e a dc h a r a c t e r i s t i co fs i n g u l a rp o i n t sm o d u l u sm a x i m u m f r o mb i gs c a l et os m a l l ，t h ef r e q u e n c ys i n g u l a rp o i n tc a u s e db yd o p p l e rs i g n a l s d r o p o f fc a nb ei d e n t i f i e d t h ea c c u r a c yo ft i m e f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o nc a nb e i m p r o v e d 7 t h es y s t e mu s e sas p e a k e ra st h es o u r c eo ft h ev i b r a t i o n i th a sb e e na n a l y s i s e d t e s tp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mt h r o u g has e r i e so f c o m p a r a t i v e e x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：v c s e l ，s e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e ，v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ， f o u r i e rt r a n s f o r m ，w a v e l e tt r a n s f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：首向姝 签字日期： 1 年多月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文饩者躲对通映 签字日期： 叼 ，) 年j ( 月7 日 u矿 导师签名：毛嚷先二一lu 签字吼叼年6 月 争日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 激光测振的研究现状 第一章绪论 近年来，随着微机械技术和精细加工工艺的飞速发展及大量应用，物体的微 小位移与振动的精确测量已经引起人们广泛的重视。光学测量作为其中一种重要 的非接触式无损测量技术，具有结构简单、精度高、抗电磁干扰、动态范围大、 耐高压、耐腐蚀、能在恶劣环境下可靠运行等优点，在计量测试技术领域中一直 占据主导地位。 常用的光学振动测量方法有全息法、激光三角法、干涉法、激光多普勒效应 法、光纤与微机电( m e m s ) 法和散斑法等。下面将简单介绍这几种方法： ( 1 ) 全息测振法 全息法【l 2 1 是将相干光束的一部分作为参考光波，其余部分投射到物体上并 被其反射作为物光波，两光波相遇产生干涉，所形成的干涉场反映了被测物体的 振动情况。全息干涉测振可以对整个振动面上的点位置进行测量，通过比较不同 时刻的全息干涉图，就能够描绘出被测振动面上各点的振动情况。其最大特点就 是可以进行面测量，同时获得多点的数据。由于全息干涉法需要对全息图照相及 冲洗等处理，操作过程复杂，再加上条纹图的处理极其费时，不能实现实时测量， 实际应用比较困难。 ( 2 ) 激光三角测振法 激光三角澍1 2 j 是利用几何光学成像原理，将激光器发出的光经发射透镜汇 聚于被测物体表面形成入射光点，该光点通过接收透镜汇聚于光电探测器上，形 成像点，使用对位置敏感的传感器( 如位置敏感元件p s d 、c c d 等) 就可接收 到这一信息。当入射光点与该光学结构产生相对入射光轴方向的振动或位移时， 引起像光点在感光面上发生位移，从而引起光电探测器输出电信号的变化，根据 电信号的变化量可求出像点唯一的变化量，通过信号处理可得到被测目标位移或 振动信号。 这种方法具有非接触、结构简单等优点，发展比较成熟，特别适用于工业现 场安装使用。由于像点的变化量与光电探测器感光面的有效长度成正比，并与光 电流的变化量有关，因此该方法的测量范围和分辨率受限于光电探测器的尺寸和 天津大学硕士学位论文第一章绪论 灵敏度。另外，该方法的工作距离受限于发射透镜的焦距，因此不适于测量远距 离处的微小振动。 ( 3 ) 激光散斑测振法 激光散斑振动测量技术【l 巧】是利用激光的高相干性，当激光照射到物体粗糙 光学表面时将产生散斑场，该散斑场是被测物体表面信息的载体，记录下该散斑 场并利用数字图像处理技术，就能以干涉条纹的形式得出被测信息的等高线，通 过条纹判断便能得出振动物体的位移。在散斑干涉法中，为减少环境扰动的影响， 一般采用多帧干涉图取平均的方法，但这并不能从根本上解决扰动问题。如不引 入参考振动，利用散斑干涉法只能对物体的振动特性进行定性分析，若要对振动 进行定量分析，则需要在参考光路中引入与振动源同频的正弦调制，且测量误差 较大，因此散斑干涉法适用于测量频率已知的振动信号，实现对物体振动特性的 分析，故该方法测量应用范围和精度有限。 ( 4 ) 光强测振法 光强测振法1 2 - 6 是利用被测目标相对投射光束，或反射光束相对探测光路的 位置变化导致探测光强的变化来探测振动。该方法既可以是接触式的，也可以是 非接触式的。由于光强法具有结构简单、信号处理方便、成本较低等优势，使得 这种方法在各种场合都有广泛应用。近年来，光强法与光纤的结合日益紧密，光 强法的简单与光纤的灵活相结合，进一步拓展了应用领域。光强法的主要局限在 于光强易受光源和外界环境干扰的影响，精度不高。目前，光强法测量振幅的分 辨率一般在微米量级，测量范围在1 - 1 0m m 。 ( 5 ) 激光多普勒效应测振法 一 多普勒测量【2 3 j 无须干涉仪组件，可精密装配。多普勒频移与被测速度矢量 呈线性关系，不受环境条件影响，适于研究任何复杂的物体运动。因此，激光多 普勒技术也是一种高精度动态测量方法。通常多普勒信号都是从被测物体的散射 光中获得的，信噪比低，且包含有光源、运动速度、接收器之间的角度因素，会 引入较大的测量误差。对振动特性( 如振幅) 的计算方法通常是，信号中的每一个 差拍波对应一个位移当量值，通过对相邻两个翻转点之间的差拍波的个数进行计 数获得被测振幅，这种方法不能得n 4 , 于当量值的位移，其测量分辨率很低。林 德教等人提出了基于位移测量正弦差拍波的细分方法来提高测量分辨率，但当测 量振动时差拍波不再是正弦信号，这种方法会产生相当大的误差。 ( 6 ) 光纤与m e m s 测振法 光纤的应用使光电振动传感器f 1 一一5 1 的结构布置更加灵活，抗干扰能力大大 提高。光纤可将光束经过各种路径导入到被测目标上，很适合复杂结构空间和环 境条件下的振动传感测量。前述的各种测量方法都可与光纤结合，构造出各种各 天津大学硕士学位论文第一章绪论 样的光纤传感器。光纤不仅可以作为光传输介质，还可直接作为敏感元件来感受 振动。 ( 7 ) 干涉测振法 传统干涉法1 2 】是指迈克尔逊干涉法、马赫曾德干涉法等传统原理和光路结构 的干涉方法以及它们的变形。在传统干涉测量方法中，迈克尔逊干涉法是最常用 的。在振动测量中，该方法也是使用最广泛的。在最近对传统干涉测量方法的改 进中，主要侧重于抗干扰能力的增强、精度的提高以及简化易用。在对振动进行 测量时，如何实时地消除干扰和进行补偿一直是一个主要问题，因此，多波长、 多偏振态、多位相差等处理方法得到了应用。外差干涉是消除外界扰动的有效方 法，也是普遍采用的方法。干涉法是以波长为单位的非接触精密测量方法，应用 范围广，同时也具有极高的重复性。使用该方法可以对微小振动进行高精度测量， 但由于它的高灵敏性使环境扰动的影响非常突出，尤其在光程质量不理想时，测 量将无法进行。另外，在用干涉法对振动进行测量时，大多数是将光束正入射于 物体表面，并将其反射光作为检测光与参考光相遇形成干涉场，再对干涉场进行 处理得到所要测量的振动信息。但在实际应用中很难保证入射光垂直于被测物体 表面，再考虑目标物体表面的不平整，由目标物返回的检测光与参考光将不能很 好的重合，如果两束光偏差太大就不能形成干涉，这将使测量无法进行。为了解 决这一问题，人们先后发明了机械式位相调制补偿法、光波频率调制补偿及将光 调制和机械补偿相结合的方法。 1 2 激光自混合干涉的理论与研究进展 近年来，随着激光自混合干涉技术的研究，激光自混合干涉技术越来越引起 各国学者的关注。激光自混合干涉( s e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e - - s m l ) 是激光干涉 技术中的一种，是指在激光应用系统中，激光器输出光被外部物体反射或散射后， 其中一部分光又反馈回激光器谐振腔，与腔内光混合后，调制激光器的输出功率， 因输出信号特点与传统的双光束干涉信号有相似之处，故被称为自混合干涉。激 光s m i 技术可用于位移、速度、距离和振动测量。由于系统仅有一个干涉通道， 结构简单、紧凑，且系统易准直，解决了激光干涉系统尺寸庞大、光路复杂等问 题。特别是引入光纤耦合后，系统光路更易准直，且信噪比大大提高。激光自混 合干涉振动测量与传统的干涉仪具有相同的相位灵敏度，通过对s m i 信号的解 调可以获得很高的测量精度。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 激光自混合干涉技术的概述 1 9 6 3 年，k i n 9 1 3j 等人首次在实验中发现可动外部反射镜的反馈光会引起一个 气体激光器的光强波动，并且波动信号移动一个条纹时对应外部反射镜半个光波 波长的位移。随后人们发现在很多激光器系统中，激光器输出光被外部物体反射 或散射后，其中一部分光又反馈回激光器谐振腔内，如光学元件、物体表面等许 多外界因素都会对激光器产生光反馈，这些反馈光会严重影响激光器的输出特 性，且反馈光达到一定强度时，会引起激光器光功率波动甚至激发波长改变、光 谱线宽展宽等变化，对激光器工作性能带来极其严重的不利影响，这种效应即被 称之为激光自混合效应。 最初人们总是在设法消除这种影响，但随着研究工作的深入，人们发现外界 光反馈也可能产生提高激光器纵模的边模抑制比、调谐激光器出射光频率、压窄 光谱线宽等有利的影响。尤其是反馈光同时携带了外界反馈面的速度、位移等信 息，并在自混合效应中体现出来；利用这种特性可以实现物体运动速度、位移、 振动等物理量的测量。又因为激光自混合信号的特点与传统干涉有相似之处，这 种基于激光自混合效应的现代测试技术即被称之为激光自混合干涉技术。 激光自混合干涉技术的优势主要在以下几个方面： 1 除激光光源外，不需要外部的光分束器件，结构更简单、更经济、更紧 凑。利用半导体激光器内置探测器( p h o t o d i o d e ) 即可实现激光自混合信号 的检测。 2 测量范围不受激光器相干长度限制。 3 在适度反馈水平下，自混合信号转变为不对称的类锯齿波形，倾斜方向 随反馈物体运动方向变化。这使得利用自混合波形的不对称性直接实现速 度方向的判别成为可能。 4 系统灵敏度很高，可以探测n m 量级位移或振动信号。 5 不接触被测物体，可实现对粗糙漫射固体或液体表面的信息测量。 综上所述，激光s m i 技术是一门新兴的干涉测量技术，它可用于位移、振动 和速度测量，从而形成一个崭新的有深远应用前景的领域。经过与其它各种振动 测量方法相比较，s m i 测量具有以上诸多优点，所以本课题选用激光s m i 技术来 实现振动传感测量。 1 2 2 自混合干涉的理论研究进展 最早观察到的s m i 现象仅表现在激光功率的波动上。由于激光功率波动信号 类似于传统的双光束干涉信号，研究人员大都借用传统干涉理论去解释s m i 产生 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的机理。1 9 8 0 年，r l n a g ”和k k o b a y a s h i i s 】从激光器的基本速率方程出发，将 外界反馈面当作激光器本身的复合腔，分析了自混合效应的稳态和动态特性，很 好地解释了实验中激光器存在光反馈时的波长移动和迟滞现象。这奠定了自混合 理论的基础。 1 9 6 8 年，r u d d t 9 1 用简单的放大模型，分析了外部反馈光引起h e - n e 激光器的 强度调制。此时，激光器不仅是一个光源，同时也作为一个混合振荡器，完成了 速度测量。 1 9 8 5 年，m a r k m 】等人报道利用光纤端面的瑞利散射甚至可以将激光器线宽 压缩到i h z 左右。另一方面，在较高的反馈强度下，激光器光谱线宽可能被大大 展宽，出现相干淬灭现象。l e n s t r a 等人利用反馈一噪声相关函数和速率方程 详细地分析了激光器相位和强度波动以及两者之间的相互关系。 1 9 9 0 年，g r o o t 1 1 】又采用多模半导体激光器探讨了激光s m i 效应，首次分析 了双模半导体激光器的强度调制原理，为多模半导体激光器的s m i 机理的探讨和 应用打下了基础。 1 9 9 1 年，k o li n k 等人利用半导体激光器探讨了激光自混合效应来测量动物 体内血液流速。他们提出了一种理论模型，即反馈引起了激光器内部某些参数的 变化，从而调制了激光器的输出强度。但是，该模型仅针对实验系统，不是普遍 模型。 1 9 9 2 年，w m w a n 9 1 7 在研究光纤耦合激光多普勒测速仪( l d v ) 时，发现当 反馈光强度较高时，多普勒信号的频谱与传统的多普勒信号频谱不同，而是含有 高次谐波，自此说明s m i 现象用传统的干涉理论难以解释，因为光反馈同时影响 到激光器的阈值和谱线特性。 1 9 9 3 年以后，w m w n a g 2 2 】等人在三镜腔理论的基础上，对激光自混合效应 的机理进行了深入的理论和实验研究，给出了相应的解析表达式。他们认为自混 合效应的产生是因为外界反馈光引起激光器阈值增益和光谱分布变化；同时阈值 增益的变化导致激光器光强波动，光谱分布的改变引起自混合信号波形和激光器 相干特性的改变。 1 9 9 5 年，j a s m it h 8 】将注入锁定理论用于解释自混合现象，认为外部光反 馈相当于注入锁定过程，在标准的注入锁定关系中增加一个自一致条件，由此导 出激光的幅值和相位波动特性，并用实验加以验证。但该理论仅适用于弱光反馈 情形。 迄今为止，s m i 机理的研究方法主要分为三类：传统干涉理论法，该法适 用于弱反馈光强度，并假定弱反馈激光不改变激光器特性；复合腔激光特性分 析法，要求外腔光程小于激光相干长度，且激光器运行在单模条件下，不考虑多 天津大学硕士学位论文第一章绪论 重光反馈；注入锁定分析法，该法仅局限于弱反馈光强度 自混合干涉机理的研究给自混合干涉技术的应用提供了理论指导，促进了自 混合干涉技术的迅速发展。三镜腔理论模型则可以解释绝大部分自混合现象，但 目前只适用于单模激光器的自混合特性分析，而且对应用系统的稳定性、自混合 干涉的波形分析等方面研究不足。另外多模激光有其潜在的应用价值，非准直外 腔的采用将降低应用系统准直设计要求。 1 2 3 激光自混合技术振动测量的研究进展 由于激光自混合干涉技术有着结构简单、易准直、器件成本低等诸多独特的 优势，自发现激光自混合效应以来，人们便致力于激光自混合技术的应用研究。 最初是研究激光多普勒速度测量仪，后来逐渐开始了对距离、位移等物理量 的测量，并不断扩大测量研究领域，如光学器件或光学系统的特性测试、振动测 量、探伤研究、平直度测量：形貌测量、散斑测量以及一些医学应用，如血液流 速测量、光学相干成像( o c t ) 等。尤其是与大规模集成制造技术结合，利用表面 微机械技术，使微光学动力系统集成在单片半导体基片上，向微型传感器发展。 近年来也有人通过对半导体激光器( l d ) 泵浦固体激光器内自混合现象的研究， 发展高灵敏度微片激光传感器。 外界反馈物体在激光光轴方向发生振动和位移时，散射光的相位也随之波动 并反馈回激光腔中形成自混合效应。因此，激光自混合振动与位移测量的方法和 测量精度的影响因素均与自混合测速方法类似。根据外腔振动下激光自混合信号 的特点，激光自混合测振技术主要有条纹计数法、相位测量法、外差干涉法和相 位测量法等。 ( 1 ) 条纹计数法 s m l 测量最直接和简单的方法就是条纹计数法【12 1 。首先系统使用直流激励， 使半导体激光器工作于中等回馈水平，外腔的移动调制激光器的输出强度，一个 波长条纹对应外腔位移半个波长，通过记数波动周期数，可测量位移量。干涉信 号为倾斜的波形，倾斜方向对应着位移方向。由于信号携带位移方向信息，所以 可以识别反射体的运动方向。另外，可利用系统处于双稳态时，位移干涉信号的 微分信号直接测量位移矢量。 当反馈强度在一定水平时，自混合信号的不对称性与振动方向相关，由此可 实现振动方向判别。条纹计数法原理简单，但分辨率低，适合中等精度的振动信 号测量。 ( 2 ) 相位测量法 相对于条纹记数法，相位测量法精度较高，但测量范围受限。测量精度受限 天津大学硕士学位论文第一章绪论 于相位测量设备。1 9 9 4 年，w m w a n g 提出用双激光管结合光纤组成的波长合成 法位移测量系统，提高了相位测量法测量位移的量程。波长合成法位移测量系统 如图1 - 1 所示。该装置能够产生一个大于任何一个单管波长的合成波长。两管共 用一个外腔反射体，反射体的移动使两个激光器的输出频率均发生改变。由于频 带较窄，每个激光器仅响应自己的反馈光，而不受另个激光器的干扰。这一特 点可避免光或电的多路复用元件，使自混合型波长合成系统比传统的波长合成系 统结构大大简化。结果表明最大位移测量范围可扩展到1 5 0 士7 5 m ，是单管量程 的5 5 0 倍。 图1 - 1 波长合成法测量系统 ( 3 ) 外差拍频法 该方法应用于小位移实时测量。双稳频h e - n e 激光器构成的自混合型外差位 移测量系统【1 3 】，如图卜2 所示。 lllll ； i ll l i ；l 二= = 。 f ll r - 1 1 飞y 僻叮l ll i ；i l llll k 盘自t l llll i l；f ”l l ll i l；ill ；illi l l) rl ；煮 l i 耐i 1l ； ； l 一i 蕾h 谥业卫l 5 f 暾t - 一l_ 一， ! i ； ，j e i ； # ll；lllilil 图1 - 2 外差频拍法测量系统 双稳频激光器提供两个正交频率，经棱镜偏光器分成两束，其中一束用做参 考光束，另一束直接投射到被测物体表面，作为测量臂，携带位移信息。由于一 部分光反馈回激光腔，调制垂直光成分，最后，两束光汇集在光电探测器上形成 天津大学硕士学位论文第一章绪论 外差拍频信号。由于反馈光的作用，拍频信号是个调幅、调频波。经过低通滤波， 可得到幅值波动信号( 即对应位移信号) 。该方法存在结构复杂等缺点，不利于实 际应用。 ( 4 ) 相位锁定测量法 利用相位锁定技术【l4 1 ，可消除系统机械扰动，锁定系统信号相位，获得稳态 测量。应用相位锁定技术于自混合干涉位移测量系统中，结构简单、紧凑，无需 任何后续的信号处理，直接完成位移的实时线性测量。测量原理如图1 5 相位锁 定型自混合干涉仪。图1 - 3 中，p z t 运动时，改变光波相位，光电探测器探测到 激光器输出光强，与系统设定的参考光强比较后，其差值信号反馈到激光管注入 电流，引起激光频率波动，用于补偿位移引起的信号相移，系统稳定时，注入电 流表征了p z t 位移的大小。 嗽 图1 - 3 相位锁定型自混合干涉仪示意图 相位测量法是一种较为简单的实现高精度激光自混合测振的信号处理方法。 但是，该方法只适合于中度强度外界反馈情形，即激光自混合信号必须为连续的 类锯齿波形。 1 3 课题来源及本文的主要研究内容与创新点 近年来，随着微机械技术和精细加工工艺的飞速发展及大量应用，有关物体 的微小位移与微小振动精确测量的研究工作引起人们广泛的重视。光学干涉测量 方法作为一种重要的非接触式、抗电气干扰、无损探测方法，具有结构简单、精 度高、易于实现等优点，得到了广泛应用。 激光s m i 测量是近年来兴起的一门新的干涉测量技术，越来越引起各国学 者的关注。系统仅有一个干涉通道，结构简单、紧凑，且系统易准直，解决了激 光干涉系统尺寸庞大、光路复杂等问题。目前人们己将注意力集中到v c e s l 的 自混合效应极其干涉技术上。这方面的研究还处于起步阶段，有许多应用基础及 天津大学硕士学位论文第一章绪论 高新技术问题有待解决。所以，本文采用v c e s l 自混合技术来实现振动传感测 量。 本课题的研究内容t 1 对自混合现象的机理进行研究。分析激光自混合测振技术的基本原理和 影响系统测量精度的关键性因素。 2 用三镜腔模型和激光速率方程深入研究了激光自混合效应的基本理论， 建立了自混合的数学模型，为后期的实验和分析奠定基础。 3 对v c s e l 的工作原理和调制特性进行研究，设计了以调理电路为核心 的光电信号处理电路。建立v c s e l 自混合测振系统，分析影响测振精度的 关键因素。 4 研究常用调制信号的解调方式，利用短时傅立叶交换进行频谱分析 5 采用中值比较法和小波去奇异点相结合，提高系统的测量精度。 6 采用扬声器作为振动源，通过大量对比实验，定性分析系统测试性能。 本论文的主要创新点如下： 1 通过对激光自混合干涉( s m i ) 技术的研究，设计出以激光器调制电路为 核心的电路系统，为该项研究创建了基础； 2 建立了v c s e l 自混合测振系统，给出以短时傅里叶变换的频谱分析法、 中值比较法和小波去奇异点相结合的方法，使振动测量的精度达到国内先进 水平； 3 依据三镜腔理论，建立了半导体激光s m i 的理论模型。实现了微弱振动 下捕获自混合信号的功能，并验证了自混合信号的基本特性。 天津大学硕士学位论文第二章激光自混合的基本理论 第二章激光自混合的基本理论 激光自混合干涉技术已广泛应用于测速、测距、测振系统，基本原理及相关 自混合现象主要由三镜腔理论模型描述。随着垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 错t 造 技术的逐步成熟，v c s e l 也已经开始应用到激光自混合传感系统中。为进一步 深入了解v c s e l 自混合效应的机理、设计研制v c s e l 自混合测振等传感测量 系统，本章将讨论v c s e l 的工作原理和调制特性、激光自混合理论模型与自混 合特性以及激光自混合技术用于测振的数学模型。 2 1 垂直腔面激光发射器 早期的半导体激光器的输出都是在平行于衬底的方向，对这种激光器进行集 成，只能得到一维线阵；要实现二维线阵，还要将一维限制堆垛起来。因此人们 在1 9 7 7 年提出了另一种激光输出方向与衬底相垂直的“表面发射激光器 ，并在 19 7 9 年实现了低温7 7 k 下的脉冲运转。表面发射激光器在衬底表面上可以 并列集成二维线阵，因此在并行光信息处理及光互连等新的光电子领域得到了广 泛的重视，并且具有圆对称高斯光束分布，低功耗，低阈值，体积小等优点，使 其在光传感领域的应用得到极大的发展。 在表面发射激光器的研究中，曾提出过两种结构方案，一种是水平腔结构， 另一种是垂直腔结构。由于垂直腔结构在器件集成度以及输出光束的质量上要比 水平腔结构具有明显的优势，因此后来人们大都致力于垂直腔结构器件的研究和 发展。1 9 8 8 年，日本科学家i g a 及其同事们在这个研究中取得了突破性的进展， 于1 9 8 8 年1 0 月在东京召开的光电子学会议上( o e c 8 8 ) 宣布了他们采用m o c v d 生长技术在世界上首次实现了电泵浦的g a a s 垂直腔表面发射激光器( v e r t i a c a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ，v c s e l ) 室温连续工作1 1 8 , 1 9 。接着，在1 9 8 9 年a t & t 贝尔实验室的科学家报道了他们采用m b e 生长技术，制作的低阈值室温连续电 泵浦垂直腔表面发射i n g a a s 量子阱微型激光器获得成功。室温连续最低阈值电 流为1 5 m a ，器件尺寸为微米量级，在不到l c m 2 的g a a s 衬底上集成了上百万 个激光器，器件密度高达2 1 0 两c m 2 ，从而宣告了垂直腔表面发射微腔激光器 天津大学硕士学位论文 第二章激光自混音的基本理论 及其阵列的正式诞生。经过十几年的努力，垂直腔表面发射半导体微腔檄光器的 性能获得很大进展，室温阈值电流越来越低输出波长从红外09 s u m 向可见光 扩展。 2 1 1v c s e l 的构造与优点 相对于常规的边沿发射激光嚣，v c s e l 的光输出垂直于村底，基本结构如 图2 - i 所示， 闰2 1v c s e l 的结构原理图 同边沿发射激光器的原理相同，v c s e l 的有源区位于两个限制层之间，构 成双异质结结构。为了能使注入电流限制在有源区内，利用掩埋技术使注 电流 完全被限制在直径为d 的圆形有源区中，有源层是由多量子阱组成，常见的还 有环形结构。如图2 1 所示，v c s e l 的腔长是掩埋d h 结构的纵向长度，一般 为5 1 0 9 m ，而它的谐振腔的两个反射镜一般不再是晶体的解理面，而是1 1 型和 p 型的分布b r a g g 反馈式o a r ) 堆反射镜，上反射镜的直径太于模式斑点尺寸， 下反射镜的尺寸与有源区直径d 相等。分别在衬底和p 型d b r 的外表面制作金 属接触层，并在p 型d b r 上制成一个圆形光窗口，采用顶端或底端输出近圆形 的激光束。由v c s e l 的结构特点决定，影响v c s e l 输出激光特性的主要参数 包括：腔长l ，有源区厚度d ，有源区直径d ，上下反射镜的反射率月，见。 由于v c s e l 本身特有的垂直腔结构，与边沿发射激光器相比，使得它具有一些 明显的特点： 1 由于有源区的体积很小，使得阐值电流很低太约1u a 。 2 很高的温度稳定性波长及阈值电流对温度变化不太敏感。 天津大学硕士学位论文第二章激光自混合的基本理论 3 动态单模性好，主要是由于其谐振腔与波长接近。 4 调制带宽较宽，具有较大的驰豫振荡频率。 5 v c s e l 谐振腔腔长短，因而纵模间距大，容易实现动态单纵模工作，适 用于激光自混合测速、测距。 6 v c s e l 的谐振腔不是依靠解理面而是通过单片生长多层介质膜形成，从 而避免了边沿发射激光器中解理腔由于解理面本身的机械损伤、表面氧化和站污 等引起的激光器性能退化，延长了器件的寿命。 7 电光转换效率大于5 0 。 8 与边沿发射激光器的像散光束、远场呈椭圆形状相比，v c s e l 发射圆对 称且无像散的高斯光束，可以方便的与普通圆透镜以及光纤进行藕合。 9 可以大面积、高密度的形成二维线阵激光器阵列。 1 0 可实现与其它光电子器件( 如调制器、光开关等) 的三维堆积集成，易于 高密度的实现光电集成电路。 单模v c s e l 自混合多普勒测速系统测速精度高，特别是具有良好的温度特 性，可以克服普通半导体l d 自混合多普勒测速系统需要对激光器精密温控的技 术问题，可明显减小功耗、降低成本，对激光测速系统的小型化和实用化，有着 特别重要的意义。 2 1 2v c s e l 的工作原理 v c s e l 也是半导体激光器的一种，所以其基本工作原理没有本质变化，本 节将详细介绍半导体的工作原理。 激光是一种亮度很高方向性和单向性都很好的相干光辐射。半导体激光和一 般发光过程相同，是与在特定条件下电子跃迁过程相联系的。与激光发射有关的 跃迁过程是：吸收、自发辐射和受激辐射。 以单个原子为例，一个原子的两个能级基态和激发态，电子在这些能级之间 的任何跃迁必然伴随着吸收或发射能量一定的光子，即吸收和辐射复合过程。不 受外界因素的作用，原子自发的从激发态回到基态引起的光子发射过程，称为自 发辐射。当处于激发态的原子受到另一个光子作用时，受激原子立刻跃迁到基态， 并发射一个光子。这种在光辐射的刺激下，受激原子从激发态向基态跃迁的辐射 过程，称为受激辐射。 自发辐射和受激辐射是两种不同的光子发射过程。自发辐射中各原子的跃迁 都是随机的，所产生的光子虽然具有相同的能量，但这种光辐射的位相和传播方 向等各不相同。而受激辐射所发出的光辐射的全部特性，如频率、相位、方向和 偏振态等，同入射光辐射完全相同。而且，自发辐射过程中，伴随着原子从激发 天津大学硕士学位论文 第二章激光自混合的基本理论 态跃迁到基态，只发射一个光子；而受激辐射则同时发射两个同频率、同相位的 光子。 当系统处于恒定的辐射场作用下，注入一定频率的光子流时，能级间的吸收 和受激辐射同时存在，如果处于激发态的原子数大于处于基态的原子数，则在光 子流照射下，受激辐射将超过吸收过程，这样由系统发射的光子数将大于进入系 统的同样能量的光子数，这种现象称为光量子放大，通常把这种反常情况称为“分 布反转 或“粒子数反转 。因此，要产生激光，必须在系统中造成分布反转状 态。 要实现分布反转，必须由外界输入能量，使电子不断激发到高能级，这种作 用称为载流子的“抽运”或“泵”。利用正向电流输入能量，是常用的注入式泵 源，其他的激励方式还有电子束激励、光束激励及碰撞电离激励等。目前应用最 多的是p n 结注入电流激励，这种半导体激光器也称为注入型半导体激光器f 1 4 , 1 6 1 。 对于普通半导体激光器，受激辐射随着注入电流的增大而逐渐增强，并集中 到p n 结平面内，最后趋于压倒优势，这时辐射的单色性较好，强度较大，但位 相仍然杂乱，还不是相干光。要使受激辐射达到发射激光的要求，即达到强度很 大的单色相干光，还必须依赖谐振腔的作用，并使注入电流达到一定的数值一阈 值电流。 因此激光器必须包含一个光学谐振腔，用以实现激光振荡所需的正反馈。目 前用的最广泛的是法布里一拍罗谐振腔，其主要特点是p n 结的两个端面是晶体 的天然解理面，彼此平行，极为光滑，可以直接用作平行反射镜面，构成光学谐 振腔。在自然解理面上，由于有源区的折射率刀不同于空气的折射率构成反射镜。 光在谐振腔中来回反射，只有波长2 ( 激光介质中的波长) 满足下述条件的模式才 能存在 三：里( 鸟，m ：l ，2 ，3 ( 2 1 ) 2 力。 式中，l 是谐振腔的长度，五是真空中的光波长。波长满足上式的谐振模式称为 谐振腔的纵模，不满足这条件的波逐渐损耗。f p 腔纵模的间隔为： j2 a 2 = 1 ：_ i 弋 ( 2 - 2 ) 2 n l f1 一兰塑l l刀d 五 忽略分母中的色散项，即砌d 2 = 0 ，则有： m ：生( 2 3 ) 2 ，也 式( 2 3 ) 说明，腔长愈短，纵模间隔愈大。实际上，式( 2 3 ) 表示的只是谐振腔允许 存在的纵模，是一个无穷的系列，激光器出现哪些纵模，还要看激