（物理电子学专业论文）光纤激光器自混合干涉理论及传感技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t l a s e ri st r a n s m i t t e da n df e d b a c ki nf r e es p a c ea n dm i x e di nl a s e rc a v i t yi n t r a d i t i o n a ll a s e rs e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e ( s m i ) g a sl a s e r s ，s e m i c o n d u c t o rl a s e r sa n d s o l i dl a s e r sa r eu s u a l l yu s e di nt h i sk i n do fi n t e r f e r e n c e s y s t e m a l lt h o s el a s e r s m e n t i o n e da b o v ea r eb a s e do nt h em o d e lo ff - pc a v i t y t h ev o l u m e ，t h em o d ea n dt h e t r a n s m i t t a lm o d eo ft h e s el a s e r sa r en o th e l p f u lt os t r u c t u r e s i m p l ea n dc o m p a c t s e n s i n gs y s t e m d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ls m is y s t e m ，s m ii nf i b e rl a s e r si s t r a n s m i t t e da n df e d b a c ki nf i b e rw a v eg u i d em e d i u ma n dm i x e di ng a i nm e d i u m f i b e rs e n s i n go nt h ee n do ff i b e ra n ds e n s i n ge l e m e n tc a nb er e a l i z e ds i m u l t a n e o u s l y b ym e a s u r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fs m is i g n a l s m is i g n a li nf i b e rr i n g l a s e r sh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hp o w e r , h i g hs i g n a l - t o - n o i s e ( s n r ) a n dt h e p o t e n t i a l f o rl o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o na n dm u l t i p l e x i n g s m ic a nb e e a s i l y c o m b i n e dw i t hf i b e rt e c h n o l o g y , p e r f o r mn o n c o n t a c ta n dr e m o t em e a s u r e m e n tf o r d i s t a n c e ，v e l o c i t ya n dv i b r a t i o n ，a n df o r man e wf i b e ra c t i v es e n s i n gs y s t e mb a s e do n o p t i c a lf e e d b a c k i nt h i sp a p e r , t h et h e o r yo fs m ii nf i b e rl a s e r sa n di t sa p p l i c a t i o ni nv i b r a t i o n m e a s u r e m e n ti sp r e s e n t e d o p t i c a lf e e d b a c ki nf i b e rr i n ge r - d o p e dl a s e r si sa n a l y z e s d t h el a s e rp o w e re x p r e s s i o nw i t ho p t i c a lf e e d b a c ki st h e o r e t i c a l l yd e d u c e db a s e do n t h et r a n s c e n d e n t a le q u a t i o no ff i b e rr i n gl a s e r t h es m is i g n a l i ss i m u l a t e db y n u m e r i c a lv a l u ea n do b s e r v e di ne x p e r i m e n ta n dt h ei n f l u e n c eo ns m is i g n a lf r o m d i f f e r e n tf a c t o r si sd i s c u s s e d t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fv i b r a t i o nm e a s u r e m e n tb a s e do ns m ii nf i b e rl a s e r si s d e s i g n e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i b r a t i o np a r a m e t e r sa n ds m is i g n a li sd e d u c e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r e q u e n c yo fv i b r a t i o na n dt h eb a s i cf r e q u e n c yo fs m i s i g n a la n dt h a tb e t w e e nt h ea m p l i t u d eo fv i b r a t i o na n dt h es t o po r d e ro ft h eh a r m o n i c c o m p o n e n t s a r ea c h i e v e da n d s i m u l a t e d e x p e r i m e n ts y s t e mi sd e m o n s t r a t e d a c c o r d i n gt ot h es m im o d e li nf i b e rl a s e r s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t h t h e o r e t i c a lr e s u l t s ，a n dt h em e a s u r e m e n te r r o ri n d u c e db yv i b r a t i o np a r a m e t e r sa r e i i 一 垒! 墅型 一 _ - _ - _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - - _ - - - - - - 一一 _ ，一 ， t d i s c u s s e d i na d d i t i o n ，m u l t i p l e x i n gs e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c ei nf i b e rr i n gl a s e r si sr e s e a r c h e d i nt h i sp a p e r ad e m u x m u xa r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g ( a w g ) i sa d o p t e d f o r c h a n n e lc h o o s i n g n l eg a i nc o m p e t i t i o na 1 1 dt h ei n t e n s i t ya l t e r n a t i o na m o n gd i f f e r e n t c h a n n e l sa r ed i s c u s s e dw h e no p t i c a lf e e d b a c ki s i n t r o d u c e d 1 1 1 ep r i n c i p a lc h a n n e l w i t ht h eh i g hg a i ni sr e s e r v e df o rt h es t a b i l i z a t i o no ft h es y s t e ma n do t h e r sa r eu s e d f o rs e n s i n gi no r d e rt oa v o i dd i s t u r b a n c eb e t w e e nd i f f e r e n tc h a n n e l s 1 1 1 ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r eo nt h em u l t i p l e x i n gs y s t e mi sa n a l y z e d a tl o ww a v e l e n g t hi n d e p e n d e n t c h a n n e l sc a l ln o tb ef o r m e d n l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t l es m is i g n a li no n e c h a n n e lh a sl i t t l ei n f l u e n c eo no t h e rc h a n n e l s t h e r e f o r e ，m u l t i c h a n n e ls e n s i n go r m e a s u r e m e mw i l lb er e a l i z e da tt h es a m et i m ew i t h o md i s t u r b a n c e k e yw o r d s ：s e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e ，f i b e rr i n g e r - d o p e dl a s e r , v i b r a t i o n m e a u r e m e m ，m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 干涉测试技术是以光波干涉原理为基础的一门光学精密测量技术，它是上世纪 5 0 年代以来由激光技术、傅立叶光学、计算机技术和光波导等技术发展形成的近代 光学测试技术中的一种。与一般的光学成象测试技术相比，它具有更高的测试灵敏度、 精度和更快的测量速度；绝大部分的干涉测试都是非接触式的测量，不会给被测件带 来表面损伤和附加误差。6 0 年代以来，新兴出现的半导体激光器，以转换效率高、 体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制以及与其它半导体器件集成的能力强等优点 成为信息技术的关键器件，加之实验技术中隔振条件的改善以及计算机和微处理器的 结合发展，使得干涉测量技术成为应用前景广泛的一门新技术，目前已应用于科学研 究、现代技术、工业生产、空间技术和国防技术等。但由于传统干涉测试普遍结构庞 大，光路复杂，准直敏感，价格昂贵，因此迫切需要更加简单、紧凑、稳定的干涉系 统，从而产生了许多新型光干涉技术，激光自混合干涉技术也随之兴起。 光纤激光器的历史和激光器本身的历史几乎一样长。由于其增益介质掺铒光纤具 有较宽的增益谱宽和较高的增益强度，使其在多波长激光器和激光测量方面具有广泛 的应用。将激光自混合干涉技术与光纤激光器结合起来，两者在有源传感及复用领域 将具有很强的应用潜力。 1 1 激光自混合干涉技术的概念及特点 激光自混合干涉是指在激光应用系统中，激光器输出的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的谐振腔内，反馈光携带了外部物体的信息，与激 光腔内的光相混合后，调制激光器的输出功率以及输出频率。由于输出的光信号与传 统的双光束干涉有着相似之处，所以被称之为激光自混合干涉( s e l f - m i x i n g i n t e r f e r e n c e ) 效应，也被称为激光反馈效应或注入调制效应。反射器的纵向运动或由 腔内媒介折射率系数的变化引起外腔光路长度的变化，可通过监控并用于光传感方 面，例如位移、速度测量、测距等等。在激光自混合干涉系统中，激光器不仅仅作为 系统光源，同是也作为系统的探测敏感原件，从而简化了激光干涉系统的结构，更加 易于准直，光路简单、紧凑，节约成本。 第1 章绪论 激光自混合干涉效应主要有以下一些特点： 1 激光自混合干涉同传统的干涉仪相比，具有相同的相位灵敏度，而由于其 结构简单、紧凑、易准直等特点，使得在很多应用场合代替传统干涉仪； 2 激光自混合干涉系统无需外加光干涉仪、光探测器，信号由封装在激光器 内部的光电探测器接收； 3 基于自混合效应的干涉系统能对目标靶的运动方向进行辨识：系统输出条 纹为类余弦条纹和类锯齿波条纹，在适度光反馈水平下，信号为非对称性 的类锯齿波，倾斜方向敏感于目标靶运动方向，为位移、速度的方向辨识 提供了新的解决方案； 4 激光自混合干涉不依赖于光源的相干长度，和传统干涉仪相比，是自混合 干涉技术一个惊人的特点； 5 激光自混合干涉现象不受系统采用的单模或多模光纤的影响，不仅解决了 反馈光的耦合问题，而且光路更易准直，系统造价低，可以较大的提高信 噪比； 6 激光自混合干涉不依赖于激光类型。因此，传感系统可以采用廉价的，低 相干的激光器，如半导体激光器； 7 系统输出波形在激光二极管两个发射方向间出现了相位倒置。 1 2 激光自混合干涉技术各国研究现状 激光自混合干涉的显著优点引起了国内外的自混合干涉研究热，其代表性研究小 组和研究成果如下。 1 2 1 意大利研究小组 意大利s p a v i a 大学d o n a t i 教授早在1 9 7 5 年就开始研究激光反馈干涉仪。2 0 0 0 年以来，该小组进一步对自混合干涉技术在安全信息编码解码方面作了一定的研究 1 ；并对激光自混合技术在传感上的应用做了回顾，对各种反馈条件进行了系统分 类，对激光自混合技术做了比较完整的综述 2 】。利用自混合干涉效应引起的微小扰 动对激光器的线宽展宽因子进行了测量 3 ；之后进一步对不同种类激光器的线宽展 宽因子进行了测量 4 ，如f - p 激光器，垂直腔表面发射激光器( v e r t i c a l c a v i t y s u r f a c e e m i t t i n gl a s e r ，v c s e l ) ，外腔激光器，量子阱激光器。该研究小组对自混合 2 第1 章绪论 干涉仪的发展，作出了很大贡献。 1 2 2 日本研究小组 日本的几个科研小组自八十年代开始研究自混合干涉技术，其研究热点集中于研 制各种自混合干涉型传感器。 2 0 世纪8 0 年代中期，s h i z u o k a 大学电子工程系s s h i n o h a r a 教授的研究小组第 一次研制了自混合型激光二极管d o p p l e r 测速仪 5 6 。2 0 0 0 年以来，该小组又应用自 混合激光二极管散斑信号进行了非插入式血流测速 7 ，研制出探测皮肤表面血流速 度的激光自混合干涉仪 8 9 】。近年来，该小组又开始了对自混合干涉测振技术的研究 1 0 1 4 。该小组依据自混合干涉及散斑效应研制传感器，为自混合在实际中的应用作 出了贡献。 上世纪9 0 年代起，n i i g a t a 大学工程学院t s u z u k i 和o s a s a k i 研究小组开始从 事激光干涉仪的研究。他们对激光管正弦相位调制技术的研究较为深入，主要应用于 振动 1 5 - 1 6 、位移 1 7 - 1 9 、绝对距离 2 0 2 1 、角度 2 2 】、形貌 2 3 和速度 2 4 的测量。 对于这类系统误差源的消除、激光管多波长相位锁定、反馈控制信号处理电路的设计 等也有了成熟的技术。 近几年，日本学者将一些新的效应引入自混合干涉，大大开拓了自混合干涉技术 的应用范围，如超声探测【2 5 ，长度测量【2 6 】，形貌分析【2 7 ，流体颗粒测量等 2 8 - 2 9 ， 并与大规模的集成制造技术相结合，向实时多路多点测量，高灵敏、高精度微型传感 器发展 3 0 3 3 】。 1 2 3 法国研究小组 2 0 世纪9 0 年代中期，法国t b o s c h 教授的研究小组开始研究自混合干涉理论及 应用技术，是该领域的一支后起之军。短短几年，他们研制了位移传感器 3 4 3 5 、测 距仪 3 6 ，并将位移传感器用于模具分析、探伤。尤其是在1 9 9 8 年，成功的将自混 合扫描型激光测距仪用于获取三维图像数据，对三维物体进行重构 3 7 ，极大的拓宽 了自混合干涉技术的应用，同年，该研究小组针对自混合干涉系统研究了光反馈对系 统谱线的影响 3 8 3 9 ，推导出弱光反馈情况下谱线宽的新的解析表达式，更加准确的 确定自混合干涉系统的最小相干长度，为弱光反馈条件下自混合干涉系统的量程设计 提供了严密的准则。近几年，该小组将自混合干涉效应扩展应用到如：垂直腔表面发 第1 章绪论 射、三电极分布布拉格反射镜激光二极管和双偏振掺杂玻璃光纤等一些新型激光器 【4 0 4 3 ，不断寻找新的研究点，开展了激光自混合传感器的位移测量、速度测量、缺 陷探测、三维物体结构分析、二维速度测量、时变速度实时跟踪，线宽测量和孛等反 馈自混合位移传感器等多方面的研究【4 4 5 6 ，创造性的将自混合干涉技术用于光纤光 栅( f b g ) 动态应力传感器的解调【5 7 】，为自混合干涉技术在传感复用领域提供了新 的思路。 1 2 。4 国内研究小组 近l o 年来，国内也形成了有特色的相关研究方向。清华大学张书练教授对于激 光腔内的频率分裂和正交偏振的回馈效应进行了深入的理论研究 5 8 6 6 和测量应用 6 7 6 8 t 禹延光博士与意大利g i u l i a n i 和法国c h i c h a r o 等几位研究入员合作，共阍研 究了激光线宽增益因子的测量问题，提出了基于弱光反馈条件下半导体激光器的参数 自动测量方法【3 ，6 9 7 0 】；最近中医工程物理研究院电子工程研究所对自混合激光测速 仪进行了研究 7 1 7 2 1 。2 0 0 1 年以来，我们的研究小组在自混合于涉的理论和应用研 究方面也做了许多工作，主要研究有：相位调制型激光自混合干涉仪测量微纳米技术 【7 3 7 6 】；f p 腔半导体激光器内自混合散斑干涉产生机理及其应用于流体速率的测量 7 7 - 7 9 】；d f b 半导体激光器自混合干涉的理论和实验研究 8 0 8 2 】；光纤激光器平行 双通道的自混合复用【8 3 】等。 1 3 激光自混合干涉的应用研究进展 2 0 世纪8 0 年代开始，激光自混合于涉技术就被应用于测量领域，主要分为两大 类：一是对待测物体的度量，起初为多普勒速度测量和散斑测速系统，逐渐又进行了 位移、绝对距离等的测量研究，并不断扩展到其他测量领域，如振动测量、角度测量、 形貌测量、光学器件或光学系统的特性测试、探伤研究、模具谱分析等；二是对激光 器物理量的估算，如基于自混合于涉效应的激光器光谱线宽和线宽展宽因子。此外， 自混合干涉效应还在解调f b g 传感器和复震方面有应用。 。3 速度测量 。 露上世纪8 0 年代，有学者将皇混合干涉效应用予d o p p l e r 测速，研究发现多普 勒频移与移动速度之闻良好的线性关系，弗包含方向信息【8 4 】。以v c s e l 为例，其 4 第1 章绪论 测量系统如图1 1 所示【8 5 】。激光器输出光束经透镜入射到待测运动物体上，散射光 经透镜反馈回激光器，与腔内光进行拍频，通过实时快速傅里叶分析直接处理信号就 可以得到拍频，再经数据处理后就可以得到运动物体的速度。 图1 1 自混合l d v 结构示意图 在一定回馈水平下，拍频信号为类锯齿波形状，其倾斜方向可以用于判断物体运 动方向。在此基础上不断发展为得到实时纳米测速仪 8 6 】，含方向辨识的d o p p l e r 速 度仪 6 】，并运用于生物血流速度探测的研究，包括：视网膜测血流速度探测 8 7 】，表 面皮肤血流速度探测 8 ，心血管诊断 8 8 】，连续血压监控 8 9 等等。 图1 2 自混合散斑测速系统示意图 自混合散斑将传统的散斑与自混合干涉相结合，把散斑现象引入自混合激光器， 与传统的散斑检测光路比较起来，只有一个光轴，简单紧凑易调节，是近年发展起来 的一种新型的散斑测量技术 9 0 9 1 ，以d f b 激光器为例，其测速系统如图1 2 所示。 第1 章绪论 随着自混合散斑研究的深入和一些新型激光器出现，将自混合散斑应用于这些新 型激光器，有可能发展成为新一代有源传感器。 1 3 2 位移测量 自混合干涉实现位移测量最基本的方法是条纹计数法 9 2 】，其实验系统如图1 3 所示。自混合干涉中外腔靶面的移动诱使激光强度的波动，一个波动条纹对应外腔移 动半个光波波长，通过记录波动的周期数，可以测量位移。 图1 3 条纹计数法位移测量系统 随后衍生出多种位移测量方法，如拍频测量法 9 3 】：光回馈效应引起激光器输出 光束频率随着外腔的变化而变化，频率变化和外腔变化成线性关系，因此只要测出激 光频率变化就可以得到物体位移的信息，由于光频过高难以直接测量，采用一只参考 激光器进行拍频的方式对频率的变化进行测量；光反馈水平差异测量法 9 4 ：不同的 反馈系数对应的频移量是不同的，因此可通过外腔反射镜偏离透镜焦平面而使得反馈 光减弱的原理进行位移测量；分区细分法【9 5 】：利用双频激光器中两垂直偏振光光强 曲线交叉变化的特点，对条纹交叉结果进行分区，实现分辨率为八分之一光波长的位 移测量；相位测量法 9 6 9 7 ：通过线性注入电流调制或线性外腔调制这两种方法，将 相位测量方法引入自混合干涉中，大大的提高自混合干涉的位移测量精度。注入电流 调制是半导体激光自混合干涉仪最常用的一种调制方法，调制通过改变注入电流调制 单纵模l d 波长，用快速傅立叶变换( f f t ) 方法解调相位。其他位移测量法还包括： 外差干涉法 9 8 】、相位锁定测量法【9 9 】等。 1 3 3 绝对距离测量 6 第1 章绪论 一般采用调制干涉技术实现绝对距离的测量。利用三角波型注入电流调制半导体 激光器的输出，腔内光与外部反馈光存在相位差，产生相干光拍频信号，在定距离 范围内，拍频信号频率与被测距离成正比。系统直流偏置位于激光器自由运行时产生 模跳的两模跳点中间位置，保证电流波动范围内不引起模跳，系统分辨率与调制信号 幅度有关。调制干涉测量法一般系统框图如图1 4 所示。 图1 4 调制干涉测量法一股系统框图 热效应会给测量带来较大的误差，eg o u a u x 等人将三角波电流整形后注入激光 器，其结果改良了系统的测量性能，较大程度的消除了热效应带来的误差 1 0 0 。 当外部光反馈上升到一定程度时，激光器发生模跳，模跳数与外腔长度对应，于 是出现了模跳法测距，其中分模跳数测量法和模跳时间间隔测法。j k a t o 利用波动的 三角波注入电流，使激光管产生模跳，通过记数模跳进行距离测量，研制出非接触距 离光传感器 1 0 1 。传感器系统紧凑，且信号处理简单。为了获得更高的精度及更宽 的动态范围，s h i n o h a r a 提出通过测定模跳时间间隔完成距离测量 1 0 2 。不同于先前 的测距系统，该系统的光束可以被会聚，也能扫描，这个灵活的特点使之可以用于机 器人视觉传感器。测量误差主要由计量门脉冲偏移造成，通过改进注入电流波形可以 稳定调制频率波动系数。 1 3 4 振动测量 激光测振仪可以进行振动和噪音测试，可以检测扬声器、压电陶瓷等产品的特性 等，而被广泛应用于科学研究和工业生产。基于激光反馈的自混合测振仪也引起了众 多科研人员的兴趣。根据前面的位移测量的介绍可知，振幅大于v 2 的振动信号可以 第1 章绪论 通过条纹计数法得到，但该方法能够得到的测量分辨率仅为半个光波长。改善分辨率 的方法有：( 1 ) 利用条纹法的大量程特点，结合小数条纹分析，实现大量程高分辨率 矢量振动测量 1 0 3 】。其思想是通过选定合适的光反馈水平及激光器线宽展宽因数， 得到较纯正的锯齿干涉条纹，对这种干涉信号进行微分产生相应的正负脉冲，经脉冲 记数法获得振动的粗测，然后将整数部分置零，保留小数条纹部分进行分析，研究半 波长范围内位移的改变对小数条纹波形的影响，从而找出有关的对应关系，进行小数 振动的精测，以实现大量程高分辨率振动测量。( 2 ) 使用主动相位归零技术 1 0 4 ，其 信号处理框图见图1 5 ，通过伺服反馈环路来补偿由于目标本身位移的变化而引起的 干涉测量的相位变化，即激光器的波长必须时时改变以保证从激光器到目标之间距离 为一个固定的波长数，相位变化为零。当目标远离激光器时，激光器的波长必须增大。 激光器波长的改变可以通过改变注入电流来得到。注入电流的改变线性表示了物体振 动的振幅，测量的动力范围得到了大幅度的提高。 c o m p e n s a t i o nl o o p 图1 5 自混合测振仪相位锁定归零技术框图 、 1 3 5 角度测量 通常认为弱反馈和中等强度反馈是最适于测量的反馈水平区，然而t b o s c h 等通 过实验研究发现在强反馈时，激光器工作在相干猝灭区，对外腔的总损耗具有非常敏 感的特性，并实现了对角度的精密测量 1 0 5 。在相同注入电流下，反馈外腔总损耗 r 第1 章绪论 不同，激光器的输出功率也不同。当外腔反馈镜有细微的倾斜时，部分光发生偏移而 不能够反馈回激光器，等效于增大了外腔的损耗，进而引起激光器输出功率的变化， 根据功率的变化可以实现对反射体表面微小角度的测量。 图1 6 角度测量实验系统 交流类型的测量方法可实现更精密的测量 1 0 6 】，如图1 6 所示：在反馈外腔中弓 入一个小的角度，振荡频率输出信号的一次谐波成分与反射体微小倾角成一定关系， 将输出信号的相位与正弦抖动驱动的频率相比较，就可以得到包含角度信息的信号。 1 3 6 形貌测量 1 0 v r o s c o p e j e c t i v e 图1 7 形貌测量实验装置 自a b e a r d e n 提出恒定功率法建立了基于h e - n e 激光器的激光反馈扫描共焦显 微镜【1 0 7 】以来，许多研究人员开展了基于激光反馈效应的显微镜成像研究。c l u 等 人利用共焦激光反馈技术的灵敏性和自对准特性，用超辐射发光二极管，开发了用于 9 第1 章绪论 测量三维成像和微观结构表面轮廓的装置 1 0 8 】，如图1 7 所示，该系统可以达到2 0 n m 的纵向分辨率。 该技术的非相干、非干涉特性令其能够进行快速的开环工作，并且具有较大的动 态测量范围。激光器的出射光先由物镜进行聚焦，样品放置于共焦点附近，当样品表 面j 下好处于共焦点时会出现最强的光反馈，因为在该点光能够在反射聚焦后反馈回激 光器。反馈量对样品的位置非常敏感，因为当样品离开共焦点时，反射的光点的像将 离焦，反馈量将会迅速下降。因此，通过探测由于回馈引起的偏置电流的改变或波长 的改变就可以很灵敏的得到样品位置。在共焦点附近，反馈量对样品表面微小的倾斜 不敏感，因此该仪器不需要精密的校准，具有自校准功能。 1 3 7 对光谱线宽的影响 在弱反馈情况下，光谱线宽可能变窄或变宽，这取决于与发射激光的光场有关的 反馈相位，这种特性被应用于激光器线宽的压榨 1 0 9 1 1 0 及频率的调制。当外反射器 与激光器之间的距离小于激光器相干长度时，复合腔模型被用于解释所观测到的现 象。但是，在有反馈时对于激光器输出性能的影响可能是很惊人的。一方面，激光器 的光谱线宽可能变宽为独立激光器的许多倍，反馈域由相干变为非相干，d l e n s t r a 和他的合作者 1 1 1 1 1 2 1 及r o m i l e s 等 1 1 3 称之为“相干猝灭”。另一方面，光谱线 宽由于反馈也可能极端变窄。在反馈区域中，光谱输出发生了变化，自混合干涉不是 取决于激光的相干长度，而应取决于有外光反馈情况下的实际激光光谱，因此可根据 它们之间的关系来对激光器输出光谱特性进行相关探测。 1 3 8 线宽展宽因子的估算 l dc lh w ph g 图1 8 线宽展宽因子测定实验图 c l ：准直透镜；h w p ：半波片；h g ：全息光栅；m ：全反镜；c d & t c ：电流驱动和温控。 1 0 第1 章绪论 含光反馈的半导体激光器的动态特性理论分析大都基于l a n g 和k o b a y a s h i 方程 1 1 4 ，根据这个方程，激光器的光频、相位、光强等特性与线宽展宽因子a 的值有 关，因此仅可通过与这些特性的关系得到。 2 1 世纪初，y s s h i n 1 1 5 1 等采用外腔反射率扫描法测定含光反馈的半导体激光 器的线宽展宽因子，其实验系统如图1 8 所示。这种方法是保持注入电流不变而通过 调整半波片的旋转角来改变外腔反馈强度，然后由外腔反馈强度来控制与0 【值有关的 等效折射率。通过测量光波长，并利用外腔激光器的光波长变化与半波板旋转角的关 系，由实验数据通过数据拟合的方法估计线宽展宽因子和激光器的其他参数。 之后禹延光与意大利p a v i a 大学g u i l i a n i 提出了基于自混合干涉效应的线宽展宽 因子的测量方案。在适度光反馈机制下，建立自混合干涉信号数学模型，通过低频波 动半导体激光器外腔，利用自混合干涉波形来测量半导体激光器的线宽展宽因子 3 ， 光反馈测量法无需射频调制及光谱分析，测量参数少，无需强反馈，测量精确度较高。 后来他们又提出弱光反馈时半导体激光器线宽展宽因子的自动测量法案 7 0 ，根据数 据与理论模型匹配原则，进行多参数估计，从而达到测定线宽展宽因子的目的，该方 法也可用于振动幅度和频率的测量。 1 3 9f b g 传感器的解调 a l u m i n i u m p l a t et i g h t l y f i x e d o s c i l l o s c o p e 图1 9 激光自混合干涉解调f b g 传感器实验系统图。 2 0 0 8 年，法国t b o s c h 教授首次将激光自混合干涉技术引入f b g 传感器的解调 第1 章绪论 5 7 。其实验装置如图1 9 所示，用强力环氧树脂粘合剂将f b g 传感器粘在薄铝片上， 薄铝片固定在机械装置上形成悬臂梁结构，通过机械装置在悬臂梁的自由端加载机械 波，则f b g 传感器产生相应的动态应变。当激光入射到f b g 传感器时，由于f b g 受到应变而产生轴向拉伸，改变了激光在f b g 中的传播光程，由于f b g 的反射特性， 将某一波长的光发射回激光器内，与激光腔内的激光相混合，形成自混合干涉。根据 自混合信号的条纹数目可以计算f b g 长度的改变，从而得到f b g 传感器应变的大小。 1 3 1 0 自混合干涉双通道复用 随着光纤技术及通信技术的发展，自混合干涉技术也被应用于传感复用领域。图 1 1 0 为并行双通道自混合干涉传感复用实验框图 8 3 】。泵浦光源通过波分复用器 ( w d m ) 耦合入光纤环形腔内，通过耦合器分为两路。光路中共有4 个光环行器c 1 - - t 2 4 ， 每一通道接有2 个，其中一个光环行器接f b g 用于选择激光器的振荡波长，并确定 环形腔内的光沿顺时针循环放大；另外一个光环行器则接入了光反馈，2 端的输出光 经由靶面r t 反射或者散射后反射回环形腔内。两环路分别通过耦合器，经由p d 作 为系统输出。最后两环路一同耦合入w d m ，构成闭环的光纤环形激光器。 图1 1 0 激光自混合干涉双通道复用实验系统图。 该实验系统实现了自混合信号的双通道传感复用，但是，由于两波长间增益竞争 的存在，使得两通道信号相互调制，给信号的解调到来不便。 1 2 第1 章绪论 1 4 新型激光器用于自混合干涉技术的研究现状 自1 9 8 4 年j h c h u m s i d e 使用一被调制的c 0 2 激光器进行自混合干涉激光多普 勒测速的研究 1 1 6 】以来，各种类型的激光器被用于自混合干涉原理及应用的研究。 清华大学张书练教授对双频正交偏振微型n d ：y a g 激光器117 、双频正交偏振h e n e 激光器 1 1 8 的自混合干涉效应研究，在对h e n e 激光器的自混合研究 1 1 9 】中发现， 当外部反射镜在一特定的倾斜角度时，系统将获得传统自混合干涉效应条纹密度的 4 0 倍，即测量精度达激光器波长的1 8 0 ，约为7 9 1 n m 。姚建铨院士的研究小组研究 了l d 泵浦的单模绿光激光器的自混合干涉效应，从自混合干涉效应的等效f p 腔模 型出发，建立起般模型 1 2 0 】，该模型适用于强反馈以及多重光反馈下的自混合干 涉效应和弱光反馈水平的情况。实验结果表明，该绿光激光器的位移测量精度比半导 体激光器的测量精度提高了1 0 0n i n 以上。p a p r o t a 等基于v c s e l 激光器的成本低、 实用的特点，研究了该种激光器的自混合干涉d o p p l e r 测速应用 1 2 1 ，并有学者相继 报道了自混合型v c s e l 激光器用于d o p p l e r 测速偏振特性的分析 1 2 2 、位移及距离 测量 1 2 3 ，多模传输效应 1 2 4 】，成像系统 1 2 5 等。此外，新型激光器在自混合干涉 系统中的应用还包括：双频y b ：e r 激光器 1 2 6 1 2 7 、微片l i t a 0 3 n d ：y a g 激光器 【1 2 8 、二极管泵浦e r 激光器 1 2 9 、y b ：e r 激光器 1 3 0 1 3 1 、微片l i n d p 4 0 1 2 激光器 1 3 2 、量子级联激光器 1 3 3 、光纤激光器 8 3 等。 1 5 课题来源及本文研究内容、意义 课题来源： 1 国家自然科学基金项目( n o 6 0 5 7 8 0 0 6 ) ，分布反馈半导体激光器的自混合效应及 传感技术的研究2 0 0 6 年立项，2 0 0 8 年结题； 2 高等学校博士学科点专项科研项目( n o 2 0 0 5 0 3 1 9 0 0 7 ) ，分布反馈半导体激光器 的自混合干涉传感技术的研究，2 0 0 6 年立项，2 0 0 8 年结题： 1 5 1 本论文的目的、意义 目前国内外有关激光自混合效应的研究机理都是通过激光在自由空间的传输、回 馈、激光腔内混合，形成光回馈效应。随着激光技术的发展，各种激光器先后得到应 用。例如：气体激光器( h e - n e 激光器和c 0 2 激光器) 、半导体激光器( d f b l d 、 第1 章绪论 d b r l d 和v c s e l 激光器) 和固体激光器( n d y a g 激光器) 。虽然激光器的类型 不同，但是激光自混合效应的理论还是法布里珀罗型的三镜腔模型( f 。p 腔) 。激光 腔内是增益介质，腔外介质是空气，影响激光自混合效应的因素有激光腔参数( 线宽 展宽因子) 和外腔参数( 长度和靶镜反射率) 。而且这些理论和激光器也开始实际应 用，特别是利用激光自混合效应测量位移、绝对距离、速度和形貌等。 虽然f p 腔的激光自混合干涉系统理论已经形成比较完整的体系，各类激光器的 自混合干涉技术也正在发展成熟。但是迄今为止，对于在光通信产业中广泛使用的掺 铒光纤激光器的自混合效应的研究，国内外还几乎是空白。原因在于国内外从事光电 子和光通信领域的研究人员无意研究激光自混合效应，而从事激光自混合效应的研究 人员又忽视了新型激光器的研究。因此，对于掺铒光纤激光器的自混合效应的研究， 理论上有一系列的科学问题需要探索，实验上有许多技术层面上的问题要解决。 掺铒光纤激光器具有许多突出的优点和特点，其辐射波长与通信光纤最低损耗窗 口相匹配：可用带宽较宽；与光纤元件的天然兼容性；与半导体激光器相比，光束质 量较好，噪声较低；由于光纤放大器( e d f a ) 的广泛应用，掺铒光纤激光器相关元器 件的产业化水平高，等等。因而它在光纤通信、光纤传感等领域具有重要的应用前景， 受到了国际上科技界、产业界的广泛重视，成为研究的热点。 同时，掺铒光纤激光器由于其自身的易于集成微小化，单模工作稳定，传输方便， 易于形成新型光传感网络等特点，愈来愈受到研究人员的重视。而对光纤激光器的自 混合干涉的研究尚有一系列需要探讨的课题。在光纤激光器光反馈系统中，激光器本 身不仅作为了传感的光源，并且同时作为了传感的敏感元件，近年来有源传感引起了 越来越多的关注。这一应用使得传感系统更加简单紧凑，节省元器件，降低了系统成 本。基于光反馈的有源传感系统类似于自混合干涉系统，与其有着相同的相位灵敏度， 可实现非接触速度、振动和位移测量等，能满足传感器的微小型化和光纤询问功能的 要求，易于实现新型的光纤传感测量网络。 当前，激光技术与光纤技术推动了光通信和光纤传感技术的飞速发展。激光自混 合干涉具有结构简单紧凑、自准直、节省元器件、灵敏度高等特点。光纤传感的优良 特征包括动态范围大、传输频带宽、易于组成分布式测量网。把激光自混合干涉与光 纤技术结合，构成全光纤激光自混合干涉技术，能满足传感器的高精度、微小型化和 光纤复用功能的要求，有可能形成一个新型的光纤传感有源网，在航空航天、机械工 1 4 第1 章绪论 程、石油化工和环境监测应用领域具有重要意义。采用掺铒光纤放大器的波分复用技 术已成为高速率、大容量光通信发展的主流方向。 1 5 2 本论文的内容安排 第二章：激光自混合干涉的基本理论。首先介绍传统f p 腔激光器的自混合干涉 效应，根据激光器振荡方程以及光反馈效应叠加于激光器前端面等效反射率给出了 f p 腔激光器自混合干涉的振荡频率及输出增益变化：建立模型，通过仿真和实验验 证，确定模型描述的正确性。然后分析光纤激光器自混合干涉效应。根据光纤激光器 的超越方程推导得出有光反馈时系统的输出变化，并进行数值模拟和实验观测，实验 中通过改变实验条件，对不同参数的影响进行讨论，为以后几章的研究奠定基础。 第三章：光纤激光器自混合干涉效应及其振动测量的理论和实验。针对环形腔光 纤激光器的自混合干涉模型，依据第二章推导的光纤激光器自混合干涉系统的输出表 达式，通过级数展开对该表达式进行简化近似。采用转折点自动识别法和傅里叶变换 的方法，对靶面振动参数进行解调。对转折点自动识别的方法，进行了理论分析和数 值模拟，由于该方法对数据信噪比要求很高，否则容易引起转折点误识别，因此引入 傅里叶变换的方法。从理论上分析了靶面正弦振动时，自混合信号频谱的基频与靶面 振动频率的关系，以及自混合信号频谱的谐波分量与靶面振动幅度的关系，并进行了 数值模拟。对测量可能产生的误差进行分析和模拟，给出采样频率与靶面振动频率的 关系。根据光纤激光器自混合模型建立实验系统，比较理论结果与试验结果，分析靶 面振动的幅度和频率等因素对振动测量误差的影响。 第四章：光纤激光器自混合干涉多通道复用技术的理论模型和实验。将通信中广 泛使用的阵列波导光栅( a w g ) 引入光纤激光器自混合干涉系统，进行通道的选择， 对有无光反馈时各通道的输出光强进行了分析和比较。由于通道间的增益竞争，某通 道有光反馈的时候，该通道损耗增大，导致该通道的增益降低，从而使得能量转移到 其他通道，特别是原本增益强的通道有光反馈时，该现象更明显，因此预留自由增益 谱中增益最强的波长通道用作能量释放通道，在增益较小的通道引入光反馈，以避免 个通道间增益竞争引起的自混合干涉信号的串扰。分析温度对实验系统的影响，温度 较低时，波长较短波段增益相比波长较长波段大大降低，因此波长较短波段光强较弱， 无法形成独立的通道。实验结果显示：使用a w g 虽然也存在增益竞争的问题，但是 保留原本增益最强的通道，不用做反馈通道，可以避免对其他通道的影响，实现多通 1 5 第l 章绪论 道无干扰的同步传感或测量。若采用通道间隔更小、通道数目更多的密集波分复用器 ( d w d m ) ，可实现更多通道的传感或测量复用。 1 6 第2 章光纤激光器自混合干涉基本原理 第2 章光纤激光器自混合干涉基本原理 2 1 前言 激光自混合干涉技术是上世纪5 0 年代兴起的光学精密测