激光自混合干涉位相调制技术研究

摘激光自混合干涉技术(SMI)是一种新型的计量技术，从80年代开始应用摘激光自混合干涉技术(SMI)是一种新型的计量技术，从80年代开始应用以前人们总是设法消除光反馈的影响，后来逐渐的由消除光反馈的不利影响动利用光反馈效应检测物理量，从而形成了--1"1新的技术。与传统干涉相比合干涉技术受到越来越多国内外学者的关注，被广泛用于位移、速度、振动为了提高测量精度，一些调制解调的方法被引入自混合干涉信号的分析测量技术结合，将电光晶体(LiNb03)引入自混合干涉外腔调制，利用晶干涉仪具有结构非常简单、紧凑突出特点，在仪器小型化、集成化方面极具潜力。本文介绍了电光晶体的光学和电光性质，利用软件分别对电光晶体、电晶体的电光效应进行了模拟，并从自混合干涉和电光晶体调制位相的基本原发，将电光晶体引入自混合干涉外腔调制，研究了自混合干涉测量中电光晶位相调制技术。实验证明，利用晶体的调制性能，对自混合干涉信号进行位制，在很宽的频率范围(20Hz～100KHz)内都能保证很高的调制精度，测适应纳米测量的新要求principleofself—mixingnewmeasuringasince1emittedthelaseris reflectedorscatteredfromtheofthetarget，acontainstheinformationofbackandmixwiththemodulateoriginalcavityself-outputinterferencefromself- effect．Peopletomakeuseofmeasarepreviously．Graduallypeopleprincipleofself—mixingnewmeasuringasince1emittedthelaseris reflectedorscatteredfromtheofthetarget，acontainstheinformationofbackandmixwiththemodulateoriginalcavityself-outputinterferencefromself- effect．Peopletomakeuseofmeasarepreviously．Graduallypeoplephysicalquantities．thusself-theasimple，single—axisarrangementthatithasreceivedmoreopticalusedfordisplacement，velocityandmeasurementInorderimproveaccuracyoftheself-methodsareintroducedintothemethodscurrentmodulationandmodulation．Becauseofdisadvantagesofthemeettheneedmethods，measurementaccuracycanthebasictheoriesself-mixingSMI耐thmodulation．andintroducedelectro-canrealizeeffectivephasemodulationforaself-cavitysignal．Sotheself-interferometerbasedontheseininstrumentminiaturizationInthearticle，weintroduceopticalandelectro—opticalofthesimulate electro—self-electro—opticputanelectro—modulatorinthecavityandmodulationinterference．Itelectro—optic nphaseusingelectro—opticarage(20Hz～1withmicro-technic，weandadjustmentpath，systemself-mixingandmicro—interferometerphaseusingelectro—opticarage(20Hz～1withmicro-technic，weandadjustmentpath，systemself-mixingandmicro—interferometerself-isofmodulationself-mixingresolutionofafeWKeyword：self- micro-学位论文独创性果作学位论文独创性果作者签日期查?!出解密后适用本规定壁日期第一章光被反馈回激光器的谐振腔，反馈光携带了外第一章光被反馈回激光器的谐振腔，反馈光携带了外部物体的信息，与腔内光混合自混合干涉(self-mixinginterference)。激光自混合干涉问题源于激光器外灭等现象11-21。随着研究的深入，逐渐地由消除光反馈的不利影响到主动利用反馈效应进行物理量的检测，从而形成激光自混合干涉技术。1963年，King等在实验中发现一个外部反射镜引起激光强度波动【3】，类与传统的双光束干涉系统相当。这两个现象奠定了自混合干涉的基础1980年Lang和Kobayashi的研究成果利用复合腔模型，考虑到反馈的影修正了激光速率方程，将半导体激光器的动态特性研究提升到一个新的阶段f41反馈光是相干的，用经典的干涉理论解释了强度波动，对于早期在弱光反馈条件下观察的自混合干涉现象进行了解释1511993年，W．M．Wangl6J等的研究指出，通过实验观察发现，可以得到三点重要结论：自混合干涉不依赖于激光的相干长度；测量时产生自混合干涉远大身对应的相干长度：干涉不依赖于使用单模或多模的激光器：干涉不依赖于多模或单模的光纤。与传统干涉相比，自混合干涉具有几个特点：干涉不依赖于激光的相干长度：干涉不依赖于使用激光器的单模或多模：干涉不依赖于使用光纤的多模或单向可以从干涉信号中获得，自混合干涉的光学系统仅有一个干涉通道，结构简单、紧凑，且易准直，能够解决激光干涉系统尺寸庞大、光路复杂、不易准直紧凑，且易准直，能够解决激光干涉系统尺寸庞大、光路复杂、不易准直等问题关注，被广泛用于位移、速度、振动测量等领域‘7埘这个性质被用于各种传感应用，如测量微小位移、速度和面形f9。”。自混合干信号常用条纹峰值计数法分析，但是位移测量精度仅在Z／2。为了提高测量精的电流调制和位相调制等[12-13】在是一种很有效的外腔调制方法，调制精度优于电流调制。Ovryn和Andrews[1610近几年，MingWang等人又通过FFT而电光晶体调制信噪比好，插入损耗小，可调制的频率范围大，调相精度高2研究还不多，还需要迸一步的自1965年Ballman等报道利用Czochralshi技术成功生长了铌酸锂把激光自混合干涉理论和位相调制测量技术结合，将电光晶体(LiNb03测量和粗糙表面轮廓的测量，这在微小尺寸测量，微机械和MEMS研究还不多，还需要迸一步的自1965年Ballman等报道利用Czochralshi技术成功生长了铌酸锂把激光自混合干涉理论和位相调制测量技术结合，将电光晶体(LiNb03测量和粗糙表面轮廓的测量，这在微小尺寸测量，微机械和MEMS具有很好的应用前景。化、集成化方面极具潜力。因此，有必要设计、研究微型位相调制自混合干子、生物医学和微机电系统(MEMS纳米测量的本文的研究内容包括以下几个讨论电光晶体的位相调制的原理，利用Rsoft光学软件模拟电极和晶体光效应及特性。给出了纯位相调制的方法光效应及特性。给出了纯位相调制的方法，将位相调制和振幅调制区分开来现对激光信号进行单一位相调制，为迸一步实验打下了良好的基2、自混合干涉信号位相调制的位相调制，利用晶体的调制性能，在不同调制电压，不同调制频率，高频调及不同调制波形的情况下，对干涉信号进行了比较和讨论，详细研究自混合测量中电光晶体的位相调制情况自混合干涉仪的构想，通过光学系统和器件集成两方面的分析和研究，设计别是电光调制器进行集成封装，通过光路校准和微调完成基础器件测试，形型干4第二章电光晶体位相调制的理论研究§2．1电光晶体的位相一束自然光第二章电光晶体位相调制的理论研究§2．1电光晶体的位相一束自然光通过空气射向各向同性的介质的表面时，它将按折射定律沿个方向折射。但如果光射到各项异性介质(如方解石和石英晶体等)中时，则于介质中各部分折射率的不同将产生两条折射光线，这种现象叫双折射，也然双折人为地改变介质的折射率也能产生的双折射，其中最重要的一个现象是效应[201。电光效应是由外加电场引起介质折射率的变化而产生的双折射现象，它是电光调制的基础。电光效应分为克尔效应和普克尔斯效应两种。介质折光效应。介质折射率的改变与电场强度成正比，即An=月*E，称为普克尔应，也叫线性电光普克尔斯效应：另一种是外加电场垂直于光传播方向，称为横向普克尔斯效线性电光效应发生时，沿某一光轴的折射率变化与外加电场成比例变化，从p哥耵图2．1基本电光调制实验采用的是LiNb03晶体横向调制口卜22]，原理图如图2．1示，偏振片P和检偏器A正交。入射光沿晶体光轴，在X方向上加电场外加电场强度27t"％3^U电光调制器的一个重要性能27t"％3^U电光调制器的一个重要性能参数是半波电压U，它是产生180。相移所需要的压，代入上述等式得到【21由(2)和(3)占(uL却砰陋)sin2他＼旺L=I，sin2㈣z瓦泣，_、、；k．!＼、＼o翻5U图2．2光强与相差(外加电6化情况。但进行干涉的过程，主要看相干光由于位相差而形成的干化情况。但进行干涉的过程，主要看相干光由于位相差而形成的干涉情况。因此，由此将位相调制和振幅调制区分开来，对激光信号进行了单一位相调制。为瑟冠僵㈤_2其中％是晶体无干扰时的折射率，r3，是电光矩阵中的系z矽o)；型dt其中厂O)是瞬时频率，以)是整个信号的位相，。是光束频率。若给定矿∞±Q中，其中绝大部分位于光频率60处，--d,部分存在于∞±^Q旁频中E。。§EoP‘【。‘+”5“n；E。{(m)etkflt-4-芝(一1)k以(肌)已⋯，卜泣Ik∞±Q中，其中绝大部分位于光频率60处，--d,部分存在于∞±^Q旁频中E。。§EoP‘【。‘+”5“n；E。{(m)etkflt-4-芝(一1)k以(肌)已⋯，卜泣Iki七后是一个整数，m是位相调制参数(调制深度)。以∞)是Ji}阶基本Bessel函数E。≈Eo[1+imSinQt}e‘纠透射方向必须调整为一致，这样，当晶体上加电压时，晶体就能产生纯位相调制去除了振幅调制的模拟与分析等+：12 以 发生改变。也就是说，在电光晶体上外加电场时会导致其主轴坐标的变化。通常，加电压所引起的折射率的变化是很小的，可以用△(砉)”表示。它与电场分乓(七=x，Y，：)之间的关系△(砉)，2蕃式中‰为三阶电光张量的元。由于△(》，的对称性，上式E式中‰为三阶电光张量的元。由于△(》，的对称性，上式E-2}4}6亿嘞嘞‰嘞‰亿仫‰‰嘞其△(爿=△(△(砉)。=《吉)。=△(砉△(嘉)，=△(吉)，，=△(吉]，△(砉)。=△(÷]。：=△(吉)：O2OO吒包0OOO‰吒9晶L。n将矩阵元代入式2．16可得晶L。n将矩阵元代入式2．16可得△(÷)．一嘞△(吉]：=一勃E+一，△㈥△(赳砘△(71、,-r。由于三角晶系3m晶体是单轴晶体，故仇=疗，=no，厅：=他，且外加电场平行于z轴(专+‘，E矿+(吉+‘，E)y2+(去NYqdn=一(争d(》，并有档口记伊口一则加=一薯)△(寺，姗nz=no一0BeamPROP，FullWAVE，BandSOLVE，GratingMOD和DiffractMODBeamPROP轻松方便。其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CADBeamPROP，FullWAVE，BandSOLVE，GratingMOD和DiffractMODBeamPROP轻松方便。其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。BeamPROP电光晶体和定义有效的电§2．2．2．1电CAD界面中点击NewCircle新建窗口，出现整体设置对话框，如图2．4所图2．4将WaveguideModelDimension设为3D，3DStructureType设为Tool设为Beamprop，这样就能在Beamprop图2．4将WaveguideModelDimension设为3D，3DStructureType设为Tool设为Beamprop，这样就能在Beamprop行设置，并且这些参数值还可以在菜单上的EditSymbols在设置各向异性的材料时，VectorMode应当设置为Full，这时在CAD界面上点左键拖动，即可画出波导，如图2．5波导的长宽、起止位置等参数进行设置图2．5绘制的波图2．5绘制的波layers菜单下，点=击New新增一个层，设置如图2．6所示，设置参数或表达式后，点击Acceptlayer和完成层设置图2．6然后设定材料的类别，在整体设置对话框中选择Anison'opie性材料的Tensors线性关系看成是对晶体折射率的微扰变化，并直接设置在材料Tensors图2．6然后设定材料的类别，在整体设置对话框中选择Anison'opie性材料的Tensors线性关系看成是对晶体折射率的微扰变化，并直接设置在材料Tensors图2．7所示为Tensors界。Inde，‘T—r一园，，|M～!DeleteT～{sNⅫ“嘲辩雨茹西茬Nwy(m,li]：『——一N《9嘶『——琢嘛∥——一椰勘。Inde，‘T—r一园，，|M～!DeleteT～{sNⅫ“嘲辩雨茹西茬Nwy(m,li]：『——一N《9嘶『——琢嘛∥——一椰勘『——一帆时矿Nyz(．№II：『——一细蛳∥——一椰瓣旷f,r,wmJ：Nzx(ma8：『N搿lrN≈9啦貊篱黼嚣晰础∥——一觚瓣F——一l',magJ：∥——一竖|型图 §2．2．2．2电在Edit／table下选择layerEditor创建层，对Eps图2．8其中height是层厚砖是光电系数与乓的乘积。Layer0对应衬底，layer2对应表面，总为垂直方向上的计2．9所示，在置都为height|Sb,．,,c地feType：两硇嘲hT删；N一■i鲫蝴F’oeme7胖飚i习l妇’鞘lN一翻l蛐轧i；co,．‰H—Moa=W其中height是层厚砖是光电系数与乓的乘积。Layer0对应衬底，layer2对应表面，总为垂直方向上的计2．9所示，在置都为height|Sb,．,,c地feType：两硇嘲hT删；N一■i鲫蝴F’oeme7胖飚i习l妇’鞘lN一翻l蛐轧i；co,．‰H—Moa=W'dlh赫门溢；三；：篓多liD嘲 ，；He纵Tap馘 }ls蚓。刚妇t两器—rS蜘怕Y陬T端{N㈨l，￡描叼V靠Prof|畔M蹴并谢轴q槽r6雠：}L％j秘D钟辨e。Md雠瑚PIoI增|l；嘲：lL。?。鞫￡e岫e嗵瑚T曲N，i钿膨黟i讪№撕dewi抵脚lLa自w奇V婚汹撕融M商础。wave嘶deHei口}Yp商Klwwe掣‘出He幻ht：烈幽YP∞ixl’l瞻皤乏-徊R．ef㈩TR硝；带r。|Refer-=nceT．uIERef耐捌’∞TP_w'etHVi希匦稿i广0船；，{r‘P_n吐珂VaA訇t；P簟蜘日V’；；R舶fe㈣T。；陌删搿Valu；l；l}R；lL$}lira目lRef材料嬲0am90nentl!；ic鲫'p。r眦f『一：嘶哪n砒『一誓‰籼酬—’Veae*r一：：v斟le，c『～∥Vertex：图2．9在More选项中，Electrode／Heater和Paramemr，可以设定6上所加载的电压大小。在模拟中，我上所加载的电压大小。在模拟中，我们设Type=ElectrodetParameter分别为V和．V。结束设置后面上将出现我们所需要的波导和电极，如图2．10所图2．10Prefix中输入一个任意值，点Electrode／Heater，在新窗IZI中的布情况图2．11电场分布情况在beamprop因此自混合干涉的模拟还不能很直观地展现。虽然在fullwave验图2．11电场分布情况在beamprop因此自混合干涉的模拟还不能很直观地展现。虽然在fullwave验研究提供了基础图2．12§2．2．3电光晶体位相调图2．12§2．2．3电光晶体位相调变化图 图 步实验打下了良好第三自混合干涉信号位相调制的同一位相不同相移量下第三自混合干涉信号位相调制的同一位相不同相移量下的光强变化来调制位相。实验证明，利用晶体的调制性能度，测量误§3．1布里珀罗腔，如图3．1所示。激光器发射的光在外腔中传播到靶面，一部分输出光厂l：L_一图3．1激光器的外光学反馈效应示意图vo-v=云3in(27rvt+arctan，=Io[1+mcos妒】=，0[1+肼cos(2，rVr)】=厶[1+mcos(4万詈上其中，≯为复振幅的位相，矿：2万yf，，：一2L，lo；ifl％为没有光学反馈时的法。位相的基本形式≯：2nv甩t：2万vnL，它和y，一，￡法。位相的基本形式≯：2nv甩t：2万vnL，它和y，一，￡之间都成线性关系C≯=27rvnot=2万PZT调制是通过改变外腔长度而对光程长度进行调制的方法≯=2nvonot=2，rvon。L(t)。与电流调制相比，外腔调制的信号频率与绝对距离无不同初始位移处进行范围大，调相精度好，以下进反射放大图3．2实验原理图3-．3实验装置源采用的是lmW的线偏振氦氖激光(632．8nm，TEM00)射，经一个可调衰减片，和电光晶体4002图3-．3实验装置源采用的是lmW的线偏振氦氖激光(632．8nm，TEM00)射，经一个可调衰减片，和电光晶体4002驱动参数见表二)，然后n}1#l最后由示波器显示图3．4受到调制的自混合Z§3．2．1调制电压与信号Z§3．2．1调制电压与信号根据计算，实验用的铌酸锂晶体半波电压为125．6V，即峰峰值40应调制lrad。由式312应关系，即光在外腔中相位变化n，化Ⅱ，就对应变化一个干涉条纹。若对电光晶体进行调制，那么电光晶体相移就对应一个干涉条纹，电光晶体相移2验仪器的性能，在晶体上施加频率为25Hz，峰峰值分别为125．6V，251．2V图3．5>j-0图3．5调制电压与干涉信>j-0图3．5调制电压与干涉信号的关系：调制频率为25Hz。电压峰峰为§3．2．2调制频率与信号施加峰峰值为251．2V的电压，改变调制频率，进行验证，实验结果见图3．6>]>]为§盯§盯呈ⅢⅢ如Ⅲ姗m∽咖咖O日001目Ⅲ姗m∽咖咖O日001目频率分别为(a)100KHz；(b)200KHz和§3．2．3不同波形的调制情况信号进行调制，得到的干涉信号如图3．8度。为了避免直角脉冲损坏位相调制器，文中不再对方波信号进行调制验证实验>0]0．0-0a0口>0]0．0-0a0口图3．8不同波形调制的干涉信号；电光调制器输入电压峰峰值为(a)正弦波调制；(b)三角波调频率，高频调制以及不同调制波形的调制情况下，对干涉信号进行了比较和讨论位移测量和粗糙表面轮廓的测量，这在微小尺寸测量，微机械和MEMS领域具有很好的应第四章微型位相调制自混合干涉仪的设计与研制第四章微型位相调制自混合干涉仪的设计与研制由于微电子、生物医学和微机电系统(MEMS范围内的纳米级三维测量(也即所谓的Nano—CMM首先，对微型自混合干涉仪的光路设计，原理框图如图4．1再连接到显微镜和CCD成图4．1微型自混合干涉仪§4．1．1半导体激光器及封装半导体激光器(Semiconductorlaserdiode，简称LD)生的§4．1．1半导体激光器及封装半导体激光器(Semiconductorlaserdiode，简称LD)生的受激辐射和谐振腔提供的光反馈制作的一类半导体器件。它体积小，寿易于集成，可采用简单的注入电流的方式来泵浦，并可用高达GHz器信噪比。准直原理如图4．2行了准直封装，将出光和准直相结合，图4．3图4．2激光准直原理最佳工作温度为25设最佳工作温度为25设计§4．1．2棱在测量过程中，光路需要经90GCL-030105直角棱镜(参数见附录表五)，实现光束的904．4所示图4．4直角棱镜及90。转向成§4．1．3图4．4直角棱镜及90。转向成§4．1．3电光现对晶体的加压调制。加压调制图4．5电光调制铌酸锂晶体封装后如图4．5所示。晶体采用010通光(x切铌酸锂晶体封装后如图4．5所示。晶体采用010通光(x切Y传)，主轴加电压，两卟-x+Y表面抛光，S／D为10／5，平行度<10”，上下两表面镀银电极，其其次，设计微型自混合干涉仪系统，原理框图如图4．6自混合干涉仪的光学元件要集成在同～器接收，经电流电压转换并交流放大，由数据采集卡采集后送入PC———匕竺竺』胁盔互砸z盈矗．1f＼H圈舔§4．2．1微型干涉仪衬底及外壳设计然后，我们对微型§4．2．1微型干涉仪衬底及外壳设计然后，我们对微型位相调制自混合干涉仪的衬底和外壳进行设计。在设计中计乃至以后系统改进的关键。我们将系统的衬底和微调结构相结合，用进行绘制，如图4．7所示半导体激光器和晶体调制器都置于V器件外表面不受损坏。在两者之间保留一定的距离，半导体激光器前端透出底座螺丝控制，微调晶体在光路中§4．2．2系统测试结晶体上施加峰峰值为46V，调制频率为1KHz4．82130-0叩-00压2130-0叩-00压，对晶体调制器的性能做进一步地测试§4．2．3高压行性能测试，在此对交流放大器作了基础的设计，原理图如图4．9VDSS为500V，导通电阻为图4．9高压放大器设计原理图晶体具有容性电图4．9高压放大器设计原理图晶体具有容性电阻特性，如果在高频信号驱动或瞬间导通时，可能会出现大电流。形成微型干涉仪模型。l利用Rsoft2制，在20Hz～100KHz量和粗糙表面轮廓的测量，这在微小尺寸测量，微机械和MEMS很好的应用前景l利用Rsoft2制，在20Hz～100KHz量和粗糙表面轮廓的测量，这在微小尺寸测量，微机械和MEMS很好的应用前景微型位相调制自混合干涉仪，以适应微器件和MEMS向的调整，使光能沿预定的路径传播，并保证光束强度能产生明显的自微型干涉仪模型模拟显示更完整、2试3振方向一2试3振方向一致，因此如何设计尺寸小、精度好的微调设备将是以后系统改进的关键合适的加工厂家保证加工的精度。【1】al—channel—diodes[J】．Appl．Phys．Lett．，1980，37(11)：990-【2】oscillationlasers[J】．Phys．Rev．Lett．，1【3】P．GR．King，Metrology晰[4】opticalfeedbackeffectsonsemiconductor[5】laserDopplervelocimeterbasedonself-ina【1】al—channel—diodes[J】．Appl．Phys．Lett．，1980，37(11)：990-【2】oscillationlasers[J】．Phys．Rev．Lett．，1【3】P．GR．King，Metrology晰[4】opticalfeedbackeffectsonsemiconductor[5】laserDopplervelocimeterbasedonself-inaand[6 eta1．．Self-mixingin【7】Thierryapplication叨，opticalNo．1：20-【8】孙晓明．半导体激光干涉理论及应用[M】．北京：国防工业出版社【9禹言光，姚建铨，叶会英．含预反馈的激光自混合干涉型位移测量结构【J】光学学报，2002，22(3)：308-3学报，2004，24(3)：418--【l2】methodforself-mixingsignal【13】measurementbasedFouriertransformexternallasercavitymodulation[J】alaserperformanceimprovement【J】Techn01．1995．6：45-【phase—lockedlaserdiodeinterferometer叨．Opt．Eng．1999．38：543—【1Techn01．1995．6：45-【phase—lockedlaserdiodeinterferometer叨．Opt．Eng．1999．38：543—【16】Ovryn，J．H．Andrews．Phase-研究【J】中国激光．2005年2月．第32卷．第2期【19】孔勇发，许京军，张光寅等．多功能光电材料——铌酸锂晶体[MI．北科学出版社．2005：1-[20】姚启钧．光学教程嗍．北京：高等教育出版社．2002．7：58—【2l】丁慎训，张连芳．物理实验教程【M】．清华大学出版社．2002．9：310--[22】张雅娟，罗威，许胜辉．激光基础【M】．北京：科学出版社．2005．5：354-录附0．45．_0。proI，0-I．8岬l蜊陆∞曲Dc-Operati．aR盱200mWtmm2(633nm1W／mrn2-(13录附0．45