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《北京理工大学》 2017年
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半导体激光器自混频干涉测距技术研究

李鲲  
【摘要】:半导体激光器自混频干涉测量技术是一种新的干涉测量方法,是指激光经过目标反射之后,一部分反射光重新耦合进入激光器谐振腔,与原有的激光光场进行相干调制,并且改变半导体激光器的载流子密度以及增益,从而引起输出功率和结电压的变化。在此过程中,半导体激光器除了充当光源之外,还扮演着探测器、空间光滤波器和光放大器的角色。因此,该技术有着单光路、结构简单、自准直、便于集成、成本低廉等诸多优点,已经在绝对距离、位移、速度、折射率、激光器线宽、生物成像等诸多测量应用中表现出巨大的潜能。目前,在自混频干涉测量应用中,大多数半导体激光器需要精密电流源驱动,并且需要温控进行恒温控制。尤其在工业应用中,复杂的电磁环境和种类繁多的噪声严重影响了自混频干涉测量系统的性能,系统信噪比难以满足高精度探测的要求。本课题研究基于平衡探测的半导体激光自混频干涉技术对不同噪声源的抑制作用,提高系统信噪比,增强其鲁棒性和抗干扰能力。同时,针对光学探头尺寸受到严格限制的测量场合,如测量微小空间的孔径、孔深,本课题将进行基于垂直腔面发射激光器的自混频干涉光学探头的设计与实现,拓展半导体激光自混频干涉测量技术的应用领域。首先,本文回顾了半导体激光器自混频干涉测量技术的发展和当前关键性问题。针对双面发射半导体激光器两侧自混频干涉信号相位相反的现象,提出基于三镜腔等效的双面发射半导体激光器自混频唯象分析模型,推导出弱反馈下激光器两侧的自混频干涉信号的解析表达式,并分析了激光器前端的自混频干涉信号的特点和物理过程,即随着注入电流的增加,半导体前端位置的自混频干涉信号先逐渐减小,直至为零,后逐渐增大的过程。同时,基于Lang-Kobayashi方程分析半导体激光器腔内的光子密度的变化,推导出弱反馈下半导体激光器两侧自混频信号的解析式。在此基础上,分析半导体激光器载流子寿命、光子寿命、反射率、阈值电流等主要参数在自混频干涉效应中的作用机理,为半导体激光器自混频干涉测量提供了理论指导。此外,建立实验平台,通过改变注入电流,观测半导体激光器两侧的自混频干涉信号,证明了理论模型中注入电流对半导体激光器自混频干涉信号的影响作用。其次,建立了基于平衡探测的自混频干涉测量实验系统,并进行了绝对距离测量和振动测量。利用半导体激光器两侧自混频干涉信号相位相反的特点,分别使用两个探测器监测半导体激光器两侧的输出功率。在此过程中,详细分析平衡探测技术的工作机理,深入讨论了分光镜分光比的最优方案和用于平衡探测的半导体激光器选择依据。实验证明,平衡探测能够有效的消除绝对距离测量中的残余调制信号,并且对共模噪声有明显的抑制作用,即使对于随机噪声,平衡探测技术将信噪比提高近3 d B。另外,详细探讨了影响半导体激光器自混频干涉测量的主要噪声——电流源噪声的影响,以及偏压抖动、强电磁辐射等噪声源带来的干扰,证明了平衡探测技术对于这些噪声的抑制能力,极大提高了系统的抗干扰能力和鲁棒性。另外,研制了基于平衡探测的半导体自混频干涉测量原理样机。建立了基于嵌入式系统开发和双路平衡探测的硬件平台;使用Labview作为上位机的开发环境进行编程,通过插值快速傅里叶变换算法对干涉条纹的频率进行估计,分析了频率偏移以及采样率对插值傅里叶变换算法的精度影响,实现了绝对距离的实时测量功能。最终,在15-260 cm测量动态范围内,测量频率为12 k Hz,获得150μm的单次测量精度。该系统体积小、造价低、抗干扰能力强,为半导体激光器自混频干涉测量的微小系统研制和复杂环境中测量应用奠定了基础。最后,使用垂直腔面发射激光器作为光源,实现无光学镜头的微小自混频探头的研制。通过半经典理论分析,拟合出波长与注入电流的三次方关系,采用电流整形方式补偿由于注入电流带来的热效应,提高单次测量精度;并且使用变幅值的调制序列,通过差分消除残余调制信号干扰,最终,在3-8 mm测量动态范围内,测量频率为12k Hz,获得40μm的单次测量精度。该光学探头的研制为低成本、小体积的半导体自混频干涉探头的开发研制提供了技术积累。
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN248.4

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