垂直腔面发射激光器自混合传感与光学定位跟踪技术研究

【摘要】：本论文是在中国科学技术大学与美国微软公司西雅图硬件部合作的《激光自混合多普勒跟踪》、《光纤激光自混合多普勒跟踪》和《二维光学定位跟踪》三个研究项目背景下进行的。 半导体激光自混合效应传感技术具有结构简单、测量精度高及非接触性等显著优点，可实现速度、距离、振动等物理量的传感测量，已成为当前光学传感领域中的研究热点。本文对新型单纵模垂直腔面发射激光器(VCSEL)自混合效应传感技术进行了应用基础研究，研制了高精度的VCSEL自混合测速系统、测距系统、测振系统以及双眼法实时二维光学三角定位跟踪系统，获得了丰硕的高新技术创新性成果。 本文的主要成果如下： 1．用三镜腔模型和激光器速率方程深入研究了激光自混合效应传感的基本原理，数值模拟得到对激光器电流进行调制时不同反馈程度下的自混合信号，由自混合信号模拟重构出外界反馈物体的振动波形，理论和实验结果符合良好。 2．研制成功出VCSEL自混合测速系统，采用VCSEL动态连续三角波电流调制方法在5..mm／s～479mm／s速度范围内实现了准确的方向判别和精度优于3.1％的绝对速度测量。该系统也实现了液体流速测量。 3．研究了聚合物光纤作为光传输介质对VCSEL自混合测速信号的影响，首次观察到自混合信号的波形畸变和频谱展宽现象。理论和实验研究表明聚合物光纤端面较大的散射光接收角是引起自混合信号波形畸变和频谱展宽的最主要原因。 4．研制成功VCSEL自混合测距系统，提出用差频模拟锁相技术在80～480mm距离范围内实现了误差小于2mm的绝对距离测量。同时深入分析了自混合测距系统中信号相位的突变、采样时间、调制三角波频率和幅度、VCSEL调制特性等因素对测距精度的影响，优化了系统参数。 5．研制成功聚合物光纤传光的VCSEL自混合测振系统，在光纤出射端面到