基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统

研究了一种基于光纤三波长激光自混合干涉的绝对距离测量系统.系统中的光纤激光器包含三个独立的激光谐振腔,每个激光谐振腔都有作为增益介质的掺铒光纤,三个激光谐振腔利用光纤光栅作为反射镜及波长选择元件,光纤激光器能同时发出无模竞争的频率和功率都稳定的三波长激光.利用三波长激光的自混合干涉,以及干涉信号的相位小数重合方法,实现绝对距离测量.为实现绝对距离测量,三个波长中两相邻波长间距应为相等.实验中,两相邻波长间距约为10nm.系统对公称高度为11mm修正值不大于2.7μm的台阶高度进行测量,测量结果为11.000 059mm.对13.000 090mm绝对距离重复测量20次的标准差为4.4nm.     

基于DSP的激光自混合干涉测振仪信号采集与处理系统

结合三角波电流调制型激光自混合干涉技术,设计了基于DSP的数据采集与处理系统,完成了对来自光电探测器的干涉信号的采集与处理。该系统接口电路简单灵活,具有采样频率可由程序设置、采集速度和精度较高,并且可以实现6通道同步采样转换的特点。实验结果表明,该数据采集与处理系统完全能够满足高速交变激光自混合干涉信号的采集与处理在实时性和高精度方面的要求。     

用激光二极管自混合干涉测量距离

通过改变激光二极管工作电流,利用自混合干涉信号的相位变化来测量外腔长度.激光二极管工作电流变化导致激光频率变化.工作电流变化引起的干涉信号的相位变化与外腔长度成正比.干涉信号的相位变化2π,对应光频变化的等效长度的1/2.由于改变工作电流激光二极管激光光频可调节范围远小于激光频率,光频变化的等效长度远大于激光波长,激光二极管自混合干涉测量距离的精度远小于测量位移的精度.     

基于二次强度调制的激光测距系统

本文提出的二次强度调制测距系统可以实现绝对距离的测量,其利用马赫曾德尔强度调制器代替二次偏振调制测距中的电光相位调制器,通过对信号的光强进行二次调制来进行测距.相比于二次偏振调制测距,二次强度调制测距无需考虑测距系统中的偏振态问题,简化了系统结构,提高了系统的稳定性.经过相关理论推导以及实验验证:二次强度调制测距系统的输出光强与调制频率成余弦关系,并且可以直接测量调制器到目标物体之间的绝对距离,系统的频率稳定度、相对测距精度皆达到10^–7量级.本文提出的测距系统量程达到100 m,相对测距精度稳定在10^–7量级.采用摇摆法快速测距,避免了直接扫频寻找光强极小值点对应的频率,数据刷新率达到2 kHz.二次强度调制测距系统测距速度快,同时兼顾了较大的量程与较好的测距精度,系统结构简单,易于搭建,具有广阔的应用前景.     

一种基于电光调制光频梳光谱干涉的绝对测距方法

提出了一种基于电光调制光学频率梳的光谱干涉测距方法.理论分析了电光调制光学频率梳的数学模型和光谱扩展原理,并分析得出了光谱干涉测距方法的非模糊范围和分辨力的影响因素.在实验中,使用三只级联的电光相位调制器调制单频连续波激光生成了40多阶高功率梳齿状边带,并通过单模光纤和高非线性光纤对电光调制器输出的激光进行光谱扩展,得到重复频率为10 GHz,光谱宽度达30 nm的光学频率梳.将该光频梳作为光谱干涉测距装置的光源,可以实现无"死区"的绝对距离测量.另外,使用等频率间隔重采样和二次方程脉冲峰值拟合算法对测量结果进行数据处理,可以修正系统误差,提升测距精度.实验结果表明,在1 m的测量范围内,使用该装置可以在任意位置达到±15μm以内的绝对测距精度.     

多纵模激光二极管自混合干涉的观察和分析

自混合干涉信号的幅度和波形均会随外腔静态长度发生周期性变化。实验测量了干涉信号幅度和波形随外腔静态长度的变化,并用多模自混合干涉信号叠加的方法计算分析了干涉信号的幅度随外腔静态长度的变化,然后考虑反馈光对内腔反射率和激光介质增益的影响计算分析了干涉信号的波形随外腔静态长度的变化。结果表明,多模激光自混合干涉信号随外腔静态长度变化的周期为内腔的光学长度,而其主极大区域的宽度为激光的相干长度,小于内腔的光学长度。多纵模自混合干涉信号的叠加导致自混合干涉信号的幅度随外腔静态长度发生周期性变化,而波形随外腔静态长度周期性变化则是内腔反射率和激光介质增益均受反馈光影响导致的非线性的结果。     

基于蓝光外腔半导体激光器的水下调频连续波激光测距

采用商用405 nm FP蓝光激光二极管,外加反射镜组成窄线宽外腔半导体激光器,在1 kHz调制周期下获得了无跳模连续调频范围1.5 GHz,相干长度大于10 m的激光输出。注入电流直接调制进行扫频,搭建空间光干涉仪组成调频连续波激光测距系统,采用10 m延时光纤辅助干涉仪对拍频信号进行重采样,以降低调制非线性对测距精度的影响。在水箱中模拟海水的衰减系数,在9.5 mW的探测信号功率下验证了5 m距离的探测,最大测量偏差0.051 m。     

正弦相位调制自混合干涉微位移测量精度分析

为了提高自混合干涉仪的位移测量精度,提出将正弦相位调制技术引入自混合干涉中。相位调制由置于自混合干涉仪外腔中的电光晶体实现,相位解调由傅里叶分析的方法得到。对位移测量过程中各种可能的误差来源如电光晶体调制不稳定性、光在外腔中的二次反馈效应等对测量精度的影响进行了模拟分析,从理论上得到了这种新的信号处理方法可以达到纳米级的测量精度。实验上,用高精度的商用压电陶瓷标定的结果验证了这种正弦相位调制自混合干涉仪在普通实验室噪声环境中可以达到纳米级的位移测量精度。     

自混合干涉信号的位相调制

自混合干涉因其结构简单、紧凑、稳定且易准直等特点而被广泛应用于测量领域。从自混合干涉和电光晶体调制位相的基本原理出发,通过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体的位相调制性能。实验证明,利用晶体的调制性能对自混合干涉信号进行位相调制,在很宽的频率范围内都能保证很高的调制精度,测量误差小,具有很好的应用前景。     

光梳多波长绝对测距的波长选择及非模糊度量程分析

飞秒光学频率梳作为精密光学频率标尺,可以用来产生频率稳定度极高的单波长连续激光,利用其多个梳模制备理想的多波长光源用于绝对距离测量具有测量速度快、实时性强、非模糊度量程大、精度高等优点。以多波长测距的基本理论和光梳高频率稳定度为基础,提出了二次合成波长的方法,不仅扩展了非模糊度量程,同时为干涉信号的多波长解调创造了足够的波长间隔条件。结合光梳的波长特点,分析了基于光梳的多波长选择与非模糊度量程的关系,并阐述了具体的选择步骤及波长组合结构。利用小数重合解调算法,在0.01的小数相位测量精度条件下,仿真验证了四波长干涉测距的非模糊度量程为35.636mm,五波长干涉系统可以达到几百毫米的非模糊度量程,后者相对分辨力的动态量程达到109量级。     

基于适度光反馈自混合干涉技术的振动测量

光反馈自混合干涉技术是一种新浮现的有别于传统双光束干涉的一类新的测试技术。为了在适度光反馈下进行振动的精密测量,提出了一种基于适度光反馈自混合干涉技术的振动测量方法。经对光反馈自混合干涉信号条纹分析,发现通过选定合适的光反馈水平及激光器线宽展宽因数,可以得到锯齿干涉条纹。这种干涉信号不仅包含振动幅度信息也包含振动方向信息。该振动测量方法利用锯齿干涉条纹的特点,首先通过条纹记数实现大范围振幅粗测,具有半波长位移分辨力;然后基于适度光反馈下小数条纹的特点,给出了小于半波长位移测量的线性表达式,从而实现位移的精测。仿真计算表明,该方法可以实现大量程高分辨力振动位移测量,在叠加20 dB的噪声下,振幅测量相对误差平均为0.5%。     

激光自混合干涉测振仪的硬件系统设计

基于激光自混合干涉技术的特点,设计了一种新型半导体激光自混合干涉测振仪系统。系统将频率调制引入自混合干涉中,实现对振动物体的非接触式测量。介绍了激光自混合干涉测振仪的原理、仪器系统的光路系统设计、信号的调制模块设计、解调模块设计以及DSP系统的采集处理模块设计。该仪器体积小、成本低、易于准直、可以非接触式测量,能够测量振动频率在50kHz内的物体,其中包括非周期性振动。可以测量出振动物体的振动频率、振幅以及还原振动波形,振动幅度测量精度可以达到0．325μm,频率精度为1Hz。     

仿真分析测量参数对光反馈自混合信号的影响

针对含有光反馈的半导体激光器,在外腔波动条件下,研究其光反馈干涉自混合信号模型。经计算仿真分析,得到了外腔运动参数及激光器本身参数的变化对光反馈自混合信号波形的影响规律。结果表明,利用光反馈自混合干涉效应可以进行多参数传感测量。     

激光二极管自混合干涉的计算分析和实验观察

实验上观察到自混合干涉信号的幅度仅仅为静态光强的百分之几.反馈光会引起激光二极管阈值电流减小,静态输出光强变化几倍,使激光二极管工作在实际的阈值电流之上.按三镜法布里-珀罗腔结构模型计算激光二极管的出射光强,由干涉函数主极大条件得出光频与反馈光的关系.计算出的自混合干涉信号的波形,以及自混合干涉信号的幅度与静态光强的比值均同实验测量结果一致.在τrC/τ1=22.8的情况下,复合谐振腔可同时有15个谐振模式,这些模随外腔长度的变化小于2.6×10-2cm-1,远小于法布里-珀罗谐振腔谐振模的线宽3.1cm-1,光频在内腔谐振模的线宽以内变化.     

半导体激光自混合干涉仪稳定性的仿真分析

利用半导体激光器的Lang-Kobayashi方程,对半导体激光自混合干涉系统的动力学特性进行了仿真分析。研究结果表明,当光反馈系数较小时,激光器处于稳定状态,外腔长度不影响系统的稳定性;当光反馈系数较大时,激光器将进入不稳定状态,对于不同的外腔长度,激光器的稳定状态将发生变化。为实现大量程的位移或距离测量,光反馈系数必须足够小才能保证在较大外腔长度变化范围内,激光器始终处于稳定状态。     

光纤激光器自混合干涉效应研究

针对光纤激光器自混合干涉传感应用,研究了光纤激光器自混合干涉特性,运用四镜法布里-珀罗腔模型对掺铒线形腔光纤激光器自混合干涉效应进行了理论分析,对不同反馈水平下的自混合干涉信号进行了数值模拟,获得了光反馈条件下光纤激光器输出特性.外腔长度的改变会调制激光器的输出强度,外腔长度变化半个波长,对应一个干涉条纹,弱反馈条件下,由反馈引起的激光器的频率变化可以忽略.设计了基于光纤激光器的自混合干涉实验,实验结果和理论分析相符合.此研究结果为进一步开展光纤激光器的自混合干涉传感应用研究奠定了理论与实验基础.     

The study of laser self-mixing vibrometer employing different feedback regime using a VCSELS

Laser interferometry based on self-mixing effect widely used to measure displacement, velocity, vibration and distance due to compactness, non-contact, as well as low cost. An important use of the self-mixing effect inside a laser diode is in optical self-mixing vibrometer. We have experimentally investigated self-mixing interference produced by the feedback of light from a vibrated target into a vertical-cavity surface-emitting laser for sensing applications. In this paper, the self-mixing vibrometer employing different feedback regime is discussed and a theoretical analysis is also proposed. Numerical analysis focused on the distortion self-mixing waveform. Numerical analysis and experimental results show that mode-hop occurs when the laser self-mixing vibrometer employing at high feedback level.     

Laser self-mixing interference fibre sensor

Fibre sensors exhibit a number of advantages over other sensors such as high sensitivity, electric insulation, corrosion resistance, interference rejection and so on. And laser self-mixing interference can accurately detect the phase difference of feedback light. In this paper, a novel laser self-mixing interference fibre sensor that combines the advantages of fibre sensors with those of laser self-mixing interference is presented. Experimental configurations are set up to study the relationship between laser power output and phase of laser feedback light when the fibre trembles or when the fibre is stretched or pressed. The theoretical analysis of pressure sensors based on laser self-mixing interference is indicated to accord with the experimental results.     

Fourier transform method for self-mixing interference signal analysis

Self-mixing interferometry (SMI) has been used to measure the distance and displacement. Although the principle of self-mixing interference is different conventional interference, we concluded that FFT analysis technique could also be used to detect the signal phase and increase the measurement precision of self-mixing interferometry.First the SMI signal is obtained by feeding the light from the target to cavity of laser diode, then it is pre-processed by an analog subtraction circuit to remove the overlapped output intensity due to the injection current modulation. Finally, SMI signal is analyzed by FFT phase detection method. Theoretical analysis and simulation calculations are presented. Experimentally, displacement of a PZT-driven target was measured with a precision of λ/50.     

Absolute small-angle measurement based on optical feedback interferometry

We present a simple but effective method for small-angle measurement based on optical feedback interferometry （or laser self-mixing interferometry）. The absolute zero angle can be defined at the biggest fringe amplitude point, so this method can also achieve absolute angle measurement. In order to verify the method, we construct an angle measurement system. The Fourier-transform method is used to analysis the interference signal. Rotation angles are experimentally measured with a resolution of 10^-6 rad and a measurement range of approximately from -0.0007 to ＋0.0007 rad.