基于激光自混合的微納米振動(dòng)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、激光自混合效應(yīng)是指激光器既是光的發(fā)射器又是接收器，激光內(nèi)腔受反射光影響改變激發(fā)射光功率、光譜和相位等特性的現(xiàn)象。自混合中激光器可被外腔光程和自身驅(qū)動(dòng)條件（電流注入、電子束或光束泵浦）的變化輸出特定的低頻光波，攜帶被測(cè)物的位向信息，通過(guò)分析輸出光特性可獲知被測(cè)物理量。出射和反射光共享傳播路徑，系統(tǒng)緊湊易準(zhǔn)直，且外腔中可置入聲光晶體引入頻移或電光晶體引入相移，配合相應(yīng)解調(diào)技術(shù)測(cè)量精度獲極大提升（可達(dá)1個(gè)納米），因此自混合干涉技術(shù)可滿(mǎn)足計(jì)量環(huán)

2、境中嵌入式高精度的要求。本文應(yīng)用激光器復(fù)合諧振腔模型分別闡釋和驗(yàn)證了單模單外腔和雙縱模雙外腔兩種情況下激光器的光振蕩特性，在課題組前輩工作基礎(chǔ)上研制了新型自混合干涉系統(tǒng)，并應(yīng)用研制系統(tǒng)對(duì)一維/亞超聲頻率/二維微納振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與商用激光多普勒測(cè)速儀(Ploytec-5000)進(jìn)行比較。本文的主要內(nèi)容大致分成如下四個(gè)部分:
　　搭建基于磷化鋁鎵銦(AlGaInP)半導(dǎo)體激光器的精簡(jiǎn)激光自混合測(cè)振系統(tǒng)，分析激光器在適度和弱反饋

3、范圍輸出光的特征，發(fā)現(xiàn)了條紋傾斜因子和被測(cè)相位在頻域分布位置不同。應(yīng)用小波分解提取低頻相位進(jìn)行希爾伯特變換解相，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)位移的自辨向重建。該系統(tǒng)僅包含帶量子阱結(jié)構(gòu)激光器，工作電流的閾值低，不使用衰減器直接對(duì)振動(dòng)表面照射測(cè)量，對(duì)比多普勒測(cè)速儀(Laser Doppler Velocity meter，簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)DV)結(jié)果發(fā)現(xiàn)改半導(dǎo)體激光自混合干涉對(duì)微米幅度的低頻(＜400Hz)振動(dòng)分辨率優(yōu)于λ/12。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明該系統(tǒng)允許的反饋系數(shù)范圍

4、廣，小波分解對(duì)激光散斑和環(huán)境噪聲有天然抑制性，配合防靜電電纜線，具有一定的可嵌入性。
　　接著研究了半弧相移自混合干涉測(cè)振儀，特定的半個(gè)弧度相移深度由鈮酸鋰電光晶體的相移效應(yīng)引入，激光器輸出光通過(guò)與正交相依因子乘積濾波的方式對(duì)被測(cè)相位降頻提取。無(wú)傅氏變換的純時(shí)域解調(diào)流程因計(jì)算效率高，在非接觸性瞬態(tài)振動(dòng)測(cè)量（分析時(shí)間小于0.2秒）中的誤差為幾個(gè)納米，噪聲來(lái)源和大小也做了分析。本章利用該系統(tǒng)對(duì)非勻速振動(dòng)測(cè)量，恢復(fù)出阻尼、脈沖、小幅度簡(jiǎn)

5、諧振動(dòng)的振動(dòng)曲線，精度較半導(dǎo)體激光自混合干涉測(cè)量系統(tǒng)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，有可能發(fā)展成為一種快速在線測(cè)振儀。
　　搭建了高測(cè)量上限的共振型相移自混合系統(tǒng)，相移由12MHz射頻驅(qū)動(dòng)共振電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)。射頻自混合光信號(hào)通過(guò)高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)轉(zhuǎn)化為可分析離散數(shù)值，進(jìn)而對(duì)超聲換能器的幅頻特性進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻有氧化鎂的鈮酸鋰電光晶體在射頻段的驅(qū)動(dòng)電壓低，具備良好的高速的單偏振態(tài)電光相移效應(yīng)。鈮酸鋰電光晶體引入正弦共振相位調(diào)制使得微波激光自混合

6、信號(hào)的諧波頻差進(jìn)一步加大，因此系統(tǒng)對(duì)混疊效應(yīng)免疫力腔，在30kHz以上的亞超聲波段振動(dòng)測(cè)量中得到了優(yōu)于40納米的精度。同時(shí)該系統(tǒng)允許的測(cè)量距離可達(dá)1米，散斑噪聲弱。
　　接著研究了偏振復(fù)用型相位調(diào)制二維激光自混合干涉儀。為拓展自混合干涉測(cè)量的被測(cè)光路數(shù)量，本文設(shè)計(jì)了基于雙縱模激光器和偏振復(fù)用技術(shù)的相位調(diào)制型干涉光路，產(chǎn)生無(wú)光學(xué)串?dāng)_的雙目標(biāo)（混合型）自混合系統(tǒng)。由于光源的正交偏振特性，自混合微波光呈現(xiàn)二維矢量特性，其理論模型由復(fù)合腔

7、結(jié)合多模He-Ne激光器Lamb半經(jīng)典理論推導(dǎo)得出。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)弱反饋條件下模式競(jìng)爭(zhēng)和偏振跳變現(xiàn)象明顯減弱，兩個(gè)縱模光強(qiáng)信號(hào)反向，呈現(xiàn)為兩個(gè)正弦曲線的疊加。因正弦相移偏振態(tài)異向且頻率可控，因此自混合信號(hào)諧波分量無(wú)混疊，在對(duì)二維定位、雙目標(biāo)和雙參數(shù)的測(cè)量具有分辨率可選的優(yōu)點(diǎn)。兩個(gè)測(cè)量光路可同時(shí)或單獨(dú)工作，對(duì)微米級(jí)振動(dòng)的測(cè)量精度均優(yōu)于10個(gè)納米。
　　最后研究了光纖耦合型的波導(dǎo)相移半導(dǎo)體激光自混合測(cè)振系統(tǒng)。近紅外波段850nm半導(dǎo)體激光器