基于激光自混合的微納米振動(dòng)測量關(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，攜帶被測物的位向信息，通過分析輸出光特性可獲知被測物理量。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)對一維/亞超聲頻率/二維微納振動(dòng)進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與商用激光多普勒測速儀(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)體激光器的精簡激光自混合測振系統(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振動(dòng)表面照射測量，對比多普勒測速儀(Laser Doppler Velocity meter，簡寫為LDV)結(jié)果發(fā)現(xiàn)改半導(dǎo)體激光自混合干涉對微米幅度的低頻(＜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，激光器輸出光通過與正交相依因子乘積濾波的方式對被測相位降頻提取。無傅氏變換的純時(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)測量（分析時(shí)間小于0.2秒）中的誤差為幾個(gè)納米，噪聲來源和大小也做了分析。本章利用該系統(tǒng)對非勻速振動(dòng)測量，恢復(fù)出阻尼、脈沖、小幅度簡

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量系統(tǒng)提高一個(gè)數(shù)量級，有可能發(fā)展成為一種快速在線測振儀。
　　搭建了高測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)。射頻自混合光信號通過高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)轉(zhuǎn)化為可分析離散數(shù)值，進(jìn)而對超聲換能器的幅頻特性進(jìn)行了測量。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、信號的諧波頻差進(jìn)一步加大，因此系統(tǒng)對混疊效應(yīng)免疫力腔，在30kHz以上的亞超聲波段振動(dòng)測量中得到了優(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量的被測光路數(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爭和偏振跳變現(xiàn)象明顯減弱，兩個(gè)縱模光強(qiáng)信號反向，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，因此自混合信號諧波分量無混疊，在對二維定位、雙目標(biāo)和雙參數(shù)的測量具有分辨率可選的優(yōu)點(diǎn)。兩個(gè)測量光路可同時(shí)或單獨(dú)工作，對微米級振動(dòng)的測量精度均優(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)體激光自混合測振系統(tǒng)。近紅外波段850nm半導(dǎo)體激光器