（通信与信息系统专业论文）光反馈自混合干涉系统的参数测量.pdf

摘要摘要光反馈自混合干涉技术是一项精密测量技术，其系统结构简单、紧凑且易准直。鉴于它的高灵敏性、高精确性和非接触操作性，该项技术已经得到广泛的研究和应用，主要应用在几何量的传感测量与激光器参数测量等方面。线宽展宽因数，即a 参数，是半导体激光器的一个重要参数，半导体激光器的许多特性都与该参数的大小有关，如线宽、线形、模式稳定及注入锁定范围等。本文利用光反馈自混合干涉技术测量半导体激光器线宽展宽因数，针对适度光反馈水平下外腔做简谐振动的系统进行了如下研究：首先，研究了光反馈自混合干涉系统模型；研究了适度光反馈水平下的信号特点；阐述了适度光反馈水平下，基于光反馈自混合干涉技术测量半导体激光器参数的基本理论。其次，针对适度光反馈水平下参数测量对信号特征点的要求，研究了信号的去噪问题及归一化处理问题。最后，给出了适度光反馈水平下最佳测量条件，建立了线宽展宽因数的自动测量算法，并通过仿真和实验验证了算法的精确性和可行性。仿真结果表明算法测量精确度较高，口的相对误差小于4 9 6 。实验结果表明口的相对标准差为3 2 6 。关键词：半导体激光器；线宽展宽因数；光反馈；自混合干涉；适度光反馈a b s t r a c to p t i c a lf e e d b a c ks e l f - m i x i n g 缸蜘c e ( o f s m di sap r e c i s em e a s u r i n gt e c h n i q u e , w i t ht h ef e a t u r eo fs i m p l e , c o m p a c t , a n ds e l f - a l i g n i n g b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hs e n s i t i v e n e s s ，h i g ha c c u r a c ya n du n t o u c h m e n to p e r a t i o n ，t h et e c h n o l o g yh a sb e e nw i d l ys t u d i e da n da p p l i e di nm a n yf i e l d s ，w i t hi t sm a i n l ya p p l i c a t i o ni ng e o m e t r ys e n s i n gp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ta n ds e m i c o n d u c t o rl a s e rp a r a m e t e r sm e a s u r o m e n t 1 1 l el i n e w i d t he n h a n c e m e n tf a c t o r ( l e f ) a l s ok n o w na s 口一f a c t o r , h a sag r e a ti m p o r t a n c ef o rs e m i c o n d u c t o rl a s e r s ( s l s ) a n di tc h a r a c t e r i z e ss e v e r a la s p e c t so fs l s ，s u c ha st h el i n e w i d t h ，t h el i n e s h a p e , t h em o d es t a b i l i t y , t h ei n j e c t i o n l o c k i n gr a n g e ，a n ds oo n t h e 口一f a c t o ri sm e a s u r e db yo f s m it e c h n o l o g yi n t h i sp a p e r t h em o d e r a t eo p t i c a lf e e d b a c ks e l f - m i x i n gs y s t e mi ss t u d i e dw h e nt h ee x t e r n a lc a v i t yo fs e m i c o n d u c t o rl a s e rs u f f e r sah a r m o n i cv i b r a t i o n 皿ef o l l o w i n gt a s k sa r ea c c o m p l i s h e d f i r s t l y , t h em o d eo fo f s m im e a s u r e m e n ts y s t e mi ss t u d i e di nd e t a i l s u b s e q u e n t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i co fo f s m is i g n a li ss t u d i e da tm o d e r a t ef e e d b a c kr e g i m e 1 1 1 eb a s i cm e a s u r i n gt h e o r yo f t h es e m i c o n d u c t o rl a s e rp a r a m e t e r sb a s e do l lo f s m it e c h n i q u ei si l l u s t r a t e da tm o d e r a t ef e e d b a c kr e g i m e s e c o n d l y , t h ed e - n o s i n gp r o b l e ma n dt h en o r m a l i z a t i o np r o c e s s i n gp r o b l e mo f t h eo f s m is i g n a la r es t u d i e d ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cr e q u i r e m e n tf o rt h es i g n a la tm o d e r a t eo p t i c a lf e e d b a c kl e v e l f i n a l l y , a no p t i m i z e dm e a s u r e m e n tr u l ei sg i v e na tm o d e r a t eo p t i c a lf e e d b a c kr e g i m e b a s e do nt h er u l e ，a l la u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta l g o r i t h mi sd e v e l o p e du s e df o rm e a s u r i n gl e et h ef e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta p p r o a c hh a sb e e nv e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ea l g o r i t h mi sp r e c i s ei nm e a s u r e m e n t 1 1 1 er e l a t i v ee r r o ro f 口i sl e s st h a n4 9 6 i na d d i t i o n , t h ec o h e r e n c ea n da c c u r a c yi sp r o v e db ym e a s u r e dd a t u m t h er e s u l t ss h o wt h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o no f 盯i sa b o u t3 2 6 k e yw o r d s ：s e m i c o n d u c t o rl a s e r ；l i n e w i d t he n h a n c e m e n tf a c t o r ；, o p t i c a lf e e d b a c k ；s e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e ；m o d e r a t eo p t i c a lf e e d b a c ki i第1 章绪论第1 章绪论1 1 光反馈自混合干涉技术的研究历史近年来，光反馈自混合干涉技术越来越引起各国学者的关注i 卜5 】。光反馈自混合干涉效应是指激光器输出光被外部反射体反射或散射后，其中一部分光又被反射回激光器谐振腔，与腔内光相混合，调制激光器的输出强度和频率的效应。由于其干涉系统通常是由半导体激光器、自聚焦透镜、外部反射物体三部分组成，结构简单、紧凑、鲁棒且易准直，解决了激光干涉系统尺寸庞大、光路复杂、敏感与准直等问题。特别是引入光纤耦合后，系统光路更易准直，且信噪比大大提高。因此，光反馈自混合干涉效应一直是各国学者的研究热点。追溯光反馈自混合干涉效应的起源，可以归结为激光器外部光反馈效应。在实际应用系统中，许多因素都可以对激光器产生光反馈，且光反馈引起的光噪声6 捌、谱线展宽 1 0 - 1 2 1 和相干猝灭 1 3 - 1 7 等现象严重影响着激光器的输出特性。起初，人们总是试图消除光反馈的不利影响。随着研究工作的深入发展，人们发现激光器谐振腔内的混合光不仅载有外部反射物体的振动、位移等各种信息，还含有线宽、线宽展宽因数等半导体激光器特征参数的信息。因此，人们开始主动利用光反馈自混合于涉效应来获取这些相关信息，主要应用于谱线压窄和多普勒速度、距离及位移等的物理测量【1 9 之6 1 两大领域。1 9 6 3 年，k i n g 和s t e w a r d 在实验中发现一个可动外部反射镜引起激光强度发生变化【2 7 】，类似于传统的双光束干涉现象，即( 1 ) 一个条纹移动对应半个光波波长的位移；( 2 ) 强度波动深度与传统双光束干涉系统相当。这两个现象奠定了光反馈自混合干涉技术的基础。1 9 6 8 年，r u d d 首次提出自混合干涉( s e l f - m i x i n g i n t e r f e r e n c e ) 概念，发现激光器输出强度波动与d o p p l e r 频移有关，并使用h e n e 激光器测量了散射微粒的d o p p l e r 速度2 钔。1 9 8 0 年，l a n g 和k o b a y a s h i 将激光器和外反射体作为复合腔模型，考虑第1 章绪论反馈因素的影响，给出了当外反射器的距离小于激光器的相干长度时的速率方程【2 9 1 ，将半导体激光器动态特性的研究提升到一个新的阶段。该复合腔模型表明半导体激光器的动态特性依赖于外腔长度、反馈强度、注入电流和激光器的线宽展宽因数，研究还表明光反馈能够导致激光器呈现双稳态。他们的研究工作为光反馈自混合干涉理论的进一步研究和应用奠定了基础。1 9 8 4 年，c h u r n s i d e 研究了激光d o p p l e r 测速【划，其测量原理是利用背向散射光引起c 0 2 激光器输出强度波动。由此，光反馈的这种效应引发诸多学者的兴趣，人们开始探讨该现象产生的物理本质及有效利用这种现象进行物理量测量的方法，并逐渐统一用术语“背向散射” 3 t , 3 2 或“自混合”0 , 3 l 来描述该效应。光反馈自混合干涉现象的研究中还发现一些传统干涉所不具备的其他特点。早在1 9 8 4 年，g e a g r a w a l 等报道，使用一长达7 k m 的光纤端面作为外反射器，观察到反馈光对激光器强度的调制现象【3 3 1 。其后，又有研究报道，当反馈光光程大于单体激光相干长度时，使用半导体激光器也能观察到类似结果。这一惊人特点使光反馈自混合干涉技术应用又有长足进步。但已有的理论模型均不能解释此现象。因上述理论模型均基于“自混合干涉与传统干涉动态特性类似”而在相干长度范围内建立，故不具备普遍性。1 9 8 6 年，r w t k a c h 和a r c h r a p l y v y 对半导体激光器在光反馈条件下的工作情况进行了研究，发现随着光反馈水平的增加，半导体激光器的工作状态可分为五个运行机制【2 。1 9 8 7 年，s h i m i z u 在使用光反馈自混合干涉仪进行d o p p l e r 测速研究时发现：在较强光反馈水平下，激光器输出强度为一非对称的类锯齿波信号，不像传统干涉那样为对称的正弦信号，且该类锯齿波的倾斜方向与d o p p l e r 速度方向有关。信号频谱不仅包含对应于d o p p l e r 频移的基频分量，而且包含其各次谐波分量【3 们。1 9 8 8 年，g r o o t 等对锯齿波干涉信号的产生机理进行了分析和解科3 甜。他们提出了用三镜f p 腔模型结构等效光反馈自混合干涉系统，从r l o n gk u b o y a s h i 方程2 9 1 出发，给出了描述系统输出光强的数学表达式，并分析了光反馈自混合相干测距及测速结果，解释了类锯齿波现象。其模型分析结果与2第1 章绪论实验结果相吻合。自此以后，光反馈自混合干涉机理的探讨摆脱了传统光干涉理论。1 9 9 0 年，g r o o t 又采用多模半导体激光器探讨了光反馈自混合干涉效应，首次分析了双模半导体激光器强度波动原理【3 5 1 ，为多模光反馈自混合干涉机理的探讨和应用打下基础。1 9 9 1 年，k o e l i n k 等利用光反馈自混合干涉对动物体内血液流动速度进行测量，建立其理论模型，认为反馈光引起激光器内部一系列参数的变化，形成了对激光强度的调制3 们。由于其模型仅针对其实验系统，故不具备普遍研究意义。1 9 9 2 年，w m w a n g 研究光纤耦合的l d v ( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m c t e r ) ，发现光反馈水平较高时，d o p p l e r 信号的频谱不象传统的d o p p l e r 信号频谱那样对应单一频线，而是含有高次谐波3 7 1 。再次说明，光反馈自混合干涉现象用传统干涉理论是难以解释的，这是因为光反馈同时影响激光器的阙值和谱特性。1 9 9 4 年，w m w a n g 试图对光反馈自混合干涉现象作一完善解释，依据f - p 型激光腔的稳态激发条件，建立了系统模型【。认为反馈光导致激光器增益的变化从而引起光强的波动；同时，谱的变化决定了信号波形形状及干涉的相干特性。这一结论很好的解释了已有光反馈自混合干涉现象，但其定性说明缺乏严格意义上的数学描述，且仍有部分实验现象不能被其理论所解释。1 9 9 5 年，j a m e sa s m i t h 将注入锁定理论引入光反馈自混合干涉现象的解释，认为光反馈自混合干涉系统中，反馈光通过一个类似注入锁定的过程，把外反射物的运动信息映射到激光的幅值和相位上。在一个标准的注入锁定关系中增加一个自一致条件，由此导出激光的幅值及相位波动特性，并用实验加以验证，该结论仅适用于弱光反馈3 引。1 9 9 6 年，r c a d d y 利用双镜等效模型对位移干涉信号相位特性进行了初步分析3 9 1 ，仅指出信号相位具有非线性的特点，缺乏全面的理论分析。1 9 9 8 年，孙晓明等利用双镜腔等效模型对光反馈自混合干涉进行了理论分析研究，推导出了光反馈自混合干涉信号理论模型的数学表达式柏】。并介绍了一种基于调频的半导体激光自混合干涉绝对测距方法【4 1 1 。3第1 章绪论2 0 0 3 年，禹延光等给出了光反馈自混合干涉位移测量系统的稳态解1 4 2 】。王鸣等研究了双重外腔的光反馈自混合干涉模型及其信号的调制和解调1 4 3 1 。同年，丁迎春等对一般h e n e 激光和频率分裂激光器中偏振态相互垂直的o光和e 光的光反馈自混合干涉的模式进行了研究，发现并解释了单模变三模的现纠4 4 1 。2 0 0 5 年，陆敏等提出了一种利用半导体激光器的自混合散斑干涉测量流体速度的简便易行的方法1 2 8 1 。根据散斑和法布里珀罗腔的理论，提出了半导体激光器的自混合散斑干涉模型。研究了流体运动时在半导体激光器内产生的自混合散斑干涉效应( s m p i ) 。2 0 0 5 年1 2 月，g u yp l a n t i e r 等研究分析了光反馈自混合干涉传感器的系统模型4 5 1 。随着光反馈自混合干涉技术研究的日益成熟，该技术由于该系统具有无需外部发射光源和光电监测器、结构简单紧凑、自准直能力、高灵敏性等特点而引起越来越多的学者的关注和研究。1 2 光反馈自混合干涉系统参数测量的意义一、线宽展宽因数随着信息化社会的发展，光电子器件产品是代表一个国家光电子信息技术发展水平的关键，通信网络的发展对光电子器件的依赖程度越来越高。半导体激光器的出现使光电子信息技术的发展产生了的飞跃，激光源不仅解决了时间相干性与光强的矛盾，还解决了空间相干性与光强的矛盾，因此大大提高了光源性能。激光源可以做到输出面为等相面，从而整个激光束截面都是空间相干的。因此，利用激光源很容易进行干涉测量【4 6 1 。半导体激光器已成为光电子技术领域的重要光源。与其他类型的激光器相比，半导体激光器具有体积小、重量轻、结构简单、转换效率高、寿命长、可靠性高、价格低廉、易于与其他器件实现单片光电子集成等优点。因此在光纤通信、光信息处理、精密测量、显示技术、激光雷达、激光测距、大气环境检测等领域获得了广泛的应用。据2 0 0 5 年市场调研，半导体激光器已经4第1 章绪论占据了整个激光器市场的6 9 。线宽展宽因数是影响半导体激光器许多特性的一个比较重要的参数。它决定了激光的线宽、模式稳定性、光放大系数、光反馈响应、注入锁定范围及电流调制下啁啾现象等。另外，线宽展宽因数在长距离、大容量的光通信系统应用中也起着重要的作用。因此，半导体激光线宽展宽因数的精确测量对推动半导体激光器的研究和应用有着重要的意义。近二十年来，建立精确的测量l e f 值的装置系统已成为一个比较热的研究课题。线宽展宽因数概念的提出可追溯到2 0 世纪6 0 年代4 刀。1 9 6 7 年，与口相似的因数首先出现在h a u g 和h a k e n 的早期论文半导体激光发散噪声理论中，他们发现在半导体激光器中光相位的波动会以( 1 + 口，2 ) 增加，用口；表述折射率与增益变化间的关系。但h a u g 和i l a k e n 忽略了更重要的因素载流子，没有注意到口在半导体激光器中的重要性，从而假定口：a o 。1 9 8 2 年，美国芝加哥学者h e n r y 通过测量单模激光光谱较精确地得到了线宽展宽因数【4 引。他在线宽展宽因数的研究上取得了实质性的突破，发现激光场强度变化和相位变化之间的相互作用使谱线展宽了( 1 + 盯2 ) 倍。另外，他还发现激光特性与折射率、增益的变化以及载流子浓度等存在一定的关系。1 9 9 7 年，c m a s o l l e r 研究了口对含光反馈的半导体激光器性能的影响规律，他指出：在电场速率方程中，激光器的频率在阈值处展开的泰勒级数与光增益g 和口有关【4 9 1 。此后，各国学者对线宽展宽因数的测量展开广泛的研究，意大利、日本、法国、韩国等国家的研究小组不断报道有新的线宽展宽因数理论及其测量方法。现存的测量方法有：通过增益和波长偏移的测量，调幅的测量，线宽、谱线线形以及噪音的测量，外腔和注入锁定的测量以及光反馈自混合干涉技术的测量等 4 8 - 5 1 , $ 7 删。线宽展宽因数( l i n e w i d t he n h a n c e m e n tf a c t o r ) 口定义为折射率实部与虚部的变化之比( 折射率实部的变化表示载流子浓度变化导致的光场相位的变化；折射率虚部的变化表示载流子浓度的变化导致的介质增益的变化) 。它的值通常在0 8 9 范围内。表达式如下：第l 章绪论口：o n r i o n钆o n其中，、和一，分别表示激光器介质的载流子浓度、复折射率实部和虚部。通常，线宽展宽因数也常称为h e n r y 参数、线宽增强因数、相位一噪声增强因数等 4 8 - 4 9 , 5 2 1 。国内常称为线宽增强因子、线宽提高因子、谱线展宽因子等 4 9 , $ 3 - 5 4 , 5 7 石0 。一般来说，口与半导体激光器的载流子浓度、光子能量、结构材料和外界环境温度有着密切的关系5 3 5 6 】：盯随载流子浓度的增加而增加；口随光子能量的增加而减小；口受激光器结构材料的影响，比如，多量子阱激光器的口数值通常较小，一些新型材料( 如i n g a n a s g a n a s ) 激光器的口数值更小；口通常随外界环境温度的降低而减小。利用光反馈自混合干涉系统测量线宽展宽因数，具有结构简单、测量参数少等优势，且易搭建试验平台。以下是近几年国内外学者在这方面做得研究工作：2 0 0 3 年，禹延光与g g u i l i a n i 提出了基于适度光反馈下激光自混合干涉效应的线宽展宽因数的测量方案。其测量精度不高，且容易受到环境噪声的干扰和示波器分辨率的影响。但是，此测量方法简单，且突破了弱光反馈机制下测量的局刚5 7 1 。2 0 0 4 年，禹延光与李世阳提出了基于弱光反馈机制下光反馈自混合干涉效应的线宽展宽因数最小二乘估计测量方案。该方法提高了参数的测量精度。但是，数据处理过程非常复杂，处理速度较慢【5 s 】。2 0 0 5 年，习江涛与禹延光提出了基于弱光反馈下光反馈自混合干涉效应的线宽展宽因数估计方法，主要是利用梯度最优迭代的线宽展宽因数的测量算法。随后又提出了改进的梯度迭代公式，并在参数迭代时引入了可变步长i t , 0 1 。仿真结果表明算法不仅测量精确度较高，而且抗噪声性能较好【5 9 】。二、光反馈水平因数光反馈水平因数也是半导体激光器的一个重要参数。反馈水平在不同程度上影响着以下参量：激光的强度噪声、线宽展宽、谱效应等。它的重要性6第l 苹绪论人们在三十年前就已经得知并用实验得出结论，但是直到近两年才有学者开始研究它的估计和测量方法。光反馈水平因子c 的值取决于反射面的折射率和外部运动物体的距离。定义为c = 占l 再7 i ( 1 一足) ( ，押i ) ，其中r 2 为激光器输出面的折射率，月。为外部目标体的折射率，为激光器谐振腔的长度，n 为激光器介质折射率，占为出射光和反馈光模式问的空间耦合系数( 典型值为o 1 0 8 ) ，l是外腔长度，口为线宽展宽因数。在较弱的反馈水平下，半导体激光器工作在单模状态，输出强度波形为传统的类锯齿波，反馈水平的增加明显依赖于外部反射物体的反射系数和它到半导体激光器外腔镜的距离；在适度光反馈水平下，根据的贝克豪森相位方程出现三值解情况，半导体激光器工作在几个外腔模式发生跳变之间，而不再是单模工作状态，跳变的大小和几率取决于反馈强度和外腔的长度，且随着反馈水平的增加，模跳变的几率减小，此时光反馈自混合干涉信号出现滞回现象；在较强光反馈水平下，激光器的单模运转对应低线宽，随着反馈水平的增加，激光器处于相干淬灭阶段，其表现是相干距离急剧变小，噪声增加和频谱中存在附属s a t e l l i t e 模式；当反馈水平增大的一定程度时，激光器运行在窄线宽模式，此时，需要在激光器表面涂上防反膜或者将注入电流降低很多【3 4 1 。目前，应用于传感领域的c 值范围是在0 卜4 6 之问的弱反馈和适度光反馈。弱反馈机制( 0 c 1 ) 时，光反馈自混合干涉信号为正弦波，与传统干涉信号类似；适度光反馈机制( 1 c 4 6 ) 时，光反馈自混合干涉信号为类锯齿波信号，但由于该反馈机制下激光器处于双稳态，波动的正反行程所对应的自混合信号出现跳变现象。2 0 0 5 年，禹延光与闫艳霞仿真分析了光反馈水平因子c 对光反馈自混合干涉信号的影响【3 1 。并提出随着c 的增加，外腔振动一个周期正反行程对应的光反馈自混合干涉信号的正( 负) 峰值差越来越大，可以利用此峰值差来测量光反馈水平因子c 的设想。图1 1 为光反馈水平因数c 对光反馈自混合干涉信号的影响。7第1 章绪论5 0喜o- 5 01一g - o11一苗o101 嘲砌1一君01御舢t( a )01 0 0 0珊姗4 0 0 0q 1 3 1 3 06 0 0 00加硼4 删5 0 0 0( c )01 咖2 0 口01g 一- o1g - 01姗砌油01 咖砌砌舢砌6 咖( e )o1 0 0 02 0 0 0硼4 0 0 0( 。图1 1c 对o f s m i 信号的影响1 3 论文主要研究内容课题来源于国家自然科学基金项目基于光反馈干涉效应的多参数纳米级传感测试，( 6 0 5 7 4 0 9 8 ) ) ) 和教育部重点项目半导体激光参数的测量j 基于光反馈自混合效应( 2 0 6 0 8 6 ) 。本文以光反馈自混合干涉效应为理论研究基础，研究适度光反馈机制下光反馈自混合干涉系统参数的自动测量算法。主要包括光反馈自混合干涉信号的精确提取和适度光反馈机制下的光反馈自混合干涉系统参数测量理论。鉴于此，论文内容安排如下：第l 章绪论第一章详细地介绍了光反馈自混合干涉技术的研究历史和半导体激光器参数测量的意义，最后给出了本文的结构安排。第二章介绍了光反馈自混合干涉系统组成及该干涉技术的应用，介绍了光反馈自混合干涉系统基本数学模型，分析了适度光反馈水平下光反馈自混合干涉信号特点，给出了基于适度光反馈自混合干涉技术测量半导体激光器参数的基本理论。第三章建立和分析了光反馈自混合干涉信号数据样本；研究了如何自动提取一个周期的光反馈自混合干涉信号，以及特征点提取及特征时间间隔的获取方法；分析了不同条纹对计算结果的影响，给出了最佳条纹选取规则和最佳测量条件；最后给出了测量流程图及仿真测量结果，并用相对误差验证了其算法的精确度。第四章根据自动测量算法对信号的特征点的需求，研究了信号的去噪问题及信号的归一化处理问题；将经去噪和归一化处理后的实验数据，用于验证自动测量算法的可行性与精确性。第五章给本文做出了的结论，并对该领域有待进一步研究探索的问题作了展望。9第2 章光反馈自混合干涉系统参数测龟理论第2 章光反馈自混合干涉系统参数测量理论本章首先简单介绍了光反馈自混合干涉系统组成及其应用，然后介绍了光反馈自混合干涉系统基本数学模型，分析了适度光反馈水平下光反馈自混合干涉信号特点，最后给出了基于适度光反馈自混合干涉技术测量半导体激光器参数的基本理论。2 1 光反馈自混合干涉系统组成光反馈自混合干涉( o f s m i ) 系统由半导体激光器、自聚焦透镜、外部反射物体三部分组成，本文理论模型采用如图2 1 所示的三镜腔f p 等效模型。其中，l d为半导体激光器；r l 、心和以分别表示激光内腔镜和外部反射镜的幅值反射率( 假定r l = 蹦；如l 和三f 分别是激光管内腔和外腔长度；m z 为激光器前端面；尬为激光器后端面；m 为外部运动物体；p d 为封装在激光器内部的光探测器。图2 1o f s m i 系统的三镜腔f - p 等效模型如图2 1 所示，l d 前表面奶辐射光经自聚焦透镜m 2 照射在被测物体盯上，被散射( 或反射) 后，一部分光又经原路反馈回激光器谐振腔，同谐振腔内的原始光相结合形成新的激光振荡，新的激光波长及功率依赖于反馈光的相位及强度。当被测物体膨沿光轴移动时，输出光功率也发生变化，由p d 监测激光器输出光功率。该检测到的信号不仅携载外部物体特性与运动规律等信息，l o第2 章光反馈自混合干涉系统参数测量理论而且携载激光器自身参数的信息。与传统的双光束干涉相比，光反馈自混合干涉有以下特点：( 1 ) 光反馈自混合干涉不依赖光源的相干长度。与传统干涉仪相比，具有更大的测量范围，这是光反馈自混合干涉的一个显著特点。( 2 ) 光反馈自混合干涉与传统双光束干涉的灵敏度相同，但由于其测量系统具有结构简单、紧凑、易准直等特点，所以在很多应用领域中光反馈自混合干涉设备取代了传统干涉仪。( 3 ) 光反馈自混合干涉技术能辨识外部运动物体的运动方向。在适度光反馈机制下，光反馈自混合干涉信号是非对称的类锯齿波信号，倾斜方向敏感于外部运动物体的运动方向，无需任何附加元件，就能辨识外部运动物体的运动方向。它为速度、位移的方向辨识提供了新的解决方案。( 4 ) 在光纤耦合系统中，光反馈自混合干涉不受光纤传输模式的影响。不仅解决了反馈光的耦合问题，而且其测量系统的光路更易准直、信号的信噪比更高、系统造价更低。( 5 ) 光反馈自混合干涉不依赖所使用的激光器类型。因此，其测量系统可使用廉价的、低相干的固体激光器。2 2 光反馈自混合干涉技术的应用光反馈自混合干涉技术具有上述诸多优点，已经被广泛应用于工业和实验等各个领域，主要有两大应用：几何量传感测量，包括位移、速度和振动等；系统参数测量，包括激光线宽和线宽展宽因数等；一、几何量传感测试光反馈自混合干涉的机理不同于传统的干涉，通常，光反馈自混合干涉信号是不对称的，但在一定的条件下，外腔长度变化引起的激光器输出强度的波动类似于传统双光束干涉现象，即一个条纹对应半个光波波长的位移，强度波动深度与传统双光束干涉系统相当。在光反馈自混合干涉信号中，相位和振幅第2 章光反馈自混合干涉系统参数测晕理论的变化与外腔的光程及外反射体的表面有关，这个性质主要用于外部物体几何量的测量，包括外部物体的位移、速度( 固体和流体) 和振动等。1 9 9 8 年，马军山和禹延光研究出了一种基于激光自混合干涉理论的新型位移传感器【2 2 1 。2 0 0 2 年，黄民双研究出了一种新型激光自混合干涉光纤应变传感器，这种传感器结构灵巧，灵敏度较高【2 3 】。2 0 0 4 年，禹延光和李世阳研究出了含参考臂的半导体激光干涉测距系统【2 4 】。2 0 0 4 年，王鸣等人研究出了光反馈自混合干涉微位移传感器，该传感器利用快速傅立叶变换相位探测技术分析自混合干涉信号，提高了相位的测量精度，可用于亚微米级位移的测量和控制【2 5 1 。2 0 0 5 年，陆敏等人提出了利用半导体激光自混合散斑干涉测量流体速度，主要根据散斑和法布里泊罗腔的理论，提出了光反馈自混合散斑干涉模型，研究了光反馈自混合散斑干涉效应，利用散斑干涉的平均频率与流体速度的关系测量高分子材料溶液的速度嘲。另外，光反馈自混合干涉技术不断扩展测量领域，被用于更复杂的测量领域，如：光学器件或光学系统的特性测试、平直度测量、血液流速测量、角度测量、形貌测量、探伤研究、工件分类等。尤其是与大规模集成制造技术相结合，利用表面微机械技术，可以使微光学动力系统集成在单片半导体基片上，已经开始向微型传感器发展。二、系统参数测量利用光反馈自混合干涉技术测量激光器参数是新近发展起来的一项技术，主要测量线宽和线宽展宽因数。( 1 ) 线宽测量2 0 0 4 年，意大利p a v i a 大学g g u i l i a n i 等人提出了基于光反馈自混合干涉效应的激光器线宽的测量方案6 ，利用自拍技术通过转换外加类锯齿波来测量了相应的自混合干涉信号，从而提取激光线宽信息。( 2 ) 线宽展宽因数测量1 2第2 章光反馈白混合干涉系统参数测帚理论2 0 0 3 年，禹延光与g g u i l i a n i 提出了基于适度光反馈机制下光反馈自混合干涉效应的线宽展宽因数的测量方案5 7 1 。主要是通过测量光反馈自混合干涉信号的波形尺寸来提取半导体激光线宽展宽因数。该方法是在适度光反馈机制下对信号参数的测量。由于适度光反馈机制下非线性效应的存在，使得光反馈自混合干涉信号不太符合已有光反馈自混合效应数学模型的描述，从而测量精度不高。2 0 0 4 年，禹延光与李世阳提出了基于弱光反馈机制下光反馈自混合干涉效应的线宽展宽因数估计测量方案1 5 引。主要是利用数据一模型拟合知识和非线性最小二乘估计理论测量半导体激光器线宽展宽因数。该方法充分利用了测量数据，提高了参数的测量精度。但是，数据处理过程非常复杂，处理速度较慢。另外，在进行参数迭代时，只有迭代初值接近于真实值时才能进行精确测量，否则，测量精度较差，因此，这种方法需要对被测参数进行初步估值。2 0 0 5 年，习江涛与禹延光等提出了基于弱光反馈下激光自混合干涉效应的线宽展宽因数估计方法【5 9 1 。主要是利用梯度最优迭代的线宽展宽因数的测量算法，并提出了改进的梯度迭代公式，并在参数迭代时引入了可变步长【6 0 】。仿真结果表明算法不仅测量精确度较高，而且抗噪声性能较好。本文是在文献 5 7 】提出的适度光反馈机制下光反馈自混合干涉系统参数的测量基础上，提出了自动测量算法。2 3 光反馈自混合干涉系统基本模型由文献 5 7 6 0 】可知，光反馈自混合干涉( 0 f s m i ) 系统基本模型可描述为：癖( f ) = c o ( r ) 一c s i n # f ( f ) + a r e t a n ( a ) ，( 2 1 )p ( 以( f ) ) = a o 1 + m g ( 诈( f ) ) 】，( 2 2 )g ( 九( f ) ) = c o s ( 九o ) ) ，( 2 3 )方程( 2 1 ) 称为相位方程，其中的参数定义如下：癖( f ) = 国f f ：带反馈的外腔器相位；丸( f ) = r ：不带反馈的外腔器相位；咋：含外腔的激光角频率；第2 章光反馈自混合干涉系统参数测龌理论：不含外腔的激光角频率：c ：系统反馈水平因数；f = 2 1 。知，f 表示光在外腔内飞行的往返时间，珐表示外腔长，c 表示真空中光速；口：线宽展宽因数。方程( 2 2 ) 是半导体激光器发射光的强度方程，其中p ( 癖( f ”：有光反馈时的输出光强；p o ：无光反馈时的输出光强；m ：调制系数( 典型值m 一1 0 - 3 ) ；g ( 九) ：0 f s m i 函数，由方程( 2 3 ) 定义。2 4 适度光反馈机制下光反馈自混合干涉信号特点系统反馈水平因数c 的值取决于反射面的折射率和外部运动物体的距离。目前，应用于传感测量领域的c 的值范围是在o 1 - 4 6 之间的弱反馈和适度光反馈。如前所述，适度光反馈机制下，光反馈自混合干涉信号为肺对称的类锯齿波，倾斜方向敏感余外部运动物体的移动方向。下面，通过改变c 值的大小，观察光反馈自混合干涉系统基本模型中相位特点及干涉信号的特点。首先，由基本数学模型2 1 ，可得丸( f ) = 以( f ) + c s i n 妒p ( f ) + a r a a n ( a ) 】= 州办( f ) ；c 盯】，( 2 4 )办( f ) = f e # o ( t ) ；c ，口】垒“ 唬( f ) ；c ，口】，( 2 5 )函数f ( ) 和形( ) 表明半导体激光器的相位仅与c 和口的值有关。图2 2给出了瑾= 4 ，c 分别为0 3 、1 和3 时函数( ) 的波形图。围困f 二订l 二生竺塑i图2 2 仃- - 4 c 分别为0 3 、1 和3 时函数w ( ) 的波形图1 4cei苫-8善第2 章光反馈自混合干涉系统参数测争理论由图可见，当c l 时，系统进入多模状态。特别显著的是，在适度光反馈水平( 1 c 3 时，某些干涉条纹的过零点消失，此时无法满足测量条件，故不能测出所需参数的值。因此本文的最佳测量条件是：1 c 3 。蔷0 1e 歪艇盈正盈理圈吕- 0 1e 亚巫亚蔓三互堡堕野e 亚逐圈歪至乏翌翌强孑- 0 1 巨豆玉匝歪至三里里盈1君011一苦。一105 1 叨疆m05 1 0 0 0150口2000砌3 3 0 0图3 8c 值的变化对o f s m i 信号的影响3 6 自动测量算法的实现将上述光反馈自混合干涉信号数据样本建立、自动提取一个振动周期的光反馈自混合干涉信号，特征点的提取及特征时间间隔的计算方法及最佳条纹选取规则和最佳测量条件综合考虑起来，完成自动测量算法的实现。其自动测量算法的步骤为：1 自动选取一个振动周期的光反馈自混合干涉信号；2 判断是否符合最佳测量条件；第3 章自动测阜方法的研究与实现3 提取信号特征点；4 计算特征时间间隔：5 计算出该振动周期内每对条纹对应的测量值；6 根据最佳条纹选取规则得到最后的测量值。测量流程图如图3 9 所示：图3 9 自动测量算法流程图利用上述自动测量算法流程，固定f = 4 0 a z 、f o o = 3 9 x 1 0 6 ，给定以下7 组a 、c 和的值，得到o f s m i 信号仿真数据测量结果如表3 2 所示，其中以为测量值口的相对误差。第3 章自动测晕方法的研究与实现表3 2仿真测量结果o f s m l0 f s m io f s m lo f s m io f s m io f s m l信号l信号2信号3信号4信号5信号6a6 万8 5 石1 4 1 r1 4 x8 2 万8 2 丌真值c2222 52 52 5口022332 52 2口2 ，0 8 32 0 8 63 0 4 03 0 0 l2 5 9 92 2 7 9测量以4 1 5 4 3 0 1 3 3 o 0 3 4 9 6 3 5 9 结果c1 8 3 81 8 3 82 0 0 32 4 5 22 3 7 52 3 7 4疋8 1 8 1 o 1 5 2 - 4 6 2 5 6 3 3 7 本章小结本章建立了适度光反馈水平下自混合干涉系统参数的自动测量算法，其中包括：l 、如何自动提取一个周期的光反馈自混合干涉信号；2 、特征点提取及特征时间间隔的获取方法；3 、最佳条纹选取规则的确定；4 、最佳测量条件；5 、测量步骤及其测量流程图。最后，给出了该自动测量算法的仿真结果，并用相对误差验证了其算法的精确度，其中a 的测量相对误差小于4 9 6 。第4 章实测数据处珲分析第4 章实测数据处理分析文献【5 7 】中的光反馈自混合干涉系统的线宽展宽因数口的测量，该是在适度光反馈机制下，通过数字示波器采集光反馈自混合干涉信号，测量波形尺寸，从而计算口的值，该测量方法简单可靠，但会受到噪声的干扰影响，从而降低测量精确度。本文是在此方法的基础上实现的自动测量算法，对干涉信号的要求更高，故本章具体研究介绍了实验数据的采集、信号的噪声处理、归一化处理，并将自动测量算法应用于经处理后的实验数据，验证了自动测量算法的可行性。4 1 实验数据的获得本文采用如图4 1 所示光反馈自混合干涉系统实验装置测量半导体激光器参数。图4 2 为本课题组采用的实验设备实物图。图4 1 光反馈自混合干涉系统实验装置第4 章实测数据处珲分析系统组成：图4 2 实验装置实物图实验装置如图4 1 、4 2 所示，包括光学系统和电学系统两个部分。光学系统：半导体激光器、扬声器。电学系统：激光器的驱动电路和数字示波器。元件说明：半导体激光器( l d ) 工作在直流偏置状态，偏置电流高于它的阀值电流；透镜将激光器的辐射光聚焦在外反射体上，起光束的聚焦、准直和矫正作用；连续可调衰减器控制光反馈水平使系统工作在稳定状态；封装在半导体激光器内部的光电二极管( p d ) 用来探测激光器的功率，该实验系统不需要外加探测器；数字存储示波器与个人计算机连接，智能读取信号波形获得测量信息；扬声器被信号发生器驱动，信号发生器产生正弦信号；温度控制器用来控制实验系统的温度，保证激光器性能在实验中不发生变化；半导体激光器的性能指标与要求：第4 章实测数据处理分析实验系统的核心元件是半导体激光器，半导体激光器的各项性能都可能会影响到测量结果，因此我们必须了解半导体激光器的基本性能。半导体激光器的基本特性如下：1 阀值电流阀值电流是半导体激光器的一个重要的参数。当注入电流小于阀值电流时，激光器的输出光功率特别小；当注入电流高于阀值电流时，激光器工作在线性区。通常都是利用这个线性特性实现对激光强度的调制。因此实验中，必须将注入电流高于其阀值电流。2 电谚缸一电压特性( i v )对于半导体激光器来说，较弱电压的波动会引起较强的电流波动，从而使光强产生较强的波动。鉴于此，实验中采用了恒流源电路作为激光器的驱动电路。在电流控制系统中，激励电流直接决定着半导体激光器的光输出特性，因此对半导体激光器的电源要求较为严格，主要有以下要求：( 1 ) 由于注入电流的稳定性直接影响激光器的输出。因此要求半导体激光器的电源是一个恒流源，并具有很高的电流稳定度和很小的纹波系数。( 2 ) 半导体激光器作为一种结型器件，对于电冲击的承受能力较弱，因此半导体激光器的电源中必须具有抗冲击措施和保护电路。( 3 ) 体积小、耗电量低，电源中无高压，安全性好。激光器的电源一般由如下部分组成：精密基准电压源、电压电流转换器和电流放大器。根据所采用激光器类型及实验要求，电源应用具有电流上限的限位电路，以防止冲击电流毁坏激光器。干涉信号检测电路包括电流一电压转换、交流放大、二阶有源低通滤波部分。通频带上下截止点受测量物体运动速度的上下限约束。信号发生器电路用做被测物扬声器的激励源。3 温度效应激光器的输出波长依赖于结温度，通常，结温度增加，激光器的发射波长增加。因此要想输出稳定的波长，必须进行恒温控制。实验系统中的温度控制器就是为了保证恒定的输出。另外，半导体激光器的发射光较为发散，需要进行聚焦和准直。实验系统3 2第4 章实测数据处理分析中的透镜有利于获得发散度小、准直度高的光束，同时，还提高了系统光能的利用率。由实验系统装置可以看出：系统结构简单、紧凑、易准直。实验说明：( 1 ) 本文实验使用的激光器型号为h l 7 8 5 1 g ，偏置电流为9 0 m a ，工作在单模状态。( 2 ) 信号发生器产生的正弦信号频率为7 3 h z ，峰一峰值为7 3 6 m v 。( 3 ) 温度控制器将半导体激光器的温度控制在2 5 0 1 在上述实验条件下，测量得到的一组数据如图4 3 所示。4 2 噪声处理圈4 3 实验原始采集数据在实验过程中，光学频率的涨落和环境的扰动等都会影响光反馈自混合干涉信号的质量。这导致由实验数据采样得到的信号伴随有大量的高频噪声。这些噪声的存在严重影响着本文自动测量算法的实现和测量结果的精确性。为了准确的获取参数信息，就必须去除夹杂在有用信号中的噪声信号。第4 章实测数据处理分析信号去噪是信号处理领域的经典问题之一。传统的去噪方法主要包括线性滤波和非线性滤波，它的不足之处在于使信号变换后的熵增高、无法刻画信号