激光多普勒自混頻技術(shù)的研究

姚臣益

【摘要】結(jié)合自混合干涉原理和多普勒測(cè)速原理，將多普勒頻移現(xiàn)象引入激光二極管。當(dāng)來(lái)自被照射的物體表面的反射或散射光反饋回激光器時(shí)，把光強(qiáng)調(diào)制成為多普勒的頻移信號(hào)。安裝在激光器尾部的光電二極管，檢測(cè)光學(xué)反饋生成的頻移信號(hào)確定物體的狀態(tài)。設(shè)計(jì)了VCSEL激光器自混合多普勒測(cè)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)推導(dǎo)出的VCSEL激光器自混合多普勒測(cè)速理論進(jìn)行了初步的驗(yàn)證。

【關(guān)鍵字】激光多普勒效應(yīng) 激光自混合干涉 VCSEL激光器 振動(dòng)測(cè)量

一、引言

關(guān)于自混合干涉的研究，國(guó)際上以日本靜岡大學(xué)S.Shinohara教授和意大利Pavia大學(xué)S.Donati教授為代表的一些學(xué)者相繼建立和發(fā)展了激光自混合干涉測(cè)量的基礎(chǔ)和技術(shù)。

早期的研究集中于距離，位移和速度測(cè)量的原理和技術(shù)，近幾年，他們大大開(kāi)拓了自混合干涉技術(shù)的應(yīng)用范圍，如進(jìn)行模具分析、形貌測(cè)量、無(wú)損探傷等，并于大規(guī)模集成制造技術(shù)相結(jié)合向微型傳感器方面發(fā)展。

國(guó)內(nèi)主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)強(qiáng)錫富教授的課題組、天津大學(xué)姚建荃院士的課題組和南京師范大學(xué)的課題組進(jìn)行這方面的研究，這些研究都得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，已經(jīng)提出和解決了自混合干涉理論和位移測(cè)量方法的一些技術(shù)問(wèn)題。

二、方法

結(jié)合自混合干涉原理和多普勒測(cè)速原理，將多普勒頻移現(xiàn)象引入激光二極管，檢測(cè)光學(xué)反饋生成的頻移信號(hào)確定物體的狀態(tài)。選擇VCSEL激光器組成自混合多普勒測(cè)速系統(tǒng)。

2.1 原理

根據(jù)Lang-Kobayashi速率方程方法。光強(qiáng)與頻率的關(guān)系式

如果反饋系數(shù)C<1時(shí)，激光器的工作將變得不穩(wěn)定，輸出的噪聲增大，并發(fā)生跳模。另外，被測(cè)目標(biāo)不同運(yùn)動(dòng)方向所致的不同相位，會(huì)影響到鋸齒波的形狀（斜率），籍此可以判別被測(cè)運(yùn)動(dòng)的方向。

2.2 系統(tǒng)

VCSEL激光自混合多普勒測(cè)速系統(tǒng)由VCSEL激光器、激光擴(kuò)束透鏡、外部反射物體組成簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)，激光管驅(qū)動(dòng)電路及光功率監(jiān)測(cè)電路組成電學(xué)系統(tǒng)。VCSEL激光自混合干涉原理示意圖如下所示。

三、仿真實(shí)驗(yàn)

本文根據(jù)上述的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)將一小塊平面鏡作為靶鏡粘貼在揚(yáng)聲器上，通過(guò)激光器的電流高于閾值，為8mA，激光器發(fā)出的光經(jīng)激光擴(kuò)束透鏡后平行出射，經(jīng)衰減器照射在靶鏡上，調(diào)整光路使反射光能夠進(jìn)入激光腔，由于經(jīng)過(guò)衰減器，反饋回激光腔的光很弱。

由于實(shí)驗(yàn)中只有一個(gè)光路，所以光路調(diào)節(jié)起來(lái)相對(duì)容易的多。用信號(hào)發(fā)生器的正弦波（2kHZ）輸出驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器信號(hào)源輸出電壓lOmV。有光反饋時(shí)，PD探測(cè)到LD輸出的變化，PD接收的信號(hào)經(jīng)后續(xù)電路處理后，顯示在示波器上。

在實(shí)驗(yàn)中，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)裝置，并且得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些說(shuō)明我們研究的VCSEL激光器自混合多普勒測(cè)速原理可以真正的運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)中去，制作出一個(gè)緊湊、便利、實(shí)用的傳感測(cè)速器。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合自混合干涉原理和多普勒測(cè)速原理，使用VCSEL激光器實(shí)現(xiàn)測(cè)速。為將來(lái)自混合多普勒測(cè)速運(yùn)動(dòng)到現(xiàn)實(shí)中提供了良好的基礎(chǔ)。