姚臣益

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

【關(guān)鍵字】激光多普勒效應(yīng) 激光自混合干涉 VCSEL激光器 振動測量

一、引言

關(guān)于自混合干涉的研究，國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，位移和速度測量的原理和技術(shù)，近幾年，他們大大開拓了自混合干涉技術(shù)的應(yīng)用范圍，如進(jìn)行模具分析、形貌測量、無損探傷等，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。

國內(nèi)主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)強錫富教授的課題組、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量方法的一些技術(shù)問題。

二、方法

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

2.1 原理

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

如果反饋系數(shù)C<1時，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，被測目標(biāo)不同運動方向所致的不同相位，會影響到鋸齒波的形狀（斜率），籍此可以判別被測運動的方向。

2.2 系統(tǒng)

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

三、仿真實驗

本文根據(jù)上述的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實驗，對將一小塊平面鏡作為靶鏡粘貼在揚聲器上，通過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)過衰減器，反饋回激光腔的光很弱。

由于實驗中只有一個光路，所以光路調(diào)節(jié)起來相對容易的多。用信號發(fā)生器的正弦波（2kHZ）輸出驅(qū)動揚聲器，揚聲器信號源輸出電壓lOmV。有光反饋時，PD探測到LD輸出的變化，PD接收的信號經(jīng)后續(xù)電路處理后，顯示在示波器上。

在實驗中，構(gòu)建了實驗裝置，并且得到了較好的實驗結(jié)果。這些說明我們研究的VCSEL激光器自混合多普勒測速原理可以真正的運用到現(xiàn)實中去，制作出一個緊湊、便利、實用的傳感測速器。

四、結(jié)束語

本文結(jié)合自混合干涉原理和多普勒測速原理，使用VCSEL激光器實現(xiàn)測速。為將來自混合多普勒測速運動到現(xiàn)實中提供了良好的基礎(chǔ)。