袁濤+陳抱雪+劉林

摘要： 提出并優(yōu)化設(shè)計了一種結(jié)合光波導(dǎo)諧振技術(shù)的窄譜干涉的測速（或測長）技術(shù)及其系統(tǒng)，該技術(shù)兼有白光干涉的絕對測量和單色光干涉響應(yīng)多普勒頻移的特點。工作光波由分布式反饋激光器經(jīng)雙環(huán)石英波導(dǎo)諧振后提供，兩支同源窄帶光經(jīng)多普勒頻移后疊加干涉，干涉結(jié)果包含了速度信息。優(yōu)化設(shè)計采用了多目標(biāo)優(yōu)化SPEA2算法，數(shù)值仿真結(jié)果顯示，系統(tǒng)可以達(dá)到0.01 mm/s速度變動的測試響應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 光波導(dǎo)技術(shù)； 環(huán)形波導(dǎo)諧振； 窄譜干涉； Pareto進(jìn)化算法； 多普勒頻移

中圖分類號： TN 252 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.016

文章編號： 1005-5630（2016）05-0461-05

引 言

隨著“中國制造2025”國家戰(zhàn)略的推進(jìn)，智能制造技術(shù)已成為重要的創(chuàng)新焦點。智能制造的發(fā)展重點關(guān)注八類核心技術(shù)及其關(guān)聯(lián)設(shè)備，包括工業(yè)現(xiàn)場的新型傳感技術(shù)及其系統(tǒng)[1-2]。有關(guān)機(jī)床精密加工的實時測長，涉及的精密光學(xué)傳感監(jiān)測技術(shù)包括雙頻單色光的外差干涉和白光干涉。雙頻單色光干涉采用譜線極細(xì)的氣體激光器，該激光器體積大、光路穩(wěn)定性要求很高。作為絕對測量的白光干涉[3]的相干長度在微米量級，實測的動態(tài)范圍過小。為了改善光源體積和動態(tài)范圍問題，本工作研究一種新的方法，提出并優(yōu)化設(shè)計一種結(jié)合光波導(dǎo)諧振技術(shù)的窄譜干涉的測速（或測長）技術(shù)及其系統(tǒng)，工作光波由分布式反饋激光經(jīng)雙環(huán)石英波導(dǎo)諧振后提供，光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，相干長度可達(dá)米量級。優(yōu)化設(shè)計及其數(shù)值仿真結(jié)果顯示，本系統(tǒng)可以達(dá)到0.01 mm/s速度變動的測試響應(yīng)。

1 測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

窄譜干涉介于單色光干涉和白光干涉之間，兼有白光干涉的絕對測量、良好的穩(wěn)定性、高精度[4]和單色光干涉響應(yīng)多普勒頻移的特點。測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，一定譜寬的中心波長為1 310 nm半導(dǎo)體激光經(jīng)光纖耦合進(jìn)入雙環(huán)波導(dǎo)諧振器，雙環(huán)諧振器除了兩個諧振腔的直徑略有差異以外，其它光路完全對稱。選擇1 310 nm波段的半導(dǎo)體激光的光譜，使得兩個諧振腔形成譜寬為δv的單峰輸出，與環(huán)1和2環(huán)對應(yīng)的諧振峰的中心頻率分別為ν—1和ν—2。這兩支出射光經(jīng)光纖陣列對接耦合分別進(jìn)入左右兩根單模光纖光路，兩根光纖的出射端均置有準(zhǔn)直透鏡GL。一路光纖的出射光經(jīng)反射鏡和三個半反鏡HM后通往探測器，反射鏡固定在機(jī)床的移動刀具的夾具座上。另一路光纖的出射光經(jīng)反射鏡和三個半反鏡HM后，兩支光波合流。一側(cè)光路的溫控儀提供熱光效應(yīng)，用于微調(diào)兩支光波的工作點光程差。

圖6給出了優(yōu)化情況與非優(yōu)化情況的數(shù)值結(jié)果的比較，優(yōu)化系統(tǒng)的光強(qiáng)對速度變化的敏感性遠(yuǎn)高于非優(yōu)化的情況，前者是后者的22倍以上。圖7顯示了光強(qiáng)測量對光源譜寬變動的優(yōu)化降敏效果，橫坐標(biāo)表示光源譜寬變動量，縱坐標(biāo)是對應(yīng)的歸一化光強(qiáng)變動量的絕對值，進(jìn)刀速度選擇機(jī)器的精密切削檔的標(biāo)稱值為0.08 mm/s。圖7顯示，隨著光源譜寬變動量從0～240 MHz變動時，優(yōu)化情況的歸一化光強(qiáng)的變動量有一個從緩慢增加再緩慢減小的特點，譜寬變動量為光源譜寬標(biāo)稱值的40%附近有光強(qiáng)最大變動量5%。對于非優(yōu)化情況，同樣點位的光強(qiáng)變動量達(dá)25%，是優(yōu)化情況的5倍。另外，與優(yōu)化情況對譜寬變動呈現(xiàn)明顯不同的降敏效果，非優(yōu)化情況的歸一化光強(qiáng)的偏差隨光源譜寬變動的增加呈線性增大的特點，當(dāng)光源譜寬變動高達(dá)標(biāo)稱值的100%（240 MHz）時，對應(yīng)的光強(qiáng)變動達(dá)到了47%，接近優(yōu)化情況光強(qiáng)變動量的47倍。測試系統(tǒng)設(shè)計參考的光源是AGX公司的尾纖輸出DFB激光模塊（ALM3HPU2），中心波長在1 305～1 314 nm范圍內(nèi)可選，帶寬是1.1 GHz（譜寬約0.006 nm），輸出光功率是15 dBm。石英波導(dǎo)諧振器的單個諧振環(huán)的插入損耗的實測值在1 dB左右，對于標(biāo)稱0.08 mm/s的精密切削檔，進(jìn)刀速度變動0.01 mm/s對應(yīng)的光強(qiáng)變化約為-55 dBm，可以采用基于ΣΔ技術(shù) [9-10]設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換電路方式[11]的光功率計進(jìn)行光功率檢測，根據(jù)文獻(xiàn)[12]報道，這種設(shè)計方式設(shè)計的光功率計可以響應(yīng)的光功率變動達(dá)到-70 dBm。

3 結(jié) 論

本工作提出并優(yōu)化設(shè)計了一種結(jié)合光波導(dǎo)諧振技術(shù)的窄譜干涉的測速（或測長）技術(shù)及其系統(tǒng)，該技術(shù)兼有白光干涉的絕對測量特點和單色光干涉響應(yīng)多普勒頻移的特點。工作光波由分布式反饋激光器經(jīng)雙環(huán)石英波導(dǎo)諧振后提供，兩支同源窄帶光經(jīng)多普勒頻移后疊加干涉，干涉結(jié)果包含了速度信息。優(yōu)化設(shè)計采用了多目標(biāo)優(yōu)化SPEA2算法，數(shù)值仿真結(jié)果顯示，設(shè)計系統(tǒng)具有較低的理論測量誤差和較高的靈敏度，為進(jìn)一步實現(xiàn)多普勒測速系統(tǒng)的小型化提供了參考。

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