激光自混合干涉的新型探测方法研究

发布时间：2020-07-09 11:49

【摘要】：激光自混合干涉自上世纪六十年代被发现以来,在精密测量领域的应用已经得到了广泛的研究。由于系统固有的结构简单、测量精度高、易于准直及非接触性等显著优点,因此具有广阔的应用前景。近几十年,很多高端制造业和重大尖端设备的研发对激光自混合干涉技术提出了更高的要求。而现代光子学测试技术的发展为激光自混合干涉的探测提供了新的方法。提出了一种激光自混合干涉的双折射光载微波探测方法,研制了基于自混合双频激光多普勒效应的高分辨率测速仪,从双折射光载微波的自混合多普勒频移中准确提取了物体的速度信息。激光自混合干涉具有紧凑的光学结构,自对准和方向可辨识性的优点,而利用双折射双频氦氖激光器产生的稳定的光载微波,又能进一步简化了光源的结构。实验上,我们用低频(毫赫兹)锁相放大器提取了多普勒拍频信号,在时域精确测量了拍频,并计算速率。由于光载微波的高稳定性,与之前的双频自混合激光多普勒测速仪相比,自混合双折射双频激光测速仪的平均速度分辨率提高至0.030mm/s。提出了一种利用硅光电二极管的双光子吸收效应对边缘滤波增强型激光自混合多普勒信号的进行二次探测方法。让激光会聚入射硅光电二极管,发生双光子吸收效应,引入对入射光的二次光电导响应。由双光子吸收引起的二次响应则能抑制光纤光栅增强型激光自混合干涉所增强的谐波,将谐波的振幅降低到噪声水平。实验结果表明,利用商用的硅光电二极管的双光子吸收效应可以实现一种超宽频带滤波器。对于一个未知的待探测的多普勒频率,无需被动地调节滤波截至频率,即可实现滤波。这大大简化了对探测的自混合多普勒信号的处理。而利用光放大器的处理,使多普勒频率的探测信噪比也得到了提高,探测到的4kHz的多普勒信号的信噪比能达到15dB。针对精密位移测量,提出了一种对激光自混合干涉的合成波长测量方法,并构建了简单的合成波长自混合干涉仪。由合成波信号毫米尺度的位移测量得到目标物体的亚纳米级的位移。合理选择了正交偏振双频氦氖激光器的频率差避免模式竞争,调整了自混合干涉仪的光学结构设计,将合成波长技术引入到激光自混合干涉测量中。观察了两个正交偏振模式的自混合干涉条纹信号之间的相位差,通过合成信号的相位变化来测量了目标物体的微小位移。由于合成波长远大与激光波长,可以在无调制、解调的情况下,实现纳米位移测量。研究对比了Ⅲ-Ⅴ族半导体砷化镓与硅光电二极管的双光子探测性能,并基于他们的双光子吸收效应,测量了光纤飞秒激光脉冲的自相关函数。由于激光脉冲在介质中传播时的三阶色散,自相关信号的时域包络包含两个对称的时域旁瓣。利用色散脉冲的时频分布和砷化镓与硅的双光子响应谱分析了自相关信号中的旁瓣的出现位置。与硅相比,砷化镓在脉冲形貌重构中表现出更高的灵敏度,这得益于它的旁瓣信号的信噪比更高,而且旁瓣信号更靠近主峰。在此基础上,使用砷化镓PIN光电二极管测量了的飞秒激光的脉冲宽度,对于脉冲半高宽测量的分辨率与传统的倍频晶体自相关仪的测量分辨率相一致,测量分辨率能达到0.89fs。
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24
【图文】：

自混合干涉,激光器,信号,激光腔

Ｋｕｎ邋Ｌｉ和Ｍｉｃｈｅｌｅ邋Ｎｏｒｇｉａ课题组在２０１６年基于半导体激光器两个端面所接逡逑收的自混合干涉信号的反向现象，提出了一种半导体激光自混合干涉的平衡探测逡逑技术［６２］。实验装置如图１．１（ａ）所示。激光源是一个内置监视光电二极管的ＤＦＢ逡逑半导体激光器，它由３０ｍＡ直流电流驱动。激光器从前端发射出的激光经过一个逡逑准直透镜的准直，由白纸覆盖的扬声器反射后，又重新回到激光腔内，产生自混逡逑合干涉效应。为了获得前端的自混合干涉信号，一个反射率为１０％的分束器被逡逑安置在了外腔光路中，准直透镜将分束器分出的光束会聚在了前腔探测的光电二逡逑极管上。激光器后端的自混合干涉信号可以由内置的监视光电二极管直接探测。逡逑实验所得到的信号如图１．１（ｂ）所示，激光器的前后端所接收到的自混合信号是严逡逑格反向的，因此将两个信号做减法的时候，得到的信号幅度就增强为前后端两个逡逑信号的和。因为激光器前后端的自混合信号都来自一个同一个激光腔，所以这种逡逑平衡探测能够有效消除与激光泵浦电流和ＴＩＡ耦合的电磁干扰。除此之外

增强型,实验装置图,频率波动

和原子或者分子吸收曲线的特点，这种方法广泛用于光谱测量［６４＿６５］，也称之为雷逡逑达边缘技术［６６］。Ｖｉｃｔｏｒ邋Ｃｏｎｔｒｅｒａｓ等在２０１５年将边缘滤波探测技术运用在了对激逡逑光自混合干涉的频率波动的探测当中［６７］。实验装置如图１．２（ａ）所示。逡逑。阳挪邋＇逦Ｕｓｅｒｄｉｏｄｅ邋＾逡逑ＤＥＴＴａｒｇｅｔ逦Ｔａｒｇｅｔ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．２．边缘滤波增强型自混合千涉仪实验装置图。（ａ）乙炔气室增强探测。（ｂ）体布拉格光栅逡逑增强探测。逡逑在激光自混合千涉的边缘滤波探测中，自混合频率波动被看成一种对光频的逡逑频率调制。当携带频率调制信号的激光束穿过乙炔气体吸收池向前传播时，由于逡逑光学吸收的频率分布曲线具有陡峭边缘，频率调制信号就会被转换成气体吸收的逡逑强度信号。当单模半导体激光器的波长被调谐到乙炔光吸收曲线（吸收中心位于逡逑１５３１．５８ｎｍ的Ｐ－１１线）的边沿时，激光自混合干涉信号被增强了约两个数量级。逡逑这种探测手段的缺点是激光器的线宽最好远窄于气体吸收谱线的线宽，否则就不逡逑具备边缘增强效果，而且气体分子的吸收线都是特定的，只能选取对应的激光器，逡逑这无疑也对边缘滤波技术在激光自混合干涉测量中的推广带来了很多障碍。逡逑在此基础之上，Ｖｉｃｔｏｒ邋Ｃｏｎｔｒｅｒａｓ等又将体布拉格光栅这种衍射兀件的选模功逡逑能应用在了对自混合频率波动的探测中［６８］。实验装置如图１．２（ｂ）所示。当将多模逡逑半导体激光器的模式间隔调整到和光栅的反射谱线线宽一致或者更窄时

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图１．３光注入式自混合激光多普勒测速系统装置图逡逑Ｃｈｉｈ－Ｈａｏ邋Ｃｈｅｎｇ等提出了邋一种对自混合干涉进行光注入式拍频探测的技术逡逑手段［７５］。实验装置如图１．３所示。利用两个光学频率分量的拍频产生的光载微波逡逑来探测目标，显著减弱了由于散斑噪声引起的多普勒信号中的谱线展宽。同时，逡逑基于光注入式拍频的激光自混合多普勒测速技术结合了自混合干涉的光路优点，逡逑比如具有方向可辨性，自对准，高灵敏度和紧凑的设置等，因此在不同散斑噪声逡逑条件下，当覆盖纸片的目标以５ｍ／ｓ的横向速度旋转时，测量的平均速度分辨率逡逑为０．４２ｍｍ／ｓ，ＳＮＲ可达到２２．１邋ｄＢ。与传统的单频自混合激光多普勒测速仪相比，逡逑这种测速技术的速度分辨率提高了邋２０倍，信噪比提高了邋８邋ｄＢ。这种探测技术的逡逑缺点是光源的系统比较复杂，因此在应用范围上受到了一定的限制。逡逑１．３．４激光自混合干涉的光栅衍射探测逡逑一直以来

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