CN102636109B - 复合电流调制半导体激光干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种复合电流调制半导体激光干涉仪，适用于距离测量。其结构包括光源、隔离器、光纤耦合器、准直器、光电探测器、分束镜、参考反射镜、信号处理器、反馈控制器。所述的光源带有驱动电源和温度控制器；驱动电源提供两个不同频率的正弦调制电流，对光源进行调制。光电探测器将接收到的干涉信号转换成电信号输入到信号处理器内计算待测距离。反馈控制器与光电探测器相连，通过反馈控制锁定高频调制深度。与在先技术相比，本发明的干涉仪结构简单紧凑，利用复合电流实现了双正弦相位调制；并通过反馈控制锁定工作参数，增强了系统稳定性，提高了测量精度，同时实现了实时测量。

Description

复合电流调制半导体激光干涉仪

技术领域

本发明涉及半导体激光干涉仪，特别是一种复合电流调制半导体激光干涉仪。

背景技术

距离测量是测试计量领域的一项重要技术。近年来，随着科学研究以及工业生产的发展，对其提出了越来越高的要求。干涉测量技术因为具有高分辨率、高精度、非接触、非损伤等优点被广泛研究。正弦相位调制干涉技术是一种国际前沿的干涉测量技术，半导体激光正弦相位调制干涉仪具有体积小、结构紧凑、相位调制简单、测量精度高等优点，近年来受到研究人员的重视，在距离测量领域得到了很大发展。

基于外差探测的半导体激光正弦相位调制干涉仪的测量范围较小，当测量范围超过一个波长时就会造成相位模糊。通过合成波长干涉技术可以扩大测量范围，但基于合成波长技术的半导体激光干涉仪结构复杂，需要使用两个或以上半导体激光器作为光源，此外为了减小外界扰动所引入的测量误差，需要使用参考干涉仪补偿干涉信号的相位漂移。为了扩大测量范围，O.Sasaki等提出了一种双正弦相位调制半导体激光干涉仪(在先技术[1]：“Double sinusoidal phase-modulating laser diodeinterferometer for distance measurement”，Appl.Opt.30，3617-3621，1991)。此干涉仪利用低频电流调制和高频PZT调制实现了双正弦相位调制，扩大了测量范围。由于PZT的迟滞效应和机械振动的影响，测量范围只扩大到10μm，且精度较低；此外测量不能实时进行。T.Suzuki等提出了一种双正弦相位调制分布式布拉格反射激光器(在先技术[2]：“Double sinusoidal phase-modulating distributed-Bragg-reflectorlaser-diode interferometer for distance measurement”，Appl.Opt.42，60-66，2002)，此干涉仪利用复合电流实现了双正弦相位调制，在1mm的测量范围内实现了1.6μm的测量精度，由于激光器光强调制的影响，测量范围的扩大和精度的提高均受到了限制，且该干涉仪的系统稳定性较低，同时也不能进行实时测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足，提供一种复合电流调制半导体激光干涉仪。该干涉仪具有结构简单紧凑、稳定性高、测量精度高和可实时测量的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种复合电流调制半导体激光干涉仪，包括由驱动电源驱动的带有温度控制器的光源、隔离器、光纤耦合器、准直器、分束镜、参考反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、信号处理器和反馈控制器，其特点在于：

所述的驱动电源输入端口与反馈控制器输出端口相连，第一输出端口与光源相连，第二输出端口与信号处理器的第三输入端口相连；所述的驱动电源为光源提供直流驱动电流和正弦交流电流；

由光源发射的光束通过隔离器并经光纤耦合器分为两束光：一束光通过准直器准直后出射，经过分束镜分束后分别照射在待测物体和参考反射镜上，由待测物体表面反射的光和由参考反射镜反射的光再通过分束镜和准直器后，再经过所述的光纤耦合器由第一光电探测器；另一束光由第二光电探测器探测；

所述的信号处理器的第一输入端口与第一光电探测器的输出端相连，第二输入端口与第二光电探测器的输出端相连，第三输入端口与驱动电源的第二输出端口相连，输出端口与所述的反馈控制器的输入端口相连；该反馈控制器的输出端与所述的驱动电源输入端口相连。

所述的信号处理器的结构为：信号处理器的第一输入端口和第二输入端口与第一除法器的输入端相连，第一除法器的输出端分别与第三乘法器和第四乘法器的第一输入端相连；信号处理器的第三输入端口分别与第三乘法器第一输入端和倍频器的输入端相连，所述的第三乘法器的输出端与第一低通滤波器的输入端相连，该第一低通滤波器的输出端同时与第五乘法器的输入端和第二除法器的第一输入端相连；所述的第五乘法器与第一单片机串联后接入减法器的第一输入端；

所述的倍频器的输出端与第四乘法器的第二输入端相连，该第四乘法器的输出端与第二低通滤波器的输入端相连，该第二低通滤波器的输出端同时与第六乘法器输入端和第二除法器的第二输入端相连，

所述的第六乘法器的输出端与第二单片机串联后接入减法器的第二输入端，所述的第二除法器与第三单片机、第四单片机串联后接入存储器；所述的减法器的输出通过输出端口接入反馈控制器。

所述的反馈控制器的结构包括：由输入端至输出端依次是积分器、第七乘法器和第二加法器。

所述的驱动电源的结构包括：直流电源、低频晶体振荡器、高频晶体振荡器、第一乘法器、第二乘法器和第一加法器；所述的驱动电源的输入端口与第二乘法器的输入端相连，直流电源与第一加法器的第一输入端相连，低频晶体振荡器与第一乘法器串联后与第一加法器的第二输入端相连，所述的高频晶体振荡器与第二乘法器的第二输入端相连，该第二乘法器的第一输出端与第一加法器的第三输入端相连，第一加法器的第一输出端与所述的光源第一输入端相连，第二乘法器的第二输出端口与信号处理器的第三输入端相连。

所述的第一单片机、第二单片机和第四单片机具有求解最大值和最小值的功能。

所述的第三单片机具有进行四则运算和求解反正切函数的功能。

本发明由于采用了上述技术方案，与在先技术相比，具有以下优点和积极效果：

1、与在先技术[1]相比，本发明的复合电流调制半导体激光干涉仪结构简单，利用复合正弦电流实现了双正弦相位调制，扩大了测量范围。

2、与在先技术[2]相比，本发明的复合电流调制半导体激光干涉仪通过信号同步采集法消除了光源光强调制的影响，扩大了测量范围，提高了测量精度。

3、与在先技术[1、2]相比，本发明的复合电流调制半导体激光干涉仪通过反馈控制系统实时锁定工作参数，提高了系统稳定性，实现了实时测量。

附图说明

图1是本发明复合电流调制半导体激光干涉仪的结构示意图。

图2是本发明驱动电源的结构示意图。

图3是本发明信号处理器的结构示意图。

图4是本发明反馈控制器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明复合电流调制半导体激光干涉仪的结构示意图。由图可见，本发明复合电流调制半导体激光干涉仪，包括由驱动电源1驱动的带有温度控制器2的光源3、隔离器4、光纤耦合器5、准直器6、分束镜7、参考反射镜9、第一光电探测器10、第二光电探测器11、信号处理器12和反馈控制器13，

所述的驱动电源1输入端口1a与反馈控制器13输出端口相连，第一输出端口1b与光源3相连，第二输出端口1c与信号处理器12的第三输入端口12c相连；所述的驱动电源1为光源3提供直流驱动电流和正弦交流电流；

由光源3发射的光束通过隔离器4并经光纤耦合器5分为两束光：一束光通过准直器6准直后出射，经过分束镜7分束后分别照射在待测物体8和参考反射镜9上，由待测物体8表面反射的光和由参考反射镜9反射的光再通过分束镜7和准直器6后，再经过所述的光纤耦合器5由第一光电探测器10；另一束光由第二光电探测器11探测；

所述的信号处理器12的第一输入端口12a与第一光电探测器10的输出端相连，第二输入端口12b与第二光电探测器11的输出端相连，第三输入端口12c与驱动电源1的第二输出端口1c相连，输出端口12d与所述的反馈控制器13的输入端口相连；该反馈控制器13的输出端与所述的驱动电源1输入端口1a相连。

图2是本发明驱动电源的结构示意图。由图可见，本发明驱动电源1的结构包括：直流电源101、低频晶体振荡器102、高频晶体振荡器103、第一乘法器104、第二乘法器105和第一加法器106；所述的驱动电源1的输入端口1a与第二乘法器105的输入端相连，直流电源101与第一加法器106的第一输入端相连，低频晶体振荡器102与第一乘法器104串联后与第一加法器106的第二输入端相连，所述的高频晶体振荡器103与第二乘法器105的第二输入端相连，该第二乘法器105的第一输出端与第一加法器106的第三输入端相连，第一加法器106的第一输出端1b与所述的光源3第一输入端相连，第二乘法器105的第二输出端口1c与信号处理器12的第三输入端相连。

图3是本发明信号处理器的结构示意图。由图可见，本发明信号处理器12的结构为：信号处理器12的第一输入端口12a和第二输入端口12b与第一除法器1201的输入端相连，第一除法器1021的输出端分别与第三乘法器1202和第四乘法器1207的第一输入端相连；信号处理器12的第三输入端口12c分别与第三乘法器1202第一输入端和倍频器1206的输入端相连，所述的第三乘法器1202的输出端与第一低通滤波器1203的输入端相连，该第一低通滤波器1203的输出端同时与第五乘法器1204的输入端和第二除法器1212的第一输入端相连；所述的第五乘法器1204与第一单片机1205串联后接入减法器1211的第一输入端；

所述的倍频器1206的输出端与第四乘法器1207的第二输入端相连，该第四乘法器1207的输出端与第二低通滤波器1208的输入端相连，该第二低通滤波器1208的输出端同时与第六乘法器1209输入端和第二除法器1212的第二输入端相连，所述的第六乘法器1209的输出端与第二单片机1210串联后接入减法器1211的第二输入端，所述的第二除法器1212与第三单片机1213、第四单片机1214串联后接入存储器1215；所述的减法器1211的输出通过输出端口12d接入反馈控制器13。

图4是本发明反馈控制器的结构示意图。本发明反馈控制器13的结构包括：由输入端至输出端依次是积分器1301、第七乘法器1302和第二加法器1303。

所述的第一单片机1205、第二单片机1210和第四单片机1214具有求解最大值和最小值的功能。

所述的第三单片机1213具有进行四则运算和求解反正切函数的功能。

所说的温度控制器2控制所述的光源3的温度，使光源的温度仅在±0.01℃的范围内变化。

向光源3注入电流后，其波长和强度分别表示为：

λ(t)＝λ₀+β₀I_m(t)，

g(t)＝β′[I₀+I_m(t)]，

其中：λ₀为光源的中心波长，β₀为光源的波长随驱动电流的变化系数，β′为光源的光强随驱动电流的变化系数，I₀为驱动电源中的直流电源提供的直流偏置，I_m(t)为驱动电源提供的复合正弦交流电流，该复合正弦交流电流由驱动电源中的低频晶体振荡器和高频晶体振荡器提供的正弦信号分别经第一乘法器和第二乘法器放大后，再经过第一加法器叠加后产生，它可以表示为：

I_m(t)＝a_ccosω_ct+a_bcosω_bt，

其中：ω_c为高频振荡晶体提供的高频正弦信号的角频率，ω_b为低频振荡晶体提供的低频正弦信号的角频率，a_c和a_b分别为驱动电源提供高频正弦交流电流与低频正弦交流电流的幅度。

第一光电探测器10检测到的干涉信号S_D(t)可以表示为：

S_D(t)＝g(t)[S₀+S₁cos(z_ccosω_ct+z_bcosω_bt+α)]

＝β′[I₀+I_m(t)][S₀+S₁cos(z_ccosω_ct+z_bcosω_bt+α)]’

其中：S₀和S₁分别为不考虑光强调制时，干涉信号项S(t)的直流和交流成分，和为干涉信号S(t)对应的高频和低频正弦相位调制深度；α＝(4π/λ₀)l为由准直器和待测物体之间的初始距离l所决定的相位。

第二光电探测器11检测到的信号为光强调制信号g(t)。

如图3所示，干涉信号S_D(t)与光强调制信号g(t)经过第一除法器1201得到消除光强调制的干涉信号：

其中：J_n(z_c)为z_c的n阶贝塞尔函数。第一低通滤波器1203和第二低通滤波器1208的输出分别为干涉信号S(t)关于ω_c的一阶和二阶频率分量：

其中：LPF[X]为X的低通滤波函数。P₁(t)和P₂(t)分别在第五乘法器1204和第六乘法器1209中进行平方运算后进入第一单片机1205和第二单片机1210得到：

G₁(t)＝MAX[P₁ ²(t)]＝S₁ ²J₁ ²(z_c)

G₂(t)＝MAX[P₂ ²(t)]＝S₁ ²J₂ ²(z_c)’

其中，MAX[X]为X的最大值函数。G₁(t)和G₂(t)经过减法器1211得到差分信号：G_D(t)＝G₁(t)-G₂(t)，G_D(t)通过输出端口12d连入反馈控制器13，通过反馈控制器13使得差分信号G_D(t)＝0，即|J₁(z_c)|＝|J₂(z_c)|，此时，高频正弦相位调制深度被锁定至z_c＝2.63。

同时，信号P₁(t)和P₂(t)通过第二除法器1212连入第三单片机1213，得到：

信号通过第四单片机1214进行最大值最小值求解和加法运算即可得到待测位移：

其中，MIN[X]为X的最小值。

由于通过反馈控制系统13实时锁定了工作参数，系统的稳定性得到了提高，可在较大范围内实现高精度距离测量。

下面是本发明复合电流调制半导体干涉仪一个实施例的具体参数：

低频晶体振荡器102的晶振频率为100Hz，高频晶体振荡器103的晶振频率为5kHz，驱动电源1提供的低频正弦电流幅值为10mA，提供的初始高频正弦电流幅值为1mA。光源3为波长为1310nm的半导体激光器，最大输出功率均为10mW。第一模拟低通滤波器1203和第二低通滤波器1208的截止频率为2.2kHz。测量时，反馈控制器13通过调节高频正弦电流幅值将高频正弦相位调制深度锁定至2.63。此时，可以通过信号处理器12求得待测距离l。

由于利用复合电流实现了双正弦相位调制，本发明的干涉仪结构简单紧凑，并通过反馈控制锁定工作参数，增强了系统稳定性，可以再50mm的范围内实现距离实时测量，测量精度为1μm。

Claims (5)

1.一种复合电流调制半导体激光干涉仪，包括由驱动电源（1）驱动的带有温度控制器（2）的光源（3）、隔离器（4）、光纤耦合器（5）、准直器（6）、分束镜（7）、参考反射镜（9）、第一光电探测器（10）、第二光电探测器（11）、信号处理器（12）和反馈控制器（13），其特征在于：

所述的驱动电源（1）输入端口（1a）与反馈控制器（13）输出端口相连，第一输出端口（1b）与光源（3）相连，第二输出端口（1c）与信号处理器（12）的第三输入端口（12c）相连；所述的驱动电源（1）为光源（3）提供直流驱动电流和正弦交流电流；

由光源（3）发射的光束通过隔离器（4）并经光纤耦合器（5）分为两束光：一束光通过准直器（6）准直后出射，经过分束镜（7）分束后分别照射在待测物体（8）和参考反射镜（9）上，由待测物体（8）表面反射的光和由参考反射镜（9）反射的光再通过分束镜（7）和准直器（6）后，再经过所述的光纤耦合器（5）由第一光电探测器（10）；另一束光由第二光电探测器（11）探测；

所述的信号处理器（12）的第一输入端口（12a）与第一光电探测器（10）的输出端相连，第二输入端口（12b）与第二光电探测器（11）的输出端相连，第三输入端口（12c）与驱动电源（1）的第二输出端口（1c）相连，输出端口（12d）与所述的反馈控制器（13）的输入端口相连；该反馈控制器（13）的输出端与所述的驱动电源（1）输入端口（1a）相连；

所述的信号处理器（12）的结构为：信号处理器（12）的第一输入端口（12a）和第二输入端口（12b）与第一除法器（1201）的输入端相连，第一除法器（1021）的输出端分别与第三乘法器（1202）和第四乘法器（1207）的第一输入端相连；信号处理器（12）的第三输入端口（12c）分别与第三乘法器（1202）第一输入端和倍频器（1206）的输入端相连，所述的第三乘法器（1202）的输出端与第一低通滤波器（1203）的输入端相连，该第一低通滤波器（1203）的输出端同时与第五乘法器（1204）的输入端和第二除法器（1212）的第一输入端相连；所述的第五乘法器（1204）与第一单片机（1205）串联后接入减法器（1211）的第一输入端；

所述的倍频器（1206）的输出端与第四乘法器（1207）的第二输入端相连，该第四乘法器（1207）的输出端与第二低通滤波器（1208）的输入端相连，该第二低通滤波器（1208）的输出端同时与第六乘法器（1209）输入端和第二除法器（1212）的第二输入端相连，

所述的第六乘法器（1209）的输出端与第二单片机（1210）串联后接入减法器（1211）的第二输入端，所述的第二除法器（1212）与第三单片机（1213）、第四单片机（1214）串联后接入存储器（1215）；所述的减法器（1211）的输出通过输出端口（12d）接入反馈控制器（13）。

2.根据权利要求1所述的复合电流调制半导体激光干涉仪，其特征在于所述的反馈控制器（13）的结构包括：由输入端至输出端依次是积分器（1301）、第七乘法器（1302）和第二加法器（1303）。

3.根据权利要求1所述的复合电流调制半导体激光干涉仪，其特征在于所述的驱动电源（1）的结构包括：直流电源（101）、低频晶体振荡器（102）、高频晶体振荡器（103）、第一乘法器（104）、第二乘法器（105）和第一加法器（106）；所述的驱动电源（1）的输入端口（1a）与第二乘法器（105）的输入端相连，直流电源（101）与第一加法器（106）的第一输入端相连，低频晶体振荡器（102）与第一乘法器（104）串联后与第一加法器（106）的第二输入端相连，所述的高频晶体振荡器（103）与第二乘法器（105）的第二输入端相连，该第二乘法器（105）的第一输出端与第一加法器（106）的第三输入端相连，第一加法器（106）的第一输出端（1b）与所述的光源（3）第一输入端相连，第二乘法器（105）的第二输出端口（1c）与信号处理器（12）的第三输入端相连。

4.根据权利要求1所述的复合电流调制半导体激光干涉仪，其特征在于所述的第一单片机（1205）、第二单片机（1210）和第四单片机（1214）具有求解最大值和最小值的功能。

5.根据权利要求1所述的复合电流调制半导体激光干涉仪，其特征在于所述的第三单片机（1213）具有进行四则运算和求解反正切函数的功能。