激光多普勒自混頻技術的研究

姚臣益

【摘要】結合自混合干涉原理和多普勒測速原理，將多普勒頻移現象引入激光二極管。當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，檢測光學反饋生成的頻移信號確定物體的狀態。設計了VCSEL激光器自混合多普勒測速實驗系統，對推導出的VCSEL激光器自混合多普勒測速理論進行了初步的驗證。

【關鍵字】激光多普勒效應 激光自混合干涉 VCSEL激光器 振動測量

一、引言

關于自混合干涉的研究，國際上以日本靜岡大學S.Shinohara教授和意大利Pavia大學S.Donati教授為代表的一些學者相繼建立和發展了激光自混合干涉測量的基礎和技術。

早期的研究集中于距離，位移和速度測量的原理和技術，近幾年，他們大大開拓了自混合干涉技術的應用范圍，如進行模具分析、形貌測量、無損探傷等，并于大規模集成制造技術相結合向微型傳感器方面發展。

國內主要有哈爾濱工業大學強錫富教授的課題組、天津大學姚建荃院士的課題組和南京師范大學的課題組進行這方面的研究，這些研究都得到了國家自然科學基金的資助，已經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問題。

二、方法

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

2.1 原理

根據Lang-Kobayashi速率方程方法。光強與頻率的關系式

如果反饋系數C<1時，激光器的工作將變得不穩定，輸出的噪聲增大，并發生跳模。另外，被測目標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

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

三、仿真實驗

本文根據上述的系統進行了仿真實驗，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，激光器發出的光經激光擴束透鏡后平行出射，經衰減器照射在靶鏡上，調整光路使反射光能夠進入激光腔，由于經過衰減器，反饋回激光腔的光很弱。

由于實驗中只有一個光路，所以光路調節起來相對容易的多。用信號發生器的正弦波（2kHZ）輸出驅動揚聲器，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接收的信號經后續電路處理后，顯示在示波器上。

在實驗中，構建了實驗裝置，并且得到了較好的實驗結果。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實中去，制作出一個緊湊、便利、實用的傳感測速器。

四、結束語

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