激光調(diào)頻測(cè)距

1、LOGOLaser 激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距原理及關(guān)鍵技術(shù)原理及關(guān)鍵技術(shù)李海李海平平S2016010972016年年10月月25Contents調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)1三光束調(diào)頻干涉技術(shù)三光束調(diào)頻干涉技術(shù)2調(diào)頻干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)調(diào)頻干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)32相關(guān)文獻(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)閱讀閱讀4Contents調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)1三光束調(diào)頻干涉技術(shù)三光束調(diào)頻干涉技術(shù)2調(diào)頻干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)調(diào)頻干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)33相關(guān)文獻(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)閱讀閱讀4 光源：半導(dǎo)體激光器光源：半導(dǎo)體激光器 分類分類1、調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)、調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)外腔調(diào)外腔調(diào) 制半導(dǎo)體激光器制半導(dǎo)體激光器鋸齒波調(diào)頻鋸齒波調(diào)頻激光調(diào)頻

2、測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距（調(diào)制性質(zhì)調(diào)制性質(zhì)）：利用半導(dǎo)體激光器：利用半導(dǎo)體激光器注入電注入電流流與與輸出頻率輸出頻率的關(guān)系對(duì)注入電流進(jìn)行調(diào)制，從而對(duì)激光的關(guān)系對(duì)注入電流進(jìn)行調(diào)制，從而對(duì)激光的輸出頻率進(jìn)行調(diào)制。的輸出頻率進(jìn)行調(diào)制。41、調(diào)頻干涉測(cè)量、調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)技術(shù)-原理原理激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距51、調(diào)頻干涉測(cè)量、調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)技術(shù)-原理原理激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距L61、調(diào)頻干涉測(cè)量、調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)技術(shù)-原理原理激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距71、調(diào)頻干涉測(cè)量、調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)技術(shù)-原理原理激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距81、調(diào)頻干涉測(cè)量、調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)技術(shù)-原理原理激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距91、調(diào)

3、頻干涉測(cè)量、調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)技術(shù)-原理原理激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距101、調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)、調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)-原理原理激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距111、調(diào)頻干涉測(cè)量、調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)技術(shù)-靈敏度靈敏度激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距121、調(diào)頻、調(diào)頻干涉測(cè)量干涉測(cè)量技術(shù)技術(shù)-拍頻拍頻測(cè)量測(cè)量方法方法激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距只適合普通雙光束干涉儀，不能用于只適合普通雙光束干涉儀，不能用于多個(gè)干涉信號(hào)疊加的多光束干涉系統(tǒng)，多個(gè)干涉信號(hào)疊加的多光束干涉系統(tǒng)，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)不是有規(guī)律的變化因?yàn)檩敵鲂盘?hào)不是有規(guī)律的變化精度受譜峰展寬的限制精度受譜峰展寬的限制132、三、三光束調(diào)頻干涉測(cè)量激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距基于

4、以上原因基于以上原因日本京都工學(xué)院日本京都工學(xué)院提出了一提出了一種基于參考距離的調(diào)頻干涉測(cè)量?jī)x，采種基于參考距離的調(diào)頻干涉測(cè)量?jī)x，采用參考技術(shù)來消除調(diào)頻引起的用參考技術(shù)來消除調(diào)頻引起的輸出功率輸出功率及及調(diào)頻非線性調(diào)頻非線性帶來的影響帶來的影響。142、三、三光束調(diào)頻干涉測(cè)量激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距參考干涉儀測(cè)量干涉儀CC1CC2CC1CC3152、調(diào)頻干涉測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距三角波調(diào)頻三角波調(diào)頻三光束調(diào)頻三光束調(diào)頻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易施行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易施行測(cè)量技術(shù)受半導(dǎo)體頻率調(diào)測(cè)量技術(shù)受半導(dǎo)體頻率調(diào)制技術(shù)及頻率測(cè)量技術(shù)的制技術(shù)及頻率測(cè)量技術(shù)的影響影響16Contents調(diào)頻干涉測(cè)量技

5、術(shù)調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)1三光束調(diào)頻干涉技術(shù)三光束調(diào)頻干涉技術(shù)2調(diào)頻干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)調(diào)頻干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)317相關(guān)文獻(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)閱讀閱讀43、調(diào)頻干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距183、調(diào)頻干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距根據(jù)半導(dǎo)體激光器的調(diào)節(jié)特性，可設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光器的雙頻同步調(diào)制發(fā)射電路，其原理如圖（5）所示。其中調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生采用了直接數(shù)字頻率合成（DDFS）技術(shù)，兩高精度的直接數(shù)字頻率合成模塊（AD9850）的時(shí)鐘源采用了同一溫補(bǔ)晶振（100MHz），其輸出頻率值受控于微處理器（MSP430），可以同時(shí)產(chǎn)生兩種高穩(wěn)定度的測(cè)尺頻率，電路中取F0=7.5MHz,F1=75kHz.兩測(cè)

6、尺頻率信號(hào)分別經(jīng)過放大后和激光偏置電壓信號(hào)一起進(jìn)入同步合成模塊，合成后的信號(hào)作用于壓控電流驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)半導(dǎo)體激光器LD的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。19激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距20壓控電流驅(qū)動(dòng)模塊壓控電流驅(qū)動(dòng)模塊功能是將輸入電壓信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)并以恒流源的功能是將輸入電壓信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)并以恒流源的方式輸出，偏置電壓信號(hào)通過壓控電流模塊為半導(dǎo)體激光器提供一個(gè)方式輸出，偏置電壓信號(hào)通過壓控電流模塊為半導(dǎo)體激光器提供一個(gè)靜態(tài)工作靜態(tài)工作點(diǎn)點(diǎn)，調(diào)制，調(diào)制信號(hào)將在次靜態(tài)工作點(diǎn)基礎(chǔ)上對(duì)激光的功率進(jìn)行調(diào)制。由于半導(dǎo)體激信號(hào)將在次靜態(tài)工作點(diǎn)基礎(chǔ)上對(duì)激光的功率進(jìn)行調(diào)制。由于半導(dǎo)體激光器對(duì)浪涌電流的承受能力很差

7、，即使在數(shù)納秒時(shí)間內(nèi)超過其最大允許電流，光器對(duì)浪涌電流的承受能力很差，即使在數(shù)納秒時(shí)間內(nèi)超過其最大允許電流，也會(huì)使其受損失效，所以在電路設(shè)計(jì)中對(duì)調(diào)制電路電源采取了也會(huì)使其受損失效，所以在電路設(shè)計(jì)中對(duì)調(diào)制電路電源采取了軟啟動(dòng)軟啟動(dòng)措施措施。激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距該技術(shù)的是調(diào)制波在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)由于半導(dǎo)體激光器的溫度效應(yīng)容易變形且調(diào)制頻率受到調(diào)制深度的限制，在吉赫（109）量級(jí)很難提高，所以其測(cè)量波長(zhǎng)的穩(wěn)定度性較差，測(cè)量精度一般在毫米量級(jí)，很難進(jìn)一步提高。213、調(diào)頻干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距基于上述原因，外腔調(diào)制半導(dǎo)體激光器得到了廣泛應(yīng)用，德國(guó)PTB 研究人員采用外腔調(diào)制的半導(dǎo)體激

8、光光源作為調(diào)協(xié)干涉光源，其外腔由全息光柵構(gòu)成，常利用壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器對(duì)光柵的傾角進(jìn)行改變進(jìn)而使輸出頻率產(chǎn)生諧調(diào)變化，。優(yōu)點(diǎn)是輸出激光線寬較窄，相干長(zhǎng)度長(zhǎng)，具有較大的測(cè)量范圍。缺點(diǎn)是光源一般利用壓電陶瓷作為執(zhí)行器件對(duì)腔長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于采用壓電陶瓷對(duì)激光頻率進(jìn)行調(diào)制，所以其振動(dòng)影響較大，抵抗干擾能力較低。22Contents調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)調(diào)頻干涉測(cè)量技術(shù)1三光束調(diào)頻干涉技術(shù)三光束調(diào)頻干涉技術(shù)2調(diào)頻干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)調(diào)頻干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)323相關(guān)文獻(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)閱讀閱讀4文獻(xiàn)閱讀文獻(xiàn)閱讀激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距24長(zhǎng)周期拍頻穩(wěn)定雙偏振光纖光柵激光器長(zhǎng)周期拍頻穩(wěn)定雙偏振光纖光柵激光器出處：美國(guó)光學(xué)學(xué)

9、會(huì)出處：美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（the Optical Society of America，OSA）Long-duration beat frequency stabilization fordual-polarization fiber grating lasers 激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距25Distributed Bragg Reflector (DBR)光纖激光器由于其具有窄線寬，易于制造，低閾值和高效率的單頻率的優(yōu)點(diǎn)而吸引了各種應(yīng)用場(chǎng)所相當(dāng)大的關(guān)注。u 值得注意的是，穩(wěn)定性對(duì)于實(shí)現(xiàn)高精度傳感器至關(guān)重要。 然而，幾乎沒有對(duì)DBR光纖激光器的拍頻穩(wěn)定性研究。 u 通過使用偏振保持（PM）光纖，差

10、拍頻率波動(dòng)降低到0.1MHz 3。 u 通過減少激光腔的反向反射，拍頻穩(wěn)定性可以增強(qiáng)到5kHz，但只有20分鐘的時(shí)間4。 u 因此，系統(tǒng)地研究實(shí)現(xiàn)拍頻的長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間高穩(wěn)定性的方法，對(duì)于理論研究和實(shí)際應(yīng)用都至關(guān)重要。Long-duration beat frequency stabilization fordual-polarization fiber grating lasers 激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距26降低泵浦功率自注入鎖定單縱向DBR光纖激光器的差拍頻率波動(dòng)可以從800kHz到20kHz，大大減小，這是由于降低了頻譜線寬的概率密度將自注入鎖定引入到作為輔助泵的激光腔中，自脈沖被減少，并且

11、拍頻穩(wěn)定性可以進(jìn)一步增強(qiáng)到小于8kHz并且持續(xù)超過一小時(shí)1.降低泵浦功率激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距27通過將980nm泵浦功率從5.37mW調(diào)整到166.7mW，每個(gè)泵浦功率具有5分鐘的持續(xù)時(shí)間，我們記錄了在8個(gè)不同泵浦功率下的拍頻變化圖2（a），以及差拍信號(hào)的頻譜圖2（b）。隨著泵浦功率的增加，拍頻的3dB線寬從僅7.5kHz到700kHz變得更寬。1.降低泵浦功率激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距28為了明確地揭示拍頻變化的特性，將圖（a）中的數(shù)據(jù)變換為頻率分布直方圖，并且在圖（b）中示出了不同泵浦功率的拍頻變化的概率密度分布。概率密度低于10mW的低泵浦功率集中在0kHz附近，而在較高的泵浦功率下分

12、裂開，這解釋了隨著泵浦功率的增加，拍頻變化的增加。通過優(yōu)化泵浦功率，可以將拍頻頻率波動(dòng)控制在大約20kHz.2.自注入鎖定激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距29采用自注入鎖定方法來進(jìn)一步提高拍頻的穩(wěn)定性。 通過控制泵浦功率可以將拍頻信號(hào)的線寬壓縮為僅一個(gè)主峰和兩個(gè)對(duì)稱的側(cè)峰，如圖2（c）中的紅色曲線所示， 抑制信號(hào)的信噪比顯著增強(qiáng)到大于80dB。 以這種方式，可以消除混沌峰值跳頻，從而提高拍頻穩(wěn)定性。在同一泵浦條件下自注入鎖定前后60分鐘內(nèi)的拍頻頻率波動(dòng)軌跡如圖（d）所示。 通過自注入鎖定實(shí)現(xiàn)了從800kHz到小于8kHz的拍頻穩(wěn)定性的顯著改進(jìn)。 從20分鐘到1小時(shí)的拍頻穩(wěn)定的持續(xù)時(shí)間的跨越發(fā)展。Conclusion激光調(diào)頻測(cè)距激光調(diào)頻測(cè)距30這篇文獻(xiàn)這篇文獻(xiàn)研究研究了了泵浦功率泵浦功率對(duì)拍頻信號(hào)的線寬和概率對(duì)拍頻信號(hào)的線寬和概率密度分布的影響，并且顯示了拍頻頻率波動(dòng)特性