Устройство для измерения перемещений на основе полупроводникового инжекционного лазера с внешней оптической обратной связью

 

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к интерферометрам перемещений. Техническим результатом при использовании изобретения является расширение диапазона измеряемых перемещений устройства на основе полупроводникового инжекционного лазера с внешней оптической обратной связью. Результат достигается тем, что в устройстве для измерения перемещений на основе полупроводникового инжекционного лазера с внешней оптической обратной связью, содержащем оптическую головку, состоящую из инжекционного лазера, фотодиода, микрообъектива и регулируемого фильтра; и управляющий блок, состоящий из стабилизатора тока и температуры лазера, генератора треугольного напряжения, преобразователя фототока в напряжение, селективного усилителя и устройства индикации, использован импульсный детектор фазы и дополнительно включены компаратор и реверсивный счетчик. 3 ил.

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к интерферометрам перемещений. Устройство основано на эффекте внешней оптической обратной связи в полупроводниковом инжекционном лазере. Устройство может применяться для измерения перемещения объектов со слабоотражающей, зеркальной или диффузной поверхностью.

Известны устройства для измерения расстояния и перемещения на основе эффекта внешней оптической обратной связи в полупроводниковом инжекционном лазере (G. Beheim and K. Fritsch "Range finding using frequency-modulated laser diode." Appl. Opt. v. 25, N 9, 1986, 1439 1442; P.J. de Groot "Ranging and velocimetry signal generation in a backscatter-modulated laser diode". Appl. Opt. v. 27, N 21, 1988, 4475 4480; Ву Ван Лык, П.Г. Елисеев, М.А. Манько, М.В. Цоцория "Оптический и электрический отклики в InGaAsP/InP-лазерах и усилителях на внешнюю обратную связь и их применение." Труды ФИАН, т. 216, 1992, 144 172).

Такие устройства используют интерференцию излучения, отраженного от собственного зеркала инжекционного лазера и от внешнего объекта (мишени). В результате интерференции оптическая мощность становится периодической функцией расстояния до мишени и длины волны излучения. При изменении длины волны излучения и/или изменении расстояния до мишени наблюдаются биения выходной мощности.

Наиболее ранним аналогом устройства является лазерный гидрофон [T.J. Cialorenzy, A.Dandrige "An external cevity diode laser sensor", J. Light-wave Technol. 1, 1, 1983] Схема гидрофона содержит оптическую головку, состоящую из фотодиода, инжекционного лазера и металлической мембраны; и управляющий блок, состоящий из стабилизаторов тока и температуры лазера, преобразователя фототока в напряжение и устройства индикации. Металлическая мембрана помещена перед передней гранью лазера, изменение ее положения модулирует фазу света, возвращающегося обратно в лазер. В результате интерференции изменяется мощность, излучаемая лазером. Изменение оптической мощности регистрируется фотодиодом с задней грани лазера. Измерения вибрации мембраны производятся по изменению мощности в диапазоне однозначного определения фазы биений (-π/4, +π/4), что составляет λ/4 ≈ 0,2 мкм. Прототипом описываемого устройства является активный интерферометр [Toshihiko Yoshino, M.Nara, Sergay Mnatzakanian, "Laser diode feedback interferometer for stabilization and displacement measurements", Appl. Opt. vol. 26, 5, 1987] Он содержит оптическую головку, состоящую из фотодиода, инжекционного лазера, микрообъектива и регулируемого фильтра; и управляющий блок, состоящий из стабилизаторов тока и температуры лазера, генератора треугольного напряжения, преобразователя фототока в напряжение, селективного усилителя, аналогового детектора фазы биений и устройства индикации. В интерферометре излучение лазера фокусируется на поверхность исследуемого объекта, часть отраженного света возвращается обратно в активную область лазера. В результате интерференции в выходной мощности возникают биения, которые регистрируются фотодиодом с задней грани лазера. Фильтр служит для ослабления излучения, возвращающегося в лазер. Сигнал биений выделяется с помощью селективного усилителя, а затем вместе с треугольным сигналом, модулирующим ток накачки лазера, подается на вход аналогового детектора фазы биений, который вырабатывает напряжение, пропорциональное изменению фазы биений. Это напряжение используется для управления током лазера, а следовательно, и длиной волны излучения. В результате, изменения фазы биений, возникающие из-за перемещения мишени, компенсируются изменением длины волны излучения. Перемещение мишени определяется по сигналу обратной связи. По сравнению с лазерным гидрофоном диапазон измерений увеличивается до 10 мкм, точность уменьшается до 0,05 мкм.

Указанные методы измерений обеспечивают высокую точность, но в ограниченном диапазоне измерений. Однако, существуют задачи, в которых требуется больший диапазон измерений при меньшей абсолютной точности.

Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона измеряемых перемещений устройства на основе полупроводникового инжекционного лазера с внешней оптической обратной связью.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для измерения перемещений на основе полупроводникового инжекционного лазера с внешней оптической обратной связью, содержащем оптическую головку, состоящую из фотодиода, инжекционного лазера, микрообъектива и регулируемого фильтра; и управляющий блок, состоящий из стабилизаторов тока и температуры лазера, генератора треугольного напряжения, преобразователя фототока в напряжение, селективного усилителя и устройства индикации; использован импульсный детектор фазы биений и дополнительно включены компаратор и реверсивный счетчик.

Схема устройства показана на фиг.1. Устройство для измерения перемещений содержит оптическую головку и управляющий блок. Оптическая головка состоит из фотодиода 1, инжекционного лазера 2, микрообъектива 3 и регулируемого фильтра 4. Управляющий блок состоит из преобразователя фототока в напряжение 6, селективного усилителя 7, компаратора 8, стабилизаторов тока и температуры лазера 9, генератора треугольного напряжения и тактовых импульсов 10, импульсного детектора фазы биений 11, устройства индикации 12 и реверсивного счетчика 14.

Устройство работает следующим образом. Ток накачки и температура инжекционного лазера (ИЛПН-780) 2 поддерживаются постоянными при помощи стабилизаторов тока и температуры лазера 9. Длина волны излучения инжекционного лазера модулируется введением треугольного сигнала от генератора 10 в ток накачки. Излучение инжекционного лазера фокусируется микрообъективом 3 (f 20 мм, NA 0,2) на поверхность мишени 5. Расстояние между головкой и мишенью составляет от 0,1 до 1 м и не должно превышать половины длины когерентности излучения лазера. Фильтр 4 служит для ослабления излучения, возвращающегося обратно в активную область инжекционного лазера, что обеспечивает режим устойчивой генерации одной продольной моды лазера. Из-за модуляции тока накачки излучение, возвращающееся в лазер, отличается по частоте от излучения, генерируемого лазером в данный момент. В результате их интерференции в выходной мощности инжекционного лазера возникают биения. В приближении слабой обратной связи биения выходной мощности можно описать выражением: где P₀ постоянная составляющая, ΔP и Δν амплитуды модуляции мощности и частоты из-за модуляции тока накачки треугольным сигналом a(t), dP амплитуда биений, L расстояние до мишени, l_o длина волны излучения в отсутствии модуляции тока накачки, c скорость света.

Первое слагаемое под знаком косинуса определяет фазу, а второе частоту биений. В устройстве для определения перемещения объекта используется изменение фазы биений ΔФ относительно начальной фазы A_o:ΔФ = 4π·ΔL/λ_o, где ΔL перемещение мишени. Биения выходной мощности преобразуются в сигнал биений 1 (фиг. 2) с помощью фотодиода 1 и преобразователя фототока в напряжение 6. Сигнал биений подается на вход селективного усилителя 7 для выделения полезной части. Усиленный сигнал 2 (фиг. 2) подается на инвертирующий вход компаратора 8, на неинвертирующий вход подается нулевой потенциал. Компаратор служит для преобразования аналогового сигнала в импульсный сигнал 3 (фиг.2), подаваемый на вход схемы импульсного детектора фазы биений 11.

Принципиальная схема импульсного детектора фазы биений показана на фиг. 3. Детектор выполнен на элементах D1 KP1533ТМ2; D2,3,4,7 KP1533ЛА3; D5,6 - KP1533ЛП5. Сигнал биений 3 (фиг.2) подается на D-вход детектора. Генератор 10 синхронно с сигналом модуляции тока накачки лазера вырабатывает два тактовых импульса 4 и 5 (фиг.2), которые подаются на входы C1 и C2 детектора. Фронт первого тактового импульса задержан относительно второго на время приблизительно равное одной пятой периода биений. Синхронно с сигналом модуляции тока накачки инжекционного лазера по фронту тактовых импульсов в триггеры D1.1 и D1.2 записывается состояние фазы сигнала биений. Когда состояние фазы сигнала биений изменяется, элементы D2.1 D2.4 формируют укороченные и задержанные импульсы по положительному и отрицательному перепаду сигналов, поступающих с выходов триггеров. Элементы D3.1 D3.4 и D4.1 D4.4 разделяют эти счетные импульсы в зависимости от знака изменения фазы. Затем разделенные счетные импульсы с помощью элементов D5.1 D5.3 и D6.1 D6.3 собираются в два выходных канала "+1" и "-1". Элементы D7.1 и D7.3 согласуют выходы импульсного детектора фазы с соответствующими входами реверсивного счетчика 14, в котором накапливается информация об изменении фазы биений. Таким образом, изменение фазы биений на π/2, вызванное смещением мишени на λ_o/8, приводит к появлению на выходе детектора счетного импульса. В зависимости от направления перемещения счетный импульс подается на выход "+1" или на выход "-1 ".

Выходы реверсивного счетчика подключены к входам блока индикации 12, который отображает результат измерений. При анализе быстропротекающих процессов результат измерений может считываться в память компьютера 13.

Использование импульсного детектора указанной конструкции позволяет регистрировать фазу сигнала за пределами диапазона однозначности и диапазон измерения теперь зависит только от глубины фокусировки и шероховатости поверхности мишени. Хотя использование такого импульсного детектора приводит к уменьшению абсолютной точности измерения фазы до величины равной дискретности одного отсчета π/2, соответствующая дискретность в измерении перемещения остается достаточно высокой δL = λ_o/8 ≈ 0,1 мкм. Кроме того, устройство становится нечувствительным к паразитным вибрациям с амплитудой менее λ_o/8. Использование импульсного детектора ограничивает максимальную измеряемую скорость перемещения: v_max= F·λ_o·τ/4·t_s, где F частота модуляции тока накачки, τ задержка между тактовыми импульсами, t_s период сигнала биений. Например, для получения максимальной скорости 20 мм/с необходимо модулировать ток накачки с частотой 0,5 МГц и регистрировать сигнал в полосе частот 1 3 МГц.

Использование импульсного детектора указанной конструкции, позволяющего регистрировать фазу сигнала за пределами диапазона однозначности, приводит к увеличению диапазона измеряемых перемещений до 50 мм (10 мкм) при дискретности измерений ≈0,1 мкм (≈ 0,05 мкм) и быстродействии ≈ 20 мм/с (≈0,2 мм/с). В скобках даны характеристики прототипа. Устройство с такими характеристиками может применяться при безконтактном измерении перемещений объектов со слабоотражающей, зеркальной или диффузной поверхностью, имеющих малые размеры или находящихся в агрессивной, но прозрачной среде, при повышенной или пониженной температуре. Кроме этого, импульсный детектор фазы, разработанный для этого устройства, может использоваться в составе другой аппаратуры.

Формула изобретения

Устройство для измерения перемещений на основе полупроводникового инжекционного лазера с внешней оптической обратной связью, содержащее оптическую головку, состоящую из установленных на одной оптической оси фотодиода, инжекционного лазера, микрообъектива и регулируемого фильтра, управляющий блок, состоящий из стабилизаторов тока и температуры лазера, генератора треугольного напряжения, подключенного к стабилизатору тока лазера, и включенных последовательно преобразователя фототока в напряжение, селективного усилителя, детектора фазы и устройства индикации, отличающееся тем, что детектор фазы биений выполнен импульсным и дополнительно включены компаратор и реверсивный счетчик, компаратор включен между выходом усилителя и первым входом детектора фазы, второй и третий входы детектора подключены к выходам тактовых импульсов генератора треугольного напряжения, два выхода импульсного детектора фазы подключены соответственно к входам сложения и вычитания реверсивного счетчика и выходы реверсивного счетчика соединены с входами устройства индикации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3