激光多普勒自混频技术的研究

姚臣益

【摘要】结合自混合干涉原理和多普勒测速原理，将多普勒频移现象引入激光二极管。当来自被照射的物体表面的反射或散射光反馈回激光器时，把光强调制成为多普勒的频移信号。安装在激光器尾部的光电二极管，检测光学反馈生成的频移信号确定物体的状态。设计了VCSEL激光器自混合多普勒测速实验系统，对推导出的VCSEL激光器自混合多普勒测速理论进行了初步的验证。

【关键字】激光多普勒效应 激光自混合干涉 VCSEL激光器 振动测量

一、引言

关于自混合干涉的研究，国际上以日本静冈大学S.Shinohara教授和意大利Pavia大学S.Donati教授为代表的一些学者相继建立和发展了激光自混合干涉测量的基础和技术。

早期的研究集中于距离，位移和速度测量的原理和技术，近几年，他们大大开拓了自混合干涉技术的应用范围，如进行模具分析、形貌测量、无损探伤等，并于大规模集成制造技术相结合向微型传感器方面发展。

国内主要有哈尔滨工业大学强锡富教授的课题组、天津大学姚建荃院士的课题组和南京师范大学的课题组进行这方面的研究，这些研究都得到了国家自然科学基金的资助，已经提出和解决了自混合干涉理论和位移测量方法的一些技术问题。

二、方法

结合自混合干涉原理和多普勒测速原理，将多普勒频移现象引入激光二极管，检测光学反馈生成的频移信号确定物体的状态。选择VCSEL激光器组成自混合多普勒测速系统。

2.1 原理

根据Lang-Kobayashi速率方程方法。光强与频率的关系式

如果反馈系数C<1时，激光器的工作将变得不稳定，输出的噪声增大，并发生跳模。另外，被测目标不同运动方向所致的不同相位，会影响到锯齿波的形状（斜率），籍此可以判别被测运动的方向。

2.2 系统

VCSEL激光自混合多普勒测速系统由VCSEL激光器、激光扩束透镜、外部反射物体组成简单的光学系统，激光管驱动电路及光功率监测电路组成电学系统。VCSEL激光自混合干涉原理示意图如下所示。

三、仿真实验

本文根据上述的系统进行了仿真实验，对将一小块平面镜作为靶镜粘贴在扬声器上，通过激光器的电流高于阈值，为8mA，激光器发出的光经激光扩束透镜后平行出射，经衰减器照射在靶镜上，调整光路使反射光能够进入激光腔，由于经过衰减器，反馈回激光腔的光很弱。

由于实验中只有一个光路，所以光路调节起来相对容易的多。用信号发生器的正弦波（2kHZ）输出驱动扬声器，扬声器信号源输出电压lOmV。有光反馈时，PD探测到LD输出的变化，PD接收的信号经后续电路处理后，显示在示波器上。

在实验中，构建了实验装置，并且得到了较好的实验结果。这些说明我们研究的VCSEL激光器自混合多普勒测速原理可以真正的运用到现实中去，制作出一个紧凑、便利、实用的传感测速器。

四、结束语

本文结合自混合干涉原理和多普勒测速原理，使用VCSEL激光器实现测速。为将来自混合多普勒测速运动到现实中提供了良好的基础。