Методы измерения расстояния с помощью полупроводникового лазера при токовой модуляции длины волны излучения

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА
ПРИ ТОКОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ

, Ан. В. Скрипаль, ,

Саратовский государственный университет им.

E-mail: *****@***ru

В последние годы получило существенное развитие новое направление интерферометрии, известное как интерферометрия с оптической обратной связью. Развитие этого направления, которое позволило решить задачи определения направления движения исследуемого объекта, расстояния до объекта, связано с использованием токовой модуляции излучения полупроводникового лазера. Основными методами токовой модуляции являются линейная и гармоническая модуляции длины волны излучения лазера. Целью работы явился сравнительный анализ методов измерения расстояния с помощью полупроводникового лазера при токовой модуляции длины волны излучения

В работе [1] продемонстрирована возможность измерения расстояния с помощью полупроводникового лазера с линейной токовой модуляцией. Сигнал с фотодетектора имеет треугольную огибающую за счет треугольной токовой модуляции лазерного диода и интерференционную модуляцию, формируемую при изменении фазы отраженного от объекта лазерного излучения [1]. Смоделированный автодинный сигнал при инжекционном токе 50мкА и заданном расстоянии 40 см. приведен на рис.1.

Рис. 1. Смоделированный автодинный сигнал при инжекционном токе 50мкА и заданном расстоянии 40 см. Так же на рисунке показана производная мощности по времени для удобства анализа количества пиков автодинного сигнала на треугольной модуляции.

Расстояние до объекта в данном методе определяется соотношением:

, (1)

где L – расстояние от излучателя до объекта; N – количество пиков автодинного сигнала; λ – длина волны излучения лазера; Δλ – изменение длины волны на одном периоде.

На рис 2 приведен спектр автодинного сигнала, изображенного на рис.1. На спектре отчетливо выделяется частота автодинного сигнала с наибольшей амплитудой. По частоте спектральной составляющей с максимальной амплитудой, можно рассчитать расстояние до объекта для смоделированного автодинного сигнала по соотношению (1).

Рис. 2 Спектр автодинного сигнала, изображенного на рис.1.

Для определения точности данного метода были рассчитаны расстояния при разных заданных дистанциях до объекта. Показано, что данный метод с точностью до 0,1 процента позволяет определять расстояние при значениях заданной дистанции более 50 см. При меньших расстояниях до объекта, данный метод дает большую погрешность, до 3,7%.

Нами для сравнения моделировался автодинный сигнал с гармонической токовой модуляцией [3]. Моделирование с использованием данного метода проводилось при параметрах: длина волны лазерного диода λ=650 нм, девиация частоты излучения полупроводникового лазерного диода wА= 10·109 рад/с. На рис. 3 и 4 представлена зависимость мощности излучения лазерного диода от времени и ее спектр при расстоянии до объекта 40 см.

Рис.3 Зависимость мощности излучения лазерного диода от времени.

Рис. 4 Спектр автодинного сигнала, изображенного на рис. 3

Для определения расстояния до объекта , входящего в параметр, используем известные отношения 2n и 2n+2 спектральных гармоник и отношение 2n+1 и 2n+3 спектральных гармоник [4]:

	(2)
	(3)

Решение уравнений (2) и (3) относительно неизвестного параметра требует знания параметров токовой модуляции лазерного автодина, в частности, девиации частоты излучения лазерного диода. Принимая во внимание, что , соотношение для определения расстояния до объекта имеет вид: L=c·σ/2ωA.

Исследование влияния шума на детектируемый автодинный сигнал показало, что метод с гармонической модуляцией имеет маленькую погрешность при небольших расстояниях, при расстояниях больше 40 см погрешность значительно увеличивается.

Таким образом, было показано, что метод с линейной токовой модуляцией имеет небольшую погрешность (0,1%) при измерении больших расстояний, от 40 см. Метод с гармонической токовой модуляцией имеет преимущества при определении расстояний менее 40 см вплоть до 10-4м.

Список использованной литературы:

1. Guido Giuliani, Silvano Donati Laser Interferometry// Unlocking Dynamical Diversity: Optical Feedback Effects on Semiconductor Lasers. P.217-255.

2. , , Харин активной лазерной интерферометрии с частотной модуляцией для оценки наноперемещений и нановибросмещений диффузно отражающих объектов// С26 ГЕО-Сибирь-2010. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 1 С. 119-124

3. , Скрипаль лазерные автодины для измерения параметров движения при микро - и наносмещениях//Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2013. С.54-60

4. , , Авдеев расстояния до объекта с помощью частотномодулированного полупроводникового лазер - ного автодина // Письма в ЖТФ. 2007. Том 33. Вып 21. С. 72-77.

Сведения об авторах

– д. ф.-м. н., профессор, заведующий кафедрой физики твердого тела.

– д. ф.-м. н., профессор, зав. кафедрой медицинской физики.

– магистр, младший научный сотрудник кафедры медицинской физики.

– аспирант кафедры физики твердого тела.

Вид доклада: устный (/ стендовый)