第33卷第4期 2010年12月 南京师大学报(自然科学版) JOURNAL OF NANJING NORMAL UNIVERSITY(Natural Science Edition) Vol_33 No.4 Dec,2010 半导体激光自混合干涉测量技术中正弦相位 调制参数的优化分析 郭冬梅 (南京师范大学物理科学与技术学院,江苏南京210046) [摘要] 为了提高自混合干涉技术测量位移的精度,将正弦相位调制技术引入自混合干涉信号的分析中,相位 调制由置于外腔中的电光调制器(EOM)实现,相位解调由FFT分析的方法得到.针对正弦相位调制自混合干涉 测量技术用于位移测量时,电光调制器调制参数对相位解调的影响,分析了调制参数的优化选择依据.模拟分析 及实验结果表明:正弦相位调制自混合干涉仪用于位移测量时,正确解调相位所需的最小调制频率和待测射靶 面的振动频率和幅度的乘积成正比.调制幅度取1.23rad时,可以减少激光束偏振态损失带来的测量误差. [关键词]测量,自混合干涉,正弦相位调制,调制参数 [中图分类号]TN249 [文献标识码]A [文章编号]1001-4616(2010)04-0053-05 Optimization Analysis of Modulation Parameters in Laser Diode Self-mixing Interferometry Based on Sinusoidal Phase Modulation GUO Dongmei (School of Physics and Technology,Nanjing Normal University,Nanjing 210046,China) Abstract:In order to improve the displacement measurement accuracy of the self-mixing interferometer,sinusoidal phase modulating technique is introduced to the analysis of serf-mixing interference signa1.Phase modulation is obtained by an electro—optic modulator(EOM)in the external cavity and phase demodulation is achieved by FFI"analysis method.The effect of modulation parameter on phase demodulation is analyzed in sinusoidal phase modulating self-mixing interferome— ter for displacement measurement.A rule for selecting the modulation parameter is presented.The results of simulation and experiments show that:the minimum modulation frequency needed to demodulate the phase is directly proportional to the product of the amplitude and the frequency of the external target.When the modulation amplitude is 1.23rad,the measurement error caused by the loss of polarization is minimum. Key words:measurement,self-mixing interferometry,sinusoidal phase modulation,modulation parameter 激光自混合干涉(SMI)是指激光应用系统中,激光器输出的光被外部物体反射或散射后,其中一部分 光反馈回激光器的谐振腔,反馈光携载外部物体的信息,与腔内光混合后,调制激光器的输出功率,其信号 特点与传统干涉信号类似.半导体激光自混合干涉技术引起关注,主要是由于系统仅有一个干涉通道,结 构简单、紧凑、鲁棒且系统易准直.近年来,激光SMI理论的研究已经趋于成熟….在自混合干涉信号中, 相位和振幅的变化与外腔的光程及外部反射表面有关,这个性质被用于各种传感应用,如测量位移、速度 和面形 4。.自混合干涉信号常用条纹计数法分析,但是位移测量精度仅能达到半个波长.为了提高测量精 度,一些信号的调制解调方法被引入自混合干涉信号的分析中.基于对激光束在外腔中相位的正弦调制, 文献[5]首次提出了一种新型的正弦相位调制自混合干涉位移测量技术 J:相位调制由置于自混合干涉 仪外腔中的电光调制器实现,相位解调过程为:FfTr变换一频域滤波一F丌反变换一相位计算.在测量过 程中,由于没有确切的调制参数依据,尽可能选择较大的调制频率,以保证相位解调的正确.但是受电子测 量系统,尤其是数据采集系统带宽的限制,选择过大的调制频率必然会增加整个系统的复杂程度和成本. 收稿日期:2010 ̄5-04. 基金项目:江苏省普通高校自然科学研究计划项目(08KJB510008). 通讯联系人:郭冬梅,讲师,研究方向:激光精密测量方面的研究.E—mail:guodongmei@njnu.edu.an 南京师大学报(自然科学版) 第33卷第4期(2010年) 因此在保证信号处理需要和测量精度的前提下,对相位调制参数的优化选择是正弦相位调制自混合干涉 测量技术用于较大位移测量时必须解决的问题. 本文简要阐述了正弦相位调制自混合干涉技术测量位移的原理,重点分析了用正弦相位调制法测量 位移时,调制参数的优化选择.鉴于半导体激光(LD)自混合干涉仪具有体积小、重量轻、结构简单并且无 需外置光电探测器(PD)等特点,在本文的工作中,使用LD作为光源,虽然LD输出光稳定性远不如He— Ne激光,但在相位解调过程中,通过频域的滤波处理,滤掉高频电子噪声、低频环境变化及LD输出光强 波动对测量结果的影响,实现了纳米级的位移测量精度. 1测量原理 图1为用来测量微位移的LD正弦相位调 制激光自混合干涉仪,包括半导体激光器LD. PD(ELD63NT15,635 nm,5 mW,内封光电二级 管PD),1个非球面的准直透镜,电光调制器 (New Focus 4002),以及待测靶镜(PZT驱动的 硅片).测量前调节激光二极管的偏振方向、电 光调制器的主轴方向一致,光路校准后电光调 制器可以以极低的插入损耗和幅度调制来对外 腔中的光进行纯相位调制.干涉信号由置于激 光器后端面的光电探测器接受,经电流电压转 换并放大,由数据采集卡(National Instrument 6024E)采集后送入PC机,由专用的数据分析 软件进行分析处理(National Instrument Lab- 图1实验装置 Fig.1 Experimental setup view).测量时由置于外腔中的电光调制器对激光束进行正弦调制,调制函数为: (t)=asin(2 ̄fmt+JB), 其中。为调制幅度 为调制频率, 为调制的初始相位.考虑到光在外腔中2次经过电光调制器,所以由 电光调制器调制引起的相位变化为20(t),经过调制后的干涉光强可以表示为: ,(t)=/o{1+mcos[咖(t)+2asin(2,r £+卢)]}, 展开上式有: (1) ,(t)=/o{1+//tCOS[ (t)+2asin(2'ffmt+JB)]}:/o+m/oCOS4,(t)Jo(2a)+ m,0cos (f)[2∑J2 (2。)cos(2n)(2Wfmt+卢)】一 m/osin(h(t)[2∑J(2n+1)(20)sin(2n+1)(2 ̄rfmt )]・ 式,一次谐波和二次谐波的振幅A。(t)、A:(t)分别为 A1(t)=2mlosimb(t)J (2Ⅱ), 2(2) 其中-, (2口)为n阶的贝塞尔函数.从方程(2)中可以看出,受调制的干涉光强可以展开成 次谐波的形 (3) (4) (t)=2mlocos ̄b(t)J2(20). 将上述两式相除,可以从A (t)和A (t)中解调出相位咖(t),继而得到外反射靶面的位移信息 tan( = ・ , (5) 其中确定A (t)和A (t)的步骤如下:(1)对得到的干涉信号进行傅里叶变换;(2)用2个窗 /2<f< 3厂m/2和 /2<f< /2,从得到的频谱中分别滤出一次谐波,(,Ⅲ)和二次谐波,( );(3)对滤出的一 次谐波和二次谐波分别进行傅里叶逆变换,分别用,,m( )、 (£)表示;(4)由下列关系得到A (t)和 42(t): 1( )=Im[,,m(t)/ej(2a"f'm ], (6) (7) 2( )=Re[,2 ( )/ej ” ’]. 郭冬梅:半导体激光自混合干涉测量技术中正弦相位调制参数的优化分析 虽然LD输出光稳定性较差,其内置PD的光电转换噪声较大.但通过上述信号处理过程中步骤(2)的 频域滤波处理,可以滤掉高频电子噪声、低频环境变化,及LD输出光强波动对测量结果的影响,从而得到 高精度的测量结果.用上述方法得到的相位 被包裹于一1T和1T之间,为了得到真正的相位值,必须对西 进行去包裹处理.再依据相位西和自混合干涉仪外腔长度之间的关系,就可以得到外反射靶的位移情况. 2 调制参数优化选择分析 2.1 调制幅度优化 利用FFT分析的方法解调相位,对于调制幅度a,首先要考虑的是贝塞尔函数的零点问题,当., (2a) 或者t, (2a)为零的时候,不能用方程(5)来解调相位咖(t).图2为.,。(2a)、J2(2a)随着a的变化关系,可 以看出随着a的增长,存在这一阶贝塞尔函数和二阶贝塞尔函数的一系列零点(表1),在选择电光调制器 的调制幅度时,要避开这些值. 表1 J1(2a)和J2(2a)的零点(用 表示) Table1 Values of awith nullJl(2a)andJ2(2 (represented byX) 另外,由于电光调制器对人射光的偏振态很敏感,只有当入射偏振光的振动方向和电光调制器主轴 方向严格一致时,才能对激光束产生纯相位调制.测量时,调整LD输出光振动方向和电光调制器主轴方向 一致,但由于外部反射靶面并非完全光滑,使得反射光的偏振态有损失,从而带来测量误差.偏振态的损失 使得自混合干涉信号的波动深度m和相位调制幅度a发生变化.从方程(5)中可以看出,波动深度m的变 化对相位解调的结果没有影响.令A=A /A ,J=J2/J ,方程(5)可以表示为: =arctan[A・J]. 将(8)式对调制幅度a求导得到: A (8) 8 ̄/8a= _ 1十 8J/Sa. J, (9) 为了使调制幅度a变化对相位解调结果的影响最小,84,/8a必须最小.图3模拟了a<1.91(一阶和二 阶贝塞尔函数的第一个零点)范围内86/8a和n之间的关系,模拟的结果显示当a=1.23时,满足8西/8o 最小.因此通过适当的选取电光调制器的调制幅度,可以减少激光束偏振态损失带来的测量误差. e e a/rad a/rad 图2 J-( )和A(2a)随着a的变化关系 Fig.2 Plots of the Bessel functions Jl( )and 2口) with respectto a 图3 6西儡口和a之间的关系 Fig.3 The relationship between 6击俺口and a 2.2调制频率优化 在选择电光调制器的调制频率 时,要避免自混合干涉信号频域空间中的频谱重叠,以保证滤波的 正确性.由方程(3)和方程(4)可见,A ( )和 :(£)存在一个瞬间频率F: 1. ,1T oE 它和外反射靶的运动 速度有关.一次谐波和二次谐波的频谱在频域中分别以 和2fm为中心,频谱宽度和外反射靶的最大运动 一55— 南京师大学报(自然科学版) 第33卷第4期(2010年) 速度有关.为了避免频域中的频谱重叠, (t)所含的频谱成份F必须满足: F≤ /2. (10) 假设外反射靶面做正弦运动,位移d=dosin(2 ̄rfot),则 (t)= o+4盯dosin(2"trfot)/A. A (t)和A (t)的瞬间频率F可以写为: F=21(11) ‘ =4 ̄rfod0cos(2-rrfo )/a, (12) 竹将式(12)带人方程(10),有: F: 21T . d : A川 d。c。s(2 ̄r~ fo£)<<.fm/2,’ (13)、 为了使(13)式恒成立,应满足下列条件: F :4 ̄rfodo/A≤fm/2, (14) 所以调制频率和外反射靶的运动幅度和运动频率之间的关系可以表示为: ≥8" ̄fodo/A. (15) 从(15)式可以看出,正弦相位调制自混合干涉仪及FFr分析信号处理方法用于位移测量时,所需的 最小调制频率和外反射靶的运动频率和运动幅度的乘积成正比. 图4模拟了被测位移频率分别为50 Hz、100 Hz、200 Hz时,最大可测幅度随调制频率的变化.从图中 可以看出,对于某一频率的被测位移,最大可测位移与调制频率成正比,调制频率越大,最大可测位移就越 大.当调制频率为100 kHz时,最大可测的幅度分别为:50.357 m、25.178 I.un、12.598 m.图5则模拟了 调制频率为10 kHz时,最大可测幅度与被测位移频率之间的关系.所以如果电光调制器的调制频率足够 高,测量系统电路部分的带宽足够大,以及数据采集卡的采样频率可以满足信号调制后干涉信号的采样需 求,理论上该正弦相位调制自混合干涉位移测量系统的测量范围是没有限制的. 吕 i 匝 咖 /kHz fo/kHz 图4最大可测靶面振动幅度和调制频率之间关系 图5 最大可测靶面振动幅度和靶面振动频率关系 =10 idtz) Fig.4 The relationship between the maximum measurable Fig.5 The relationship between the maximum measurable vibration vibration amplitude and the modulation frequency amplitude and the vibration frequency Or.=10 kHz) 3实验 实验中用PI公司生产的高精度的PZT来评价正弦相位调制自混合干涉仪.该PZT内部有一个传感元 件,闭环控制时PZT位移的分辨率为0.15 nm.为了能对靶镜的运动情况进行实时监测,用LABVIEW程序 编写了数据采集及自混合干涉信号的解调程序,设计了虚拟仪器面板,在采集信号的同时,实时恢复靶镜 微位移的情况.将解调出PZT位移结果和PZT控制器实时输出的位移结果进行对比,得到测量误差. 实验做了2组测量,根据前文对EOM调制参数优化分析的结果,EOM的调制幅度a取1.23 rad,调制 频率根据式(15)选择.由于测量过程中环境干扰及电子噪声对干涉信号频谱的影响,实际测量时,所选取 的调制频率比式(15)计算结果略大一些,即可以达到满意的测量效果. 第一组,用控制器控制PZT做频率10 Hz,峰峰值为600 nm、2 000 nnl、4 000 nrfl、8 000 am、10 000 rim正 弦振动,EOM调制频率及测量结果如表2所示.第二组,控制PZT做峰峰值6000 am,频率为1O Hz、20 Hz、 一56— 郭冬梅:半导体激光自混合干涉测量技术中正弦相位调制参数的优化分析 40 Hz正弦运动,EOM调制频率及测量结果如表3所示.实验结果显示了,根据理论分析的结果优化选择 EOM的调制参数,可以实现对相位的正确解调,获得纳米级的位移测量精度.在待测靶面的振幅较大或者 运动频率较高时,优化选择EOM的调制参数,显得尤为重要. 表2 PZT频率为10Hz正弦运动测量结果 Table 2 Measurement results of the PZT with vibration frequency 10 Hz 4结论 分析了正弦相位调制干涉测量技术用于较大位移测量时,相位调制参数对干涉信号解调的影响.给出 了调制参数的优化选择依据,保证了信号处理需要和测量精度的前提下,该选择依据可以比较准确地确定 正弦相位调制自混合干涉位移测量技术中调制幅度和调制频率的大小.出于对整个测量系统小型化的考 虑,光源部分采用半导体激光器,虽然LD输出光稳定性远不如He.Ne激光,但在相位解调过程中,通过频 域的滤波处理,削弱了高频电子噪声、低频环境变化及LD输出光强波动对测量结果的影响,达到纳米级 的位移测量精度. 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