CN104460409B - 一种具有反馈光强度自适应调节的激光自混合干涉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有反馈光强度自适应调节的激光自混合干涉系统。该系统由激光器、驱动电源、光电探测器、互阻抗放大器、滤波器、数据采集卡、上位机、微控制器、隔离放大电路、步进电机、传动机构、可调衰减片组成。其中，上位机读取来自数据采集卡的数据，经过处理还原激光器的输出功率波形，从中提取影响功率波动幅度的调制系数，载入到微控制器中。根据调制系数与反馈强度系数的比例关系，在微控制器中进行数据处理后实现反馈强度系数的获取，并与预先输入的理想强度系数进行比较，根据比较结果向外输出脉冲信号控制步进电机，带动衰减片转动调节衰减率，以达到调节反馈光强度的目的。

Description

一种具有反馈光强度自适应调节的激光自混合干涉系统

技术领域

本发明涉及激光自混合干涉测量技术领域，特别涉及激光反馈强度调节方法和装置。

背景技术

近年来，激光自混合干涉技术逐渐成熟，基于该技术的测量应用也越来越多。自混合干涉仪以其与传统干涉仪相比，结构简单、紧凑，易准直的特点，在很多场合逐渐取代传统的干涉仪得到广泛应用，例如对象的物理特性和运动特性的测量：形貌测量、位移和距离测量、速度和振动测量等。激光自混合干涉仪基于激光自混合干涉现象：激光器发出的光入射到物体表面时，会在物体表面发生反射或散射，一部分光经反射或散射后又反馈回激光器谐振腔内，与腔内的光发生相干混合形成新的激光振荡。激光振荡的波长和功率依赖于反馈光的强度和相位。当入射表面沿激光轴向移动时，激光器的功率呈周期性变化，每移动半个光波长，激光器功率变化一个波形，波形形状依赖于反馈光的强度。根据反馈强度系数C的大小把激光自混合干涉现象分为四种光反馈水平。

1)C<<1,系统处于极度弱反馈状态，干涉信号为正弦波，几乎观察不到自混合现象

2)0.1<C<1，系统处于弱反馈水平，干涉信号类似于传统双光束干涉，具有不对称性，其倾斜程度随外反馈光强度的增大而增加

3)1<C<4.6，系统处于适度反馈水平，半导体激光器多模运转，自混合干涉信号为类锯齿波形，倾斜方向敏感于目标物体的运动方向

4)C>4.6，系统处于强反馈状态，半导体激光器出现模跳，不再有自混合干涉产生

为了保证自混合干涉现象的发生，要求反馈光强度处于适当的水平，避免使系统处于极弱光反馈或强光反馈，即自混合干涉系统正常工作时处于适度光反馈或弱光反馈。在弱光反馈和适度光反馈下，经过自混合干涉后的激光强度的变化规律不同，这就使得后续的信号处理方法不同，适用的情况也不同：弱光反馈的强度波形一般采用条纹计数法，为了保证测量精度常用于大位移的测量；适度反馈由于其自混合波形类似锯齿波，在每个波形的上升沿或下降沿近似线性，可以通过某些方法实现波形的细化，即可以得到更高的测量精度。因此在实际的测量过程中反馈光强度的控制是非常重要的。

现有的用于调整反馈光强度的方法如光路调节方法或是通过改变目标物体的反射率来调整强度。而“适度反馈下半导体激光器自混合干涉效应与微振动测量研究”(见《光电技术应用》，2013年28卷1期)中改变待测目标的反射率的方法在确定的测量目标的条件下是无法实现的，特别是当待测目标较小时，无法通过在目标上固定特定反射率的东西得到实现。“光反馈自混合干涉系统反馈水平的研究与测量”(见《激光技术》，2010年36卷第6期)中提出的反馈强度系数的测量方法，即利用干涉信号波形谷峰值的差值或利用波形滞回现象，通过一系列的数值运算获得反馈光强度系数的方法在实际应用时较复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一个自动控制反馈光强度的方法，有效的解决在微小目标测量过程中反馈光强度的检测和调节。

本发明的目的还在于提供一种实现上述方法的控制装置。

本发明的一种具有反馈光强度自适应调节的激光自混合干涉系统，见图1。激光器(1)发出的光入射到光电探测器(3)上，探测器接收光信号，并向外输出与光强度成正比的电信号。电信号依次通过互阻抗放大器(4)和滤波器(5)，放大和滤波的处理，处理后的信号由数据采集卡(6)进行采集，并由上位机(7)进行读取。上位机(7)读取信号后，还原激光器输出激光的强度变化波形，并从中提取影响激光强度波动幅度的调制系数，载入到微控制器(8)。由于调制系数是一个比例与反馈强度系数的值，利用这个关系在微控制器中进行运算得到反馈强度系数。这个过程充分利用了自混合干涉测量系统原有的设备，大大减少了设备的数量，且反馈强度系数的获取是利用一系列的软件的运算来完成的，极大减少了硬件的数量，简化了整个系统的组成。

微控制器(8)接收来自上位机的输出结果，通过编程实现实际反馈强度C的获取并与理想反馈强度C₀进行比较，根据比较结果向外输出脉冲信号，输出的脉冲信号通过隔离放大电路(9)进行放大，然后控制步进电机(10)做相应的转动。如果C>C₀，微控制器(8)输出正向脉冲控制步进电机(10)正转，增大衰减片(13)的衰减率，进而减小激光的反馈强度；如果C<C₀，微控制器(8)输出反向脉冲控制步进电机(10)反转，减小衰减片(13)的衰减率，进而增大激光的反馈强度。

为了实现步进电机(10)对可调衰减片(5)的控制，利用传动机构(12)将电机(13)与衰减片(5)的可动支架相连接。为了保证传动的精确性，并考虑到整个系统结构的灵活性，选用链轮传动。因为步进电机的步距角小于1°，通过链轮传动传递到衰减片(5)支架上的角度间隔也小于1°，可以实现对整个圆周角的细分，细分程度保证了衰减片衰减强度的连续调节。

如图2所示链轮传动机构：为了保证链轮传动的运动精度，链条(15)选用齿形链。为了保证链节平稳自如地进入和退出啮合，并便于加工，选择常用的“三圆弧一直线”齿形，即端面齿形由三段圆弧和一段直线组成。链条的节数尽量选用偶数节，以避免使用过度接头。链轮的大小可以根据系统的具体情况来决定，小链轮的齿数在合理的范围内多一些为好。为了实现衰减片的精确调节，固定在步进电机轴上的主动轮(14)小于固定在衰减片可调支架上的从动轮(16)。

附图说明

图1是本发明具有反馈光强度自适应调节的激光自混合干涉系统的结构图；

图2是本发明反馈光强度自适应调节装置中的传动机构结构图；

图3是本发明实验标定获取调制系数和反馈光强度系数的比例系数的结构图；

图4是本发明反馈光强度自适应调节的流程图；

图中：1.半导体激光器 2.激光器驱动器 3.光电探测器 4.互阻抗放大器 5.滤波器 6.数据采集卡 7.上位机 8.微控制器 9.隔离放大电路 10.步进电机 11.传动机构12.待测目标 13.可调衰减片 14.主动链轮 15.从动链轮 16.链条 17.示波器

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见附图1，反馈光强度自适应调节的激光自混合干涉系统包括：激光器(1)，向外发射激光；驱动电源(2)，驱动激光器；光电探测器(3)，接收来自激光器的激光，并输出与激光强度成正比的电信号；互阻抗放大器(4)，用于放大光电探测器的输出信号；滤波器(5)，对所述互阻放大器(4)放大后的信号进行滤波；数据采集卡(6)，采集所述滤波器(5)滤波后的信号，并输出给上位机(7)；上位机(7)，接收数据采集卡(6)采集的数据进行处理，并将处理结果输出给微控制器(8)；微控制器(8)，接收来自所述上位机(7)的输出结果，并输出脉冲信号；隔离放大电路(9)，放大所述微控制器(8)输出的脉冲信号，并将放大后的脉冲信号输出到步进电机(10)；步进电机(10)，受脉冲信号控制，通过传动机构(11)带动可调衰减片(13)进行转动；可调衰减片(13)，固定在一个可以旋转的支架上，设置在激光器(1)出射光的轴线上；待测目标(12)，接受激光器(1)发出的激光并将其反射回激光器腔内。

在实际应用时，为了得到具体的调制系数和反馈光强度系数的比例关系，在测量前进行一个标定工作，标定设备如图3所示：将经过放大滤波处理的信号通过示波器进行显示，手动调节衰减片，观察信号波形的变化。通过理论研究可知反馈强度系数C<1时，随着C的增大，波形的倾斜程度变大。C>1时，波形会出现不连续情况，即会发生跳变，C＝1是波形连续与不连续的分界点。根据这一现象，在调节衰减片的过程中，示波器信号波形从连续到不连续或从不连续到连续的点对应的就是C＝1的情况。此时保持衰减片衰减程度不变，连接数据采集卡及上位机，并移动待测目标。在上位机中根据采集到的数据可以还原信号的变化波形，提取向右倾斜的波形的峰值P1，及向左倾斜的波形的谷值P2。

根据自混合干涉激光器输出功率方程P＝P₀[1+mcos(φ)]，可知右倾波形的峰值P1可表示为：P1＝P₀+ΔP_max，左倾波形的谷值P2可表示为：P2＝P₀-ΔP_max，其中ΔP_max＝mP₀，是激光功率波动的幅值。

首先计算激光器的初始功率P₀:

(1)

调制系数m由下式得到：

(2)

由此计算出的调制系数是对应于C＝1时的值，记为m₀。由于调制系数与反馈强度系数具有比例关系，所以得到的m₀即为比例系数。因此，实际反馈强度系数C可以由(3)式得到，其中m为由上位机中提取的实际调制系数。

(3)

调整激光器、光电探测器和待测目标，使它们在同一水平线上。以MEMS器件作为待测目标，为了保证激光完整入射到器件表面，在激光器和待测目标之间放置一个透镜进行聚光。选择激光器的输出功率为15mW。标定时，测得对用C＝1的调制系数值为1.3×10^-3。初始时，设置理想反馈强度系数为2.5，通过反馈强度的检测装置得到实际的反馈强度系数，根据两者的大小关系，指示步进电机正转或反转，可以调节反馈强度系数达到2.4-2.6之间。

图4给出了自动调节过程的流程图。光电探测器接收来自激光器的激光，把光强度转化为与之成正比的电流信号向外输出。探测器电流依次经过放大、滤波电路，之后由数据采集卡进行采集。上位机读取采集得到的数据进行处理，可以得到激光器功率变化的波形，并从中提取决定波形变化幅度的调制系数m，并载入到微控制器中。微控制器中编程实现由调制系数m计算出反馈强度系数C，并与理想值C₀进行比较：如果C>C₀，微控制器输出正向脉冲控制步进电机正转，增大衰减片的衰减率，进而减小激光的反馈强度；如果C<C₀，微控制器输出反向脉冲控制步进电机反转，减小衰减片的衰减率，进而增大激光的反馈强度。

本发明未详细阐述的技术内容属于本领域技术人员的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种反馈光强度自适应调节的激光自混合干涉系统，所述系统包括：激光器(1)，向外发射激光；驱动电源(2)，驱动激光器；光电探测器(3)，接收来自激光器的激光，并输出与激光强度成正比的电信号；互阻抗放大器(4)，用于放大光电探测器的输出信号；滤波器(5)，对所述互阻抗放大器(4)放大后的信号进行滤波；数据采集卡(6)，采集所述滤波器(5)滤波处理后的信号，并输出给上位机(7)；上位机(7)，接收数据采集卡(6)采集的数据进行处理，并将处理结果输出给微控制器(8)；微控制器(8)，接收来自所述上位机(7)的输出结果，并输出脉冲信号；隔离放大电路(9)，放大所述微控制器(8)输出的脉冲信号，并将放大后的脉冲信号输出到步进电机(10)；步进电机(10)，受脉冲信号控制，通过传动机构(11)带动可调衰减片(13)进行转动；可调衰减片(13)，固定在一个可以旋转的支架上，设置在激光器(1)出射光的轴线上；待测目标(12)，接受激光器(1)发出的激光并将其反射回激光器腔内；

所述上位机(7)通过对光电探测器(3)输出信号的处理和数值运算，得到表示反馈光强度的反馈强度系数；

所述上位机(7)读取光电探测器(3)输出的光强度信号后，通过数值运算还原激光器输出激光的强度变化，并从中提取影响激光强度波动幅度的调制系数，输入到微控制器(8)；

其特征在于：通过所述上位机(7)进行运算确定调制系数和反馈强度系数的比例系数，通过所述比例系数在微控制器(8)中进行运算得到所述反馈强度系数的值；

所述比例系数通过预实验标定得到，所述预实验标定包括：将经过滤波器(5)滤波处理后的信号通过示波器进行显示，调节所述可调衰减片(13)，反馈强度系数C<1时，随着C的增大，波形的倾斜程度变大，直至C>1时，波形出现不连续情况，发生跳变，C＝1是波形连续与不连续的分界点，调节所述可调衰减片(13)至反馈强度系数C＝1，此时保持所述可调衰减片(13)不变，移动待测目标(12)，在所述上位机(7)中根据采集到的数据还原信号的变化波形，并提取出向右倾斜的波形的峰值P1，及向左倾斜的波形的谷值P2；

其中自混合干涉激光器输出功率方程P＝P₀[1+mcos(φ)]，其中：P₀是激光器的初始功率，m是调制系数，Φ是激光在外腔中往返一次的相位延迟；右倾波形的峰值P1可表示为：P1＝P₀+ΔP_max，左倾波形的谷值P2可表示为：P2＝P₀-ΔP_max，其中ΔP_max＝mP₀，是激光功率波动的幅值；

计算激光器的初始功率P₀:

$P_0=\frac{P1+P2}{2}---\left(1\right)$

调制系数m由下式得到：

$m=\frac{{\mathrm{\&Delta;P}}_{\max }}{P_0}=\frac{P1-P_0}{P_0}---\left(2\right)$

由此计算出的调制系数m是对应于C＝1时的值，记为m₀；调制系数与反馈强度系数具有比例关系，m₀即为比例系数；实际反馈强度系数C可以由(3)式得到：

$C=\frac{m}{m_0}---\left(3\right)$

其中m为由所述上位机(7)提取的实际调制系数。

2.如权利要求1所述激光自混合干涉系统，其特征在于：所述微控制器(8)接收来自所述上位机(7)的输出结果，并将实际反馈强度C与理想反馈强度C₀进行比较，根据比较结果向外输出脉冲信号，输出的脉冲信号通过隔离放大电路(9)进行放大，然后控制步进电机(10)做相应的转动。

3.如权利要求2所述的激光自混合干涉系统，其特征在于：其中所述比较包括：如果C>C₀，微控制器(8)输出正向脉冲控制步进电机(10)正转，增大所述可调衰减片(13)的衰减率，进而减小激光的反馈强度；如果C<C₀，微控制器(8)输出反向脉冲控制步进电机(10)反转，减小所述可调衰减片(13)的衰减率，进而增大激光的反馈强度。

4.如权利要求3所述的激光自混合干涉系统，其特征在于：通过所述传动机构(11)将所述步进电机(10)与所述可调衰减片(13)的可动支架相连接，其中所述传动机构(11)为链轮传动。

5.一种确定权利要求1中所述的激光自混合干涉系统中的反馈强度系数的方法，所述方法包括：确定调制系数和反馈强度系数的比例系数，所述比例系数通过预实验标定得到，所述预实验标定包括：将经过放大和滤波处理后的输出激光信号通过示波器进行显示，调节所述可调衰减片(13)，反馈强度系数C<1时，随着C的增大，波形的倾斜程度变大，直至C>1时，波形出现不连续情况，发生跳变，C＝1是波形连续与不连续的分界点，调节所述可调衰减片(13)至反馈强度系数C＝1，此时保持所述可调衰减片(13)不变，移动待测目标(12)，在所述上位机(7)中根据采集到的数据还原信号的变化波形，并提取出向右倾斜的波形的峰值P1，及向左倾斜的波形的谷值P2；

其中自混合干涉激光器输出功率方程P＝P₀[1+mcos(φ)]，其中：P₀是激光器的初始功率，m是调制系数，Φ是激光在外腔中往返一次的相位延迟；右倾波形的峰值P1可表示为：P1＝P₀+ΔP_max，左倾波形的谷值P2可表示为：P2＝P₀-ΔP_max，其中ΔP_max＝mP₀，是激光功率波动的幅值；

计算激光器的初始功率P₀:

$P_0=\frac{P1+P2}{2}---\left(1\right)$

调制系数m由下式得到：

$m=\frac{{\mathrm{\&Delta;P}}_{\max }}{P_0}=\frac{P1-P_0}{P_0}---\left(2\right)$

由此计算出的调制系数m是对应于C＝1时的值，记为m₀；调制系数与反馈强度系数具有比例关系，m₀为比例系数；实际反馈强度系数C可以由(3)式得到：

$C=\frac{m}{m_0}---\left(3\right)$

其中m为由所述上位机(7)提取的实际调制系数。