CN109818245B - 微腔芯片型激光自混合距离传感系统 - Google Patents

微腔芯片型激光自混合距离传感系统 Download PDF

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Abstract

本分案申请涉及激光自混合传感技术领域，现有的激光自混合振动距离传感系统难以实现高精度、高探测灵敏度的传感测量且结构难以做到真正意义的微型化，无法与现代通讯系统的芯片做到很好的集成，无法大规模集成开发和应用。针对上述问题，本分案申请提供一种微腔芯片型激光自混合距离传感系统，该系统基于激光自混合干涉测量原理和光学微腔调谐原理，利用光学微腔构建激光自混合传感系统，实现了高精度，高灵敏度的传感测量，同时因系统具有微型化的优点，更加适合于大规模芯片制造加工，更加适合于狭小场合、复杂环境下的现场测量，并且能够与目前光纤通讯中的商用系统充分结合，低成本，高效地实现远程及特殊应用场合传感及数据处理。

Description

微腔芯片型激光自混合距离传感系统
本申请为申请号201610255736.2、申请日2016年4月20日、发明名称“微腔芯片型激光自混合距离传感方法及系统”的分案申请。
技术领域
本发明涉及激光自混合传感技术领域，具体为一种微腔芯片型激光自混合距离传感系统。
背景技术
激光自混合干涉测量技术是指在激光应用系统中，激光器的出射光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器的谐振腔内，反馈光携带了外部物体表面元的状态信息，与激光腔内的原输出光混合放大，引起激光器输出功率和输出频率的变化，最后通过对输出功率或输出频率的解调分析，得到被测物体速度、位移、振动、形貌或温度等物理量的现代光学传感测试技术。在激光自混合干涉系统中，激光器不仅仅作为系统光源，同时也作为探测被测物体表面信息的敏感元件，从而简化了激光干涉系统的结构，更加易于准直，光路简单、紧凑，节约成本。
激光自混合干涉测量技术因其天然的单光路特性，具有测量范围宽、精度高、使用方便、结构紧凑小巧和适合现场测量等优点，从而被广泛应用于距离传感测量领域。但目前已有的激光自混合距离传感系统依然存在以下问题：
1.激光自混合距离传感器件仍然是基于空间光器件和传统光纤器件，无法做到真正意义的小型化，无法充分体现激光自混合距离传感系统相对其他传感系统(如外差干涉传感系统)的优越性。
2.激光自混合传感信号高度依赖于激光器腔内载流子的能级寿命，而激光器一般由于腔体结构、谐振腔腔长度及腔内损耗的限制，无法获得较长的能级寿命，造成激光自混合距离传感系统难以实现高精度、高探测灵敏度的传感测量。
3.由于本身的系统特性，在分布式传感实现过程中存在一定限制，难以与通讯系统的芯片做到很好的集成，无法大规模集成开发和应用。
随着光学微加工技术和微器件制作技术的不断发展，微腔激光器相对于其他类型激光器的优势越来越明显，微腔激光器具有体积小、能耗低、品质系数高和可实现大规模集成等优点，因此具有广泛的应用前景。
本发明拟利用微腔激光器的优点，以微腔激光器为基础，利用激光自混合干涉测量原理，实现物体的距离传感测量，目前关于此方法的技术方案尚未有任何报道。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种微腔芯片型激光自混合距离传感方法及系统。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种微腔芯片型激光自混合距离传感方法，泵浦光耦合进入光学微腔，光学微腔对腔内的信号光进行放大、谐振和选频后耦合输出，输出的信号出射到待测目标表面后返回，携带有待测目标信息的反馈信号光重新耦合进入光学微腔，与光学微腔内原有的信号光混合并最终输出，同时利用热电效应对光学微腔进行调谐，使得光学微腔最终输出信号光的功率发生变化，通过对最终输出信号光的功率变化进行检测并解调分析，得出待测目标的距离信息。
该传感方法具有以下优点：
1.采用光学微腔器件，实现了激光自混合传感技术的微型化、网络化和芯片化；
2.采用微腔激光器，克服了传统激光自混合系统光源难以与芯片技术相结合的缺点；
3.采用光学微腔耦合，耦合效率高，解决了传统激光自混合系统无法将激光高效率耦合入光纤的难点；
4.最大程度压缩了传感系统的光耦合部分，耦合结构更为紧凑；
5.整个系统结构紧凑，光路灵活多变，测量精度高，探测灵敏度高；
6.系统结构微型化，更加适合于大规模芯片制造加工，更加适合于狭小场合、复杂环境下的现场测量；
7.可与目前光纤通讯中的商用系统充分结合，低成本、高效地实现远程及特殊应用场合的传感及数据处理。
作为优选，泵浦光和携带有待测目标信息的反馈信号光从光学微腔的同一位置耦合进入光学微腔；同一位置耦合，耦合结构简单。
作为优选，泵浦光和携带有待测目标信息的反馈信号光从光学微腔的不同位置耦合进入光学微腔；不同位置耦合，传感系统的光耦合部分调节更加灵活多变。
为实现上述传感方法，本发明提供一种微腔芯片型激光自混合距离传感系统，技术方案包括两种：
第一种技术方案为：一种微腔芯片型激光自混合距离传感系统，包括泵浦光源、第一波分复用器、耦合器件、对激光具有增益效果的光学微腔、第二波分复用器、光环形器、耦合器、光电探测器和温控装置；所述泵浦光源的输出端与第一波分复用器的第一输入端相连；所述第一波分复用器的输出端和第二波分复用器的输入端通过耦合器件与光学微腔耦合；所述第二波分复用器的第一输出端与光环形器的第一端口相连；所述光环形器的第二端口出射信号光到待测目标并接收由待测目标反馈的信号光，第三端口与耦合器的输入端相连；所述耦合器的第一输出端与光电探测器的输入端相连，第二输出端与第一波分复用器的第二输入端相连；所述光学微腔位于温控装置的温控范围内。
该传感系统具有以下优点：
1.采用光学微腔器件，实现了激光自混合传感技术的微型化、网络化和芯片化；
2.采用微腔激光器，克服了传统激光自混合系统光源难以与芯片技术相结合的缺点；
3.采用光学微腔耦合，耦合效率高，解决了传统激光自混合系统无法将激光高效率耦合入光纤的难点；
4.利用光环形器保证反馈信号光注入的方向，以满足光学微腔内光路的单项运转，并消除熔接点散射以及端面的无用反射光反方向注入光学微腔所带来的干扰；
5.最大程度压缩了传感系统的光耦合部分，耦合结构更为紧凑；
6.整个系统结构紧凑，光路灵活多变，测量精度高，探测灵敏度高；
7.系统结构微型化，更加适合于大规模芯片制造加工，更加适合于狭小场合、复杂环境下的现场测量；
8.可与目前光纤通讯中的商用系统充分结合，低成本、高效地实现远程及特殊应用场合的传感及数据处理。
第二种技术方案为：一种微腔芯片型激光自混合距离传感系统，包括泵浦光源、第一波分复用器、2个耦合器件、光学微腔、第二波分复用器、光环形器、光电探测器和温控装置；所述泵浦光源的输出端和第一波分复用器的输入端通过其中一个耦合器件与光学微腔的一侧耦合；所述第一波分复用器的第一输出端与光环形器的第一端口相连；所述光环形器的第二端口出射信号光到待测目标并接收由待测目标反馈的信号光；所述光环形器的第三端口和第二波分复用器的输入端通过另一个耦合器件与光学微腔的另一侧耦合；所述第二波分复用器的第一输出端与光电探测器的输入端相连；所述光学微腔位于温控装置的温控范围内。
该传感系统具有以下优点：除具有第一种技术方案的优点外，与第一种技术方案相比：结构更为简单，光学微腔耦合位置有两个，耦合部分调节更加灵活多变。
上述两种传感系统中：
作为优选，所述光学微腔为掺杂有有源增益物质的光学微腔，相应地所述泵浦光源产生980nm泵浦光或者1480nm泵浦光；采用有源光学微腔结构，利用增益物质实现光学微腔对泵浦光的放大、谐振和选频。
作为优选，所述光学微腔为无源微腔，相应地所述泵浦光源产生的泵浦光的光功率满足泵浦光耦合进入光学微腔后能够产生拉曼效应；采用无源光学微腔结构，利用拉曼效应实现光学微腔对泵浦光的放大、谐振和选频。
作为优选，所述耦合器件为光纤锥、一端斜抛光的光纤、波导和棱镜的任意一种；多种耦合方式可选，便于不同场合的应用。
作为优选，所述光学微腔的结构为微环、微球、微盘、微柱、微芯圆环和变形腔的任意一种；多种结构可选，便于不同场合的应用。
作为改进，所述光学微腔内表面有镀层，所述镀层为金属材料镀层或其他材料镀层；增加镀层，改善光学微腔的物理特性，增加其热传导效率，提高温控装置对其控制的精度。
附图说明
图1是本发明理论模型示意图；
图2是本发明实施例1的结构示意图；
图3是本发明实施例1中光纤锥与光学微腔耦合示意图；
图4是本发明实施例2的结构示意图；
图5是本发明实施例2中光纤锥与光学微腔耦合示意图；
附图标记：1.泵浦光源、2.第一波分复用器、3.耦合器件、4.光学微腔、5.第二波分复用器、6.光环形器、7.耦合器、8.光电探测器、9.温控装置。
具体实施方式
本发明基于的理论原理如下：
由于在激光产生过程中，放大自发辐射(ASE)和放大自发吸收(ESA)相比于受激辐射和受激吸收要弱得多，忽略不计ASE和ESA的影响，能够建立光学微腔自混合传感的理论模型，其如图1所示。
图1中，泵浦光耦合进入光学微腔，光学微腔对腔内的信号光进行放大、谐振和选频后耦合输出，输出的信号光出射到待测目标表面后返回，反馈光重新耦合进入光学微腔内，与光学微腔内的原输出光混合放大，引起最终输出激光的输出功率的变化，实现了激光的自混合干涉，通过对输出激光的输出功率的解调分析即可得出待测目标的信息。
基于上述理论，本发明提供一种微腔芯片型激光自混合距离传感系统。根据反馈光重新耦合进入光学微腔的耦合位置，该系统有两种实施方式。
结合图2和图3，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图2所示，一种微腔芯片型激光自混合距离传感系统，包括泵浦光源1、第一波分复用器2、耦合器件3、对激光具有增益效果的光学微腔4、第二波分复用器5、光环形器6、耦合器7、光电探测器8和温控装置9；泵浦光源1的输出端与第一波分复用器2的第一输入端相连；第一波分复用器2的输出端和第二波分复用器5的输入端通过耦合器件3与光学微腔4耦合；第二波分复用器5的第一输出端与光环形器6的第一端口相连；光环形器6的第二端口出射信号光到待测目标并接收由待测目标反馈的信号光，第三端口与耦合器7的输入端相连；耦合器7的第一输出端与光电探测器8的输入端相连，第二输出端与第一波分复用器2的第二输入端相连；光学微腔4位于温控装置9的温控范围内。
其中，耦合器件3为光纤锥，泵浦光源1产生波长为980nm泵浦光，光学微腔4为掺杂有有源物质的微环结构的光学微腔。
传感过程为：
泵浦光经第一波分复用器2的第一输入端进入第一波分复用器2并输出、然后通过光纤锥耦合进入光学微腔4，由于光学微腔4掺杂有增益介质，光学微腔4对腔内的信号光放大、谐振和选频，然后由光学微腔4经光纤锥耦合输出到第二波分复用器5，第二波分复用器5滤除杂散光，保留信号光并将其输出，输出的信号光由光环形器6的第一端口进入光环形器6然后由第二端口入射到待测目标并返回，携带有待测目标信息的反馈信号光入射到耦合器7，经耦合器7分光后一部分输出到光电探测器8，另一部分通过第一波分复用器2的第二输入端重新引入光学微腔4。
上述传输过程中利用温控装置9对光学微腔4进行热调谐，系统最终输出的信号光(即自混合信号光)由耦合器7的第一输出端输出到光电探测器8。
通过对光电探测器8接收到的自混合信号光的输出功率进行解调分析，即可得出待测目标的距离信息。
该传感系统传感原理的推导过程如下：
如图3所示，为实施例1中光纤锥与光学微腔耦合示意图。
图3中P表示光功率，下标p表示泵浦光，下标s表示信号光，上标in表示输入，上标out表示输出，seed表示重新引入光学微腔的反馈光，Laser表示光学微腔最终耦合输出的信号光，Laser1表示光电探测器接收到的信号光，ε1和ε2表示信号光在光学微腔传输过程中由损耗引起的衰减。
光纤锥耦合比为k1:(1-k1)，耦合器第一输出端与第二输出端的分光比为(1-k2):k2。
由放大过程和速率方程可以得到光学微腔内耦合位置处光功率的表达式为：
Figure BDA0002012087820000061
式(1)中α是小信号损耗系数，L是光学微腔长度，ΔPp和ΔPs分别表示泵浦光和信号光入射前后的功率差，
Figure BDA0002012087820000062
表示光学微腔内泵浦光和信号光的饱和光功率。
光学微腔内信号光的光功率表达式为：
Figure BDA0002012087820000071
式(2)中Pseed表示由待测目标反射或散射回光学微腔内的光功率，表达式为：
Figure BDA0002012087820000072
式(3)中，
Figure BDA0002012087820000073
表示外腔有效反射率，表达式为：
Figure BDA0002012087820000074
式(4)中rext为待测目标的反射率。
根据激光器稳态特性和图中微腔激光器的结构，可以得出信号光的功率表达式。因此，当激光器参数、泵浦条件和待测目标给定时，能够求出
Figure BDA0002012087820000075
的数值解，就可以得出光学微腔最终耦合输出的光信号功率为PLaser的表达式：
Figure BDA0002012087820000076
那么光电探测器接收到的光信号(即自混合信号)的输出功率PLaser1的表达式为：
Figure BDA0002012087820000077
根据自混合信号的相位，可以获得自混合信号功率波动频率与外腔长度的关系式：
Figure BDA0002012087820000078
式(7)中，Δλ为激光器的调谐峰峰值，νm为激光器的调谐频率。
外腔长度Lext也可用自混合信号的波动周期T(＝1/ΔνL)等参数表示：
Figure BDA0002012087820000079
由上述推导过程可知，利用温控装置对光学微腔进行热调谐，基于热电效应，光学微腔的腔长或者材料折射率会发生变化，进而调谐出射信号光的波长，因此，当外界的待测目标保持不动时，反馈信号光注入回光学微腔内时，由于波长调谐，会导致最终输出信号光(即自混合信号光)的功率发生变化，通过检测自混合信号光的功率变化，得出功率变化对应的频率信息，即可得出待测目标的距离情况。
结合图4和图5，详细说明本发明的实施例2，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图4所示，一种微腔芯片型激光自混合距离传感系统，包括泵浦光源1、第一波分复用器2、2个耦合器件3、光学微腔4、第二波分复用器5、光环形器6、光电探测器8和温控装置9；泵浦光源1的输出端和第一波分复用器2的输入端通过其中一个耦合器件3与光学微腔4的一侧耦合；第一波分复用器2的第一输出端与光环形器6的第一端口相连；光环形器6的第二端口出射信号光到待测目标并接收由待测目标反馈的信号光；光环形器6的第三端口和第二波分复用器5的输入端通过另一个耦合器件3与光学微腔4的另一侧耦合；第二波分复用器5的第一输出端与光电探测器8的输入端相连；光学微腔4位于温控装置9的温控范围内。
其中，2个耦合器件3均为光纤锥，泵浦光源1产生波长为980nm泵浦光，光学微腔4为掺杂有有源物质的微环结构的光学微腔。
传感过程如下：
泵浦光经光纤锥从光学微腔4的一侧耦合进入光学微腔4，由于光学微腔4掺杂有增益介质，光学微腔4对腔内的信号光放大、谐振和选频，然后从光学微腔4的两侧同时耦合输出，两条传输路径分别是：A.与第一波分复用器2相连的一侧：经第一波分复用器2滤除杂散光，保留信号光并将其输出，输出的信号光由光环形器6的第一端口进入光环形器6然后由第二端口入射到待测目标并返回，携带有待测目标信息的反馈信号光经光纤锥从光学微腔4的另一侧重新耦合进入光学微腔4；B.与第二波分复用器5相连的一侧：经第二波分复用器5滤除杂散光，保留信号光并将其输出到光电探测器8。
上述传输过程中利用温控装置9对光学微腔4进行热调谐，系统最终输出的信号光(即自混合信号光)由第二波分复用器5的第一输出端输出到光电探测器8。
通过对光电探测器8接收到的自混合信号光进行分析，即可得出待测目标的距离信息。
该传感系统传感原理的推导过程如下：
如图5所示，实施例2中2个光纤锥与光学微腔耦合示意图。
图5中P表示光功率，下标p表示泵浦光，下标s表示信号光，上标in表示输入，上标out表示输出，seed表示重新引入光学微腔的反馈光，Laser1和Laser2分别表示光学微腔两个耦合位置处的最终输出信号光，ε1和ε2表示激光在光学微腔传输过程中由损耗引起的衰减。2个光纤锥耦合比分别为k1:(1-k1)、k2:(1-k2)。
由放大过程和速率方程可以得到光学微腔内两个耦合位置处的光功率的表达式分别为：
Figure BDA0002012087820000091
Figure BDA0002012087820000092
式(9)和式(10)中，α是小信号损耗系数，L是光学微腔长度，ΔPp表示
Figure BDA0002012087820000093
与
Figure BDA0002012087820000094
的差值，ΔPs表示
Figure BDA0002012087820000095
与
Figure BDA0002012087820000096
的差值。
Figure BDA0002012087820000097
表示光学微腔内泵浦光和信号光的饱和光功率。
光学微腔内信号光的光功率表达式为：
Figure BDA0002012087820000098
式(11)中Pseed表示由待测目标反射或散射回光学微腔内的光功率，表达式为：
Figure BDA0002012087820000099
式(12)中
Figure BDA00020120878200000910
表示外腔有效反射率，表达式为：
Figure BDA00020120878200000911
式(13)中rext为待测目标的反射率。
根据激光器稳态特性和图中微腔激光器的结构，可以得出信号光的功率表达式。因此，当激光器参数、泵浦条件和待测目标给定时，能够求出
Figure BDA00020120878200000912
的数值解，那么就可以得出光电探测器接收到的光信号(即自混合信号)的输出功率PLaser2的表达式为：
Figure BDA0002012087820000101
根据自混合信号的相位，可以获得自混合信号功率波动频率与外腔长度的关系式：
Figure BDA0002012087820000102
式(7)中，Δλ为激光器的调谐峰峰值，νm为激光器的调谐频率。
外腔长度Lext也可用自混合信号的波动周期T(＝1/ΔνL)等参数表示：
Figure BDA0002012087820000103
由上述推导过程可知，利用温控装置对光学微腔进行热调谐，基于热电效应，光学微腔的腔长或者材料折射率会发生变化，进而调谐出射信号光的波长，因此，当外界的待测目标保持不动时，反馈信号光注入回光学微腔内时，由于波长调谐，会导致最终输出信号光(即自混合信号光)的功率发生变化，通过检测自混合信号光的功率变化，得出功率变化对应的频率信息，即可得出待测目标的距离情况。
针对上述两个实施例，需要注意的有：
1.光学微腔不限于采用掺杂有有源增益介质的光学微腔，也可以采用无源微腔代替，相应地泵浦光源要提供足够大功率的激光，使得激光在进入无源微腔后产生拉曼效应，从而使得光学微腔能够实现对激光的放大、谐振和选频。
2.激光进入光学微腔的耦合器件不限于光纤锥，也可以采用一端斜抛光的光纤、波导和棱镜等其他耦合器件。
3.光学微腔的结构不限于微环结构，也可以是微球、微盘、微柱、微芯圆环和变形腔等其他结构。
4.温控装置可以是电热盘，热电偶等，其加热位置，可以是光学微腔的底部，也可以是光学微腔侧面等其他位置，具体的加热方式可以采用直接加热，例如电热盘直接接触微腔，也可以采用间接加热，例如改变光学微腔周围的环境温度；
5.不限于利用温度(热电效应)调节微腔的腔长或者材料折射率，也可以采用其他物理效应(如压电效应)调节微腔的腔长或者材料折射率；
6.可以在光学微腔内表面增加金属材料镀层或其他材料镀层，利用镀层，改善光学微腔的物理特性，增加其热传导效率，提高温控装置对光学微腔控制的响应时间，从而提高热调谐速度。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.采用光学微腔器件，实现了激光自混合传感技术的微型化、网络化和芯片化；
2.采用微腔激光器，克服了传统激光自混合系统光源难以与芯片技术相结合的缺点；
3.采用光学微腔耦合，耦合效率高，解决了传统激光自混合系统无法将激光高效率耦合入光纤的难点；
4.利用光环形器保证反馈信号光注入的方向，以满足光学微腔内光路的单项运转，并消除熔接点散射以及端面的无用反射光反方向注入光学微腔所带来的干扰；
5.最大程度压缩了传感系统的光耦合部分，耦合结构更为紧凑；
6.整个系统结构紧凑，光路灵活多变，测量精度高，探测灵敏度高；
7.系统结构微型化，更加适合于大规模芯片制造加工，更加适合于狭小场合、复杂环境下的现场测量；
8.可与目前光纤通讯中的商用系统充分结合，低成本、高效地实现远程及特殊应用场合的传感及数据处理。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同侧耦合式微腔芯片型激光自混合距离传感系统，其特征在于：包括泵浦光源(1)、第一波分复用器(2)、耦合器件(3)、对激光具有增益效果的光学微腔(4)、第二波分复用器(5)、光环形器(6)、耦合器(7)、光电探测器(8)和温控装置(9)；
所述泵浦光源(1)的输出端与第一波分复用器(2)的第一输入端相连；
所述第一波分复用器(2)的输出端和第二波分复用器(5)的输入端通过耦合器件(3)与光学微腔(4)耦合；
所述第二波分复用器(5)的第一输出端与光环形器(6)的第一端口相连；
所述光环形器(6)的第二端口出射信号光到待测目标并接收由待测目标反馈的信号光，第三端口与耦合器(7)的输入端相连；
所述耦合器(7)的第一输出端与光电探测器(8)的输入端相连，第二输出端与第一波分复用器(2)的第二输入端相连；
所述光学微腔(4)位于温控装置(9)的温控范围内。
2.根据权利要求1所述的同侧耦合式微腔芯片型激光自混合距离传感系统，其特征在于：所述光学微腔(4)为掺杂有有源增益物质的光学微腔，相应地所述泵浦光源(1)产生980nm泵浦光或者1480nm泵浦光。
3.根据权利要求1所述的同侧耦合式微腔芯片型激光自混合距离传感系统，其特征在于：所述光学微腔(4)为无源微腔，相应地所述泵浦光源(1)产生的泵浦光的光功率满足泵浦光耦合进入光学微腔后能够产生拉曼效应。
4.根据权利要求1所述的同侧耦合式微腔芯片型激光自混合距离传感系统，其特征在于：所述耦合器件(3)为光纤锥、一端斜抛光的光纤、波导和棱镜的任意一种。
5.根据权利要求1所述的同侧耦合式微腔芯片型激光自混合距离传感系统，其特征在于：所述光学微腔(4)的结构为微环、微球、微盘、微柱和微芯圆环的任意一种。
6.根据权利要求1所述的同侧耦合式微腔芯片型激光自混合距离传感系统，其特征在于：所述光学微腔(4)内表面有镀层，所述镀层为金属材料镀层或其他材料镀层。
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