CN1734287B - 绝对距离测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及绝对距离测量设备，尤其涉及一种使用激光二极管波长依赖于外腔反馈控制的绝对距离测量设备。外腔激光器具有一个在目标表面和位于离该目标表面最远处的激光二极管晶面之间所形成的外腔。将一色散元件设置在外腔中并且聚焦来自激光二极管的光，使得某一波长可聚焦在目标表面上的焦点光斑处。从目标表面上的焦点光斑处所反射的光是往回耦合进入激光波导内的主要波长，该激光波导可提供一确定激光二极管谐振波长的反馈信号。激光二极管因此输出定义明确、与色散元件和目标表面之间的距离相对应的光波长。

Description

绝对距离测量设备

技术领域

本发明涉及绝对距离测量设备，尤其涉及一种使用激光二极管波长依赖于外腔反馈控制的绝对距离测量设备。

发明背景

可调谐外腔二极管激光器(ECDL)广泛用于基于光的测试和测量设备并且越来越多地用于波分复用(WDM)式的光学语音和数据通信设备。所述的调谐是通过将过滤波长和改变定义外腔范围的两个末端反射器之间的光程相结合而完成的。外腔是由一个外部反馈反射器和距离该外部反射器较远的激光器芯片晶面一起构成的。

二极管激光器也已经用作干涉仪，通过允许由测量目标表面所反射和反向散射的光重新进入激光二极管，使得激光二极管输出的波长和振幅随着到测量目标表面的距离改变而被调制。在这种情况下，是以“自混合”的方式操纵激光的，其中来自外部测量目标表面反射的反馈与通常发生在单个激光二极管内的激光二极管晶面反射的运行相干涉。这常常称之为自混合。所产生的信号可由激光增益介质放大，并且提供随外腔长度变化而周期性改变的信号。

已经制造出了基于自混合原理的绝对距离测量系统，通过对激光二极管波长施加一调制或者对从激光二极管到外部测量目标表面的距离施加一调制，并且通过分析自混合信号与所施加的调制之间的关系，以确定绝对距离的测量。

发明内容

基于自混合原理的绝对距离测量系统可通过例如三角函数来调制激光二极管输出波长。通过内部反射光和外部反射光之间的自混合干涉效应，从目标表面向后反射的光引起了激光输出功率的强烈变化，如被调制的激光波长的函数那样。通过测量激光输出信号中干涉峰值的出现，如激光波长变化的函数那样，可推断出到目标的距离。

或者，通过将激光二极管或靶设置在例如压电执行器或扬声器上以使到靶的距离高频抖动，就可获得绝对测量。其次，通过测量激光输出功率中干涉峰的出现，作为到靶变化的距离和已知波长的函数，就可推断出到靶的距离。

但是，为了获得绝对距离测量，必须调制到靶的距离或激光的波长。调制到靶的距离或激光的波长所需的附加部件会增加基于激光二极管自混合效应的绝对距离测量设备的成本和复杂程度。此外，这些自混合类型范围探测器的精确度随激光器标称波长的变化而变差，这可能是由环境温度、自加热等等引入的。温度变化也可导致模式跳变，这也会使测量精度变差。

本文，讨论了使用一具有色散聚焦元件的谐振外腔激光器来确定到测量目标表面的绝对距离的系统和方法。色散聚焦元件将光线聚焦到一焦点上，而从焦点到色散聚焦元件的距离则取决于光波长。色散元件设置在谐振外腔内、即在半导体激光增益介质和目标表面之间。目标表面构成谐振外腔的一个末端，由较远的半导体增益介质的晶面构成谐振外腔的另一个末端。使用色散聚焦元件来聚焦可能具有多波长成分的光线，但只有光线中的某一波长成分可精准地聚焦到目标表面上。这个被聚焦到目标表面上的光波长是最能有效地作为反馈信号而耦合或反射到激光增益介质波导中的波长。因此，反馈信号主要包含由色散元件准确聚焦到目标表面上的光波长。通过降低激光器在自注入的主要波长处的增益阈值，这个反馈信号就会强烈地影响和控制激光增益介质的输出波长。在受激辐射的整个过程中，增益介质内的高增益和强烈的模式竞争致使激光器输出波长与色散元件和目标表面之间的绝对距离相对应，从而提供了一种目标表面和色散元件之间的绝对距离的测量方法。

在此处，与目标表面最近的那个激光二极管晶面可互换地称之为近侧晶面或腔内晶面。半导体激光增益介质在其近侧晶面上可具有一“防反射”(AR)涂层，该近侧晶面光学上耦合部谐振外腔。这可抑制或充分地减少单个激光腔内的近侧晶面反馈，而这种近侧晶面反馈可能另外与所期望的外腔反馈相竞争而导致光谱模式的不稳定性。在此处，与目标表面最远的那个激光二极管晶面可互换地称之为远侧晶面或后方晶面。在激光增益介质的远侧晶面上可提供局部透射反射的涂层，以使谐振腔发出或漏出可由探测器测量其波长的辐射，从而确定到目标的绝对距离。

外腔激光器可包括用于从存在于外腔中的多个潜在模式中选择一单纵模的标准具。当高斯焦深足够长的时候，不止一个纵模可在高斯焦深内达到一充分的聚焦。标准具设计为从这些光学纵模中选择出一个，来适应于激光增益介质的放大。

标准具在设置的时候可以不和激光增益介质的光轴相垂直。在这种方式中，可引导杂散反射离开增益介质的光轴，从而避免激光器运行的关联干扰。

附图说明

参照下图，详细描述了各种示例性的实施例，其中：

图1说明了一种使用具有色散元件外腔的绝对距离测量设备的波长确定部分；

图2说明了一种以菲涅尔波带片的形式呈现的示例性的色散元件；

图3说明了与图2的菲涅尔波带片有关的参数；

图4说明了由色散元件所聚焦的高斯光束的光腰，以及高斯焦深；

图5是从光分束器获得测量信号的示例性示意图；

图6是从激光增益介质的后方晶面处获得测量信号的示例性示意图；

图7是使用标准具来选择单纵模的示例性示意图；

图8是将反射光的光谱同标准具的精细结构相比较的示例性示意图；

图9说明了在外部目标具有不同反射率数值的情况下外腔增益阈值与单个激光二极管的增益阈值的相对比值随波长而变化的示例性行为；

图10说明了在达到绝对距离测量设备的稳定单模运行中目标表面所要求的反射率与激光增益介质的腔内晶面反射率相对比的示例性范围。

具体实施方式

图1说明了自注入激光二极管绝对距离测量设备(测量设备)5的第一个示例性实施例的波长确定部分，它包括激光增益介质10。激光增益介质10的范围是由远侧末端晶面12和近侧腔内晶面14来定义。激光增益介质10以发散光束模式发出辐射。准直透镜20将发散光束模式校准成充分平行的光线，然后色散聚焦元件30将该平行光线聚焦到目标表面40上的一点。色散聚焦元件具有将不同波长的光聚焦到不同焦平面上的特性，这些不同焦平面的位置取决于光的波长。目标表面位于适合激光二极管增益带宽内至少一个波长的校正焦深处。

激光增益介质10定义了由激光器的波导结构所确定的准入锥，在该锥内从目标表面40反射的光通过近侧晶面重新进入或耦合到激光增益介质10中。来自目标表面上焦点光斑的反射(后向散射)光进入准入锥16。当所耦合的反射光达到足够大的强度充分降低激光增益时，增益介质10就会通过受激辐射来放大反射或后向散射的光。如前面提到的，腔内晶面14的表面上的AR涂层抑制或充分地消除单个激光腔内的内部反射反馈。如此，激光二极管所输出的波长取决于最有效地从外腔反射或耦合的波长，而这个波长就是被聚焦到目标表面40所在的平面处的波长。如此，激光二极管的输出波长与色散聚焦元件30和目标表面40之间的绝对距离相对应。

如图1所示，测量设备5将其诸多元件排列在由激光增益介质10和色散聚焦元件30的轴线所定义的光轴之上。外腔长度Lext由激光增益介质10的远侧晶面12和目标表面40一起构成。因此，腔体可根据Δλ＝λ2/2Lext支持纵模间隔Δλ。对于具有大约10毫米(mm)光程长度的腔体和大约1550纳米的波长来说，纵模间隔大约是0.12纳米。具有最低增益阈值(最少损耗)的模式将会由于增益介质中强烈的模式竞争而支配性地控制激光波长。

测量设备5可使用任何常规类型的激光增益介质10，比如像(Al，Ga)InP、AlGaAs或InGaAs这样的多量子阱或量子点异质结构。激光增益介质10可以是法布理一玻罗型边发射或VCSEL单空间模式半导体放大器，发射比如600-1500纳米范围的波长。美国新墨西哥州阿尔伯克基(Albuquerque)市Zia激光器公司生产一种具有中心波长为1200纳米、增益曲线宽度超过200纳米的InGaAs量子点外腔激光二极管。这些参数适用于本设备的各种应用，尽管本设备并非如此局限。各种其它标称的波长和增益曲线宽度在各种应用中都是可用的。包括色散聚焦元件30的色散特性在内的光学系统设计与波长探测分辨率相结合，一般会可确定设备的测量分辨率；以及激光增益曲线的宽度可确定设备的绝对测量范围。

激光二极管的波导结构典型地引起一束高度发散的输出光束，其发散角在10至40度之间。此外，输出光束可能是非圆形的或者椭圆的，沿着椭圆的一个轴具有一个发散角并且沿着另一个轴具有另一个发散角。聚焦这样的椭圆形光束将导致散光，其中椭圆光束将会在两个不同的深度达到焦点，因此会产生几微米的深度偏差。设置在激光增益介质10和准直透镜20之间的非球面透镜、柔性柱状透镜或一对变形棱镜、或任何其它合适的目前已知或以后开发的方法，都可被用于将这种光束散光效应减小到一期望的水平。

色散聚焦元件(30)可以是任何将光线聚焦到一焦平面上的光学元件，该焦平面所在的距离取决于该光线的波长。色散折射透镜元件和衍射光学元件是此类色散聚焦元件的例子，其中色散聚焦元件30和焦点之间的距离是辐射波长的函数。这种关系由色散常数KL来描述，其中对于色散聚焦元件30而言，KL等于焦距的变化除以波长的变化。KL可以是例如5-10um/nm的量级，尽管本设备并不将色散常数值局限于任何特定范围。此外，当折射镜提供色散聚焦元件30时，KL可以是正值，以及当衍射光学元件提供色散聚焦元件30时，KL可以是负值。

衍射光学元件是通过使各个波长的光线在沿光轴上的某些各个点处构成干涉来达到聚焦的色散元件。此类衍射光学元件中一个公知的例子是菲涅耳波带片。菲涅耳波带片是呈放射状对称的光学元件，由透光区域和非透光区域交替构成。图2显示了一典型的菲涅耳波带片中心圆环的示例性示意图。

菲涅耳波带片上透光和非透光环带的径向尺寸由几何学与三角学的因子决定，使得从波带片透射出的光在该菲涅耳波带片的光轴31上的某一点处构成干涉。图3显示了一典型菲涅耳波带片的透射中心区域和环绕的遮光带，其中一平面波的光线32在菲涅耳波带片上不透光环带33的外缘的一点34处被衍射，并且传播了一距离ρ到达光轴31上的一点36处。如果在两个不同光程上传播的光线之间的相差是从点光源32所发出的光波长的整数倍，则它们构成干涉。这个条件在数学上可以表示为：

ρ-ρ₀＝mλ(1)

其中m＝1，2……(m为整数)。

对于半径a1的中心孔径，由rn＝n1/2a1给出每一个接连的在有光区域和黑暗区域之间的“nth”环形边界的半径。通常，菲涅耳波带片的环带数越大，在焦点光斑处光强越高并且场深越小。因而，包括若干环带的菲涅耳波带片一般在许多应用中都是令人期望的，并且环带的期望数目可由仿真或实验决定和/或确定。来自这样一个菲涅耳波带片33的光线可被显示为达到一焦点fm(λ)处，其中fm(λ)由以下方程给出：

f_m(λ)＝a₁ ²/(mλ)(2)

因而，菲涅耳波带片33的焦距取决于辐射波长λ。因此，合适的菲涅耳波带片是可以用来当作色散元件30的一种元件类型。

在自注入激光二极管绝对距离测量设备5中用作色散元件的波带片可由任何目前已知的或以后开发的方法来制造。一种经济的衍射波带片类型是由常规的“在玻璃上镀铬薄膜”的等技术制造的。在Dobson等人发射的论文“用于彩色共焦成像的衍射透镜”(Applied Optics，vol.36，No.20，1997年7月10日，pp4744-4748)中描述了另一种在自注入激光二极管绝对距离测量设备5中用作色散元件的衍射波带片，该论文以其整体引用在此作为参考。在这篇参考文献中，该衍射波带片是一个四个相位级衍射透镜，其中的衍射透镜是使用电子束平版印刷术从石英晶片开始加工以及随后以氢氟酸浴方式的化学腐蚀而得到的。

其它类型的衍射光学元件也同样是从众所周知，例如多元件的透镜组，其中具有不同光学性质的多层材料层叠制在一起。根据定制来设计和制造的衍射光学透镜和/或透镜阵列是可以从多家厂商获得的，比如位于美国北卡罗莱纳州的charlotte市David Taylor大道9815号的Digital Optics Corporation公司。衍射光学透镜设计技术同样在“微光学：元件、系统和应用”(MICRO-OPTICS：ELEMENTS，SYSTEMS AND APPLICATION，Hans PeterHezig，Taylor&Francis编著，伦敦，1970年)和“用于衍射光学元件计算机设计的方法”(Methods for Computer Design of Diffractive Optical Elements，Victor A.Soifer编著，Jonhn Wiley and Son公司出版，纽约，2002年)两书中有叙述。

由色散聚焦元件30所产生的焦点光斑可由高斯焦深(GDOF)来描述，其中高斯焦深可定义为在其上相干波前的相位不会有多于辐射波长四分之一的差量。图4说明了高斯焦深。

图4说明了到达焦点的一光束，该光束是作为从像图2和图3中所示的菲涅耳波带片33那样的色散聚焦元件30中透射的结果。为了图像清晰，焦点区域被高度放大并且色散聚焦元件30并没有在图4中显示出来。图4中所说明的光束具有两个波长成分λ1和λ2。第一个波长成分λ1的包络42在离色散聚焦元件30的距离为z1处可最佳地聚焦。在高斯焦深的中心内光束的宽度由光腰或光斑尺寸ω1来描述，其中ω1与波长λ1和高斯焦深有以下关系：

$\mathrm{GDOF}=2\mathrm{\π}{{\mathrm{\ω}}_1}^2/{\mathrm{\λ}}_1=\frac{2{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\π}}{\left(\frac{z_1\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{{\mathrm{\ω}}_L\left(z_1\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\right)}\right)}^2\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{\mathrm{NA}}$

(3)

其中ωL是在色散聚焦元件30处的光束半径(如图1所示)，以及NA是色散聚焦元件30的数值孔径，由孔径直径除以焦距来定义。离色散聚焦元件30的距离为z1处有最小焦点ω1，图4中在该处等相面46是垂直的(平面的)。

光束的第二个波长成分的包络44在图4中用虚线表示。具有波长λ2的第二个波长成分在离色散聚焦元件30的距离为z2＝z1+Δz处可最佳地聚焦，并且离第一个波长λ1的最佳聚焦点的距离为Δz。根据上面的方程(2)，两个最佳聚焦光斑之间的距离Δz取决于光束成分中的两个波长λ1和λ2，并且还取决于色散聚焦元件30的色散常数。

因为色散聚焦元件30将不同波长的光线聚焦到不同焦平面上，所以标称的高斯焦深将会包括对应于不同波长的光谱的最佳焦点，正如在图4中以实线与虚线示意性地显示λ1和λ2那样。因此焦深是影响设备的深度分辨率(测量分辨率)的主要方面。特别地，与色散常数KL相结合的焦深可与波长不确定性有关，也被称为分辨率带宽ΔλCD，其中ΔλCD与从目标表面40反射回来并且耦合进入激光波导增益介质10的光线的半高全宽(FWHM)相对应。这个关系简单表示为：

ΔλCD＝GDOF/KL(4)

根据方程(4)，从目标表面40反射回来并且耦合进入激光波导增益介质10的光线的分辨率带宽与高斯焦深成正比，并且与色散常数KL成反比。因此，为使该设备具有可能达到的最高分辨率(最小的波长不确定性)，期望所反射的带宽最窄，这意味着要有很大的色散常数KL以及很小的高斯焦深(GDOF)。获得较小的高斯焦深需要很大的数值孔径NA，因为根据方程(3)高斯焦深与数值孔径有关。在一些多层衍射光学元件(DOE)中，可达到的数值孔径受到阴影效应(shadowing effects)所限制，其中随后沿着光程出现的、衍射光学元件所具有不透光特性的垂悬物遮挡了之前沿着光程出现的、由DOE特性所偏转的光线的路程，从而减小了元件的透光率并且模糊了焦点光斑。通过使用折射类型的色散聚焦元件30或通过构成一“复合”色散聚焦元件30都可达到较大的数值孔径，其中“复合”色散聚焦元件30包括与一个或多个常规透镜相结合的色散衍射光学元件，用以接收从色散衍射光学元件输出的光束或光斑并且将其再放大以提供一较大的数值孔径。在前面所包含的Dobson et al.的文章中，描述了一种适用于使用多透镜的此类“复合”色散聚焦元件30的可能的结构。

下面的表1，总结了可以在自注入绝对距离测量设备的设计中使用的一组可能的参数。

参数	数值	描述
			ΔλGAIN	100nm	激光增益带宽
KL	10μm/nm	纵向色散系数
			LEXT	10mm	外腔长度(标称值)
λ	1550nm	激光波长(标称值)
			范围	1mm	测量范围
ZL(λ)	5mm	高斯焦距
			ωL(zL(λ))	1mm	在色散聚焦元件处的光束半径
GDOF	25um	高斯焦深
			ΔλCD	2.5nm	分辨率带宽
ΔλEXT＝λ2/2LEXT	0.12nm	外腔模式间距

表格1

达到目标表面40上焦点处的波长会被目标表面40反射，并且往回传播穿过光学系统，并且穿过腔内晶面14进入激光增益介质10。增益介质只接收落在准入圆锥16内并且落在增益介质的波导孔径内的光线。波导结构因而就像一个空间滤波器那样，倾向于主要准入从目标表面返回的、可最佳地聚焦的光线。在准入圆锥16外，光线的轨迹偏离光轴太多以至于无法进入光学增益介质10中。在图1中概略地显示了准入圆锥16。

外腔激光器的增益阈值在准入圆锥内返回的波长分布处变小了，使得激光振荡发生在最能有效往回耦和进入增益介质10内的波长处。在这种情况下，光被激光增益介质10所放大，使得激光器以主要波长发出相干辐射，其中主要波长与被色散元件30最佳地聚焦到目标表面40上的波长相对应。这个辐射波长可由任何常规的、目前已知的或以后开发的技术来测量。

图5显示了一示例性的波长测量器件60，根据前面的描述该器件可用于测量从绝对距离测量设备6发出的辐射波长。波长测量器件60接收从光分束器50偏转过来的光线，该光分束器50设置在绝对距离测量设备6的外腔之内，并且引导平行光线到一聚焦透镜55(可选择的)上，该聚焦透镜将光线汇聚到波长测量器件60的入射孔径上。波长测量器件60可以是比如波频计、分光计或波长敏感的光电二极管。加州Westlake村庄Corsa路5700号的PacificSilicon Sensors公司出品合适的商用波长敏感光电二极管。然后波长测量器件60输出一可表征所偏转的光线波长的信号，而该波长又依次表征色散聚焦元件30和目标表面40之间的距离。但是，光分束器50减小了从外腔反馈到激光增益介质10内的光线的光功率，并且因此可使潜在的信噪比和作为结果的绝对距离测量设备6所产生的测量性能恶化。

图6显示了可设置用于从激光增益介质10的后方晶面12处接收光线的波长测量器件90。如前面那样，波长测量器件90可以是比如波频计、分光计或波长敏感的光电二极管。在后方晶面12上的反射涂层可以是部分透射的，以发出可探测到的辐射量。来自后方晶面12的发散光线(辐射)可由准直透镜70将其准直并且可由一输入聚焦透镜80将其聚焦到波长测量器件90的输入中。这种配置的优点在于所取样的光线是在穿过激光增益介质之后从激光器外腔发射出来的，而不是在光线穿过增益介质之前从外腔中提取出来的，因经没有减小从波长确定外腔反馈进入激光增益介质内的、主要的测量信号光的光功率。

或者，可以使用任何其它目前已知的或将来开发的、对于给定的应用提供合适的精确度的波长测量装置。例如，在文章“与半导体光放大器集成在一起的宽幅可调谐采样光栅分步反馈激光器中的波长监控”(WavelengthMonitoring in Widely Tunable Sampled-Grating DBR Lasers Integrated withSemiconductor Optical Amplifiers，L.Majeewski，J.Barton，L.A.Coldren，Y.Akulova，G.Fish，Proc.CLEO/QELS  2002，paper no.CWK4，LongBeach，CA，(May19-24，2002)美国光学学会)中描述了一种用于在宽幅可调谐激光器中监控发射波长的方法，其中宽幅可调谐激光器与半导体光放大器一起集成在单片集成电路上。这篇文章以其整体引用在此作为参考。尽管所述方法与之前所揭示的波长测量方法相比不够精确，但是本方法仍然提供了价格与性能的折衷，这在某些应用中是具有优势的。在使用该论文所描述的IC结构时，该方法利用了IC的SOA部分中透明电流和IC的激光器部分的激光发射波长之间的依赖关系。透明电流大约是激光波长的线性函数，但是也可使用更高阶的函数或查询表格在参照精密外腔波长探测器的情况下相对精确地校准该透明电流，其中的查询表格与许多在校准装置中使用精密实验室波长仪来精确测量的波长相对应。此后，在运行中，可使用各种已知的精密电流测量电路来测量透明电流，如果期望的话，该电路也可集成到所述的IC上；并且所述波长也可从所测量的透明电流中译解出来。为了消除由于温度效应可能引发的错误，可使用已知的激光二极管温度稳定技术。或者，可使用与校准表格相结合的温度检测元件，该表格将设备温度与波长对透明电流的关系的温度依赖修正相联系。当这种装置用于波长监控时，与之前所揭示的配置形成对比，就不再需要外部波频计或相关的光学部件，并且获得降低成本和设备的小型化。

如上所述关于测量设备5的运行，色散聚焦元件30可具有大小为KL的色散常量，使得设备可支持两个或多个纵模，这些纵模与到达标称的高斯焦深内一焦点处的波长相对应。例如，使用表格1中所表明的参数，高斯焦深为25纳米，所以根据方程(4)，分辨率带宽为2.5纳米，然而模式间距仅为0.12纳米。因此，在分辨率带宽中潜在地包括了多个模式。但是，因为二极管激光器的增益非常高，模式竞争将会强烈得偏好于具有最低增益阈值的模式，即该模式所具有的波长最佳地聚焦到目标表面上，并且因此具有最少的损耗和/或从外腔往回耦和进入激光增益介质10内的最大的功率。理想情况下，可最佳地聚焦的波长将会因此支配性地或完全地决定激光谐振波长，而该波长将会依次表征相应焦点的距离，即到目标表面的测量距离，同时具有高分辨率和精确度。一般地，因为二极管激光器的增益非常高，作为结果的激光谐振的线宽将会比分辨率带宽小很多，并且也比纵模间距小。在这种情况下，测量精确度可能主要受波长探测方法或其它像目标表面粗糙度这样的因素所限制，而不是外腔激光器系统运行中所固有的因素。

在许多情况下，波长探测方法将会包括在一段时间内对一波长相关信号求积分。在这种情况下，所探测到的表现是激光波长可具有由于对变化的信号求积分而导致的被增宽的带宽，其中变化的信号来自于多种潜在的原因，比如模式跳跃、由于振动和/或目标表面的振动而导致的腔长变化等等。不管这些原因，在许多情况下，作为结果的“宽幅的”波长探测信号是以在目标表面最具代表性的位置处可最佳地聚焦的波长为中心的。通过使用信号采集和分析技术，测量分辨率可仍然被确定在优于表观波长探测信号的带宽的水平上，其中该技术可有效决定中心波长、“矩心”或所探测到的激光波长功率谱的平均值。例如，测量分辨率可达到大约与激光腔模式间隔相对应的水平，比如与前面讨论过的一组设计参数范例的大约0.12纳米波长变化相对应。当KL＝10μm/nm时，这与绝对距离测量设备大约1.2μm的分辨率相对应。

作为可供选择的办法以使激光测量设备可支持有些不可预见的模式跳跃，可在测量设备的外腔中插入标准具。为了可靠地选择多个落在分辨率带宽ΔλCD内的潜在模式中的一个，标准具只允许某些波长通过，使得设备将会仅在梳状的离散波长处谐振，其中ΔλCD以发生在设备测量范围内的一波长为中心。图7显示了包含标准具100用于以下述方式抑制不想要的模式的测量设备8。标准具100可位于外腔中的准直透镜20和色散元件30之间。设置标准具100时可提供一微小的入射角，以避免往回反射的光进入激光器腔体，那将扰乱测量设备8中激光增益介质10的预期运行。

当使用例如表格1所列的参数时，在图8中定性地说明了测量设备5-7的运行。图8显示了激光增益介质10的增益谱110，该增益谱可叠放在所支持的外腔激光器纵向腔体模式波长120的谱线之上。参考数字121表征两个相邻纵模。为了便于讨论，将所支持的纵向腔体模式波长120理想化。通常，由于将某些可变性引入到运行中的外腔长度上的表面粗糙度和/或振动的缘故，附加的所支持的波长将会典型地存在于实际的设备中。根据前述的操作原理，参考数字130表征往回耦和进入激光增益介质的光反馈谱线。光反馈谱线130的分辨率带宽为ΔλCD，其中如前述那样，ΔλCD是由色散常数KL和高斯焦深根据方程(4)决定的。在图8中同样显示了由标准具100所允许通过的一代表性的梳状离散波长135。对于在图8中所示的例子，没有标准具，大约6个或更多潜在的纵模落在了分辨率带宽ΔλCD之内。

在两个外腔模式具有相似的反馈级的情形中，像图8所示的一对模式122那样，可观察到多模行为。但是，如果需要或期望的话，可使用腔内标准具100来抑制多模行为。通过只允许激光谐振发生在梳状离散波长135中的某一波长处，标准具可有效地减少或消除不可预见的多模行为。插入具有精细结构f和自由光谱范围(FSR)这两个参数的标准具可改善反馈光信号的选择性。为了选择一单纵模，标准具的自由光谱范围和精细结构f应该满足下式：

$\frac{\mathrm{FSR}}{f}\≤2\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{EXT}}---\left(5\right)$

其中自由光谱范围由下式给出：

$\mathrm{FSR}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{nt}}\≥\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{CD}}---\left(6\right)$

其中t是沿光线方向的有效厚度并且n是标准具的折射率。挑选标准具厚度t使得其自由光谱范围大于光反馈谱130分辨率带宽的一半，如方程(6)所表述的那样。对于表格1中所列的参数，这与小于大约1毫米的光学厚度相对应。标准具可参照激光光束倾斜一个1-2度的角，使得其表面反射掉的光将不会往回耦和进入激光增益介质10。标准具光谱通带可设计为足够的宽以能够使光反馈谱130内所支持的波长通过，并且还要足够的窄以抑制光反馈谱130内其它的外腔边侧模式，如方程(5)所表达的那样。标准具的精细结构f是由标准具自由光谱范围除以所期望的标准具透射线宽而给出的。过滤相邻外腔模式的条件为标准具精细结构f设定了一较低的限制。

方程(5)中的因子2涉及两次穿越标准具100。为使激光器以单模方式运行我们有这样的条件：标准具100的通带宽必须等于或小于外腔模式间距的两倍，或者对于这里所用的一组设计参数范例来说就是0.24纳米。从方程(6)计算出FSR＝1.25nm，我们必须使精细结构f至少大于5。因此，使用标准具100时，激光器可以仅仅在具有某一波长的模式上谐振，该波长由标准具所透射并且最接近于光反馈曲线130的峰值。当使用标准具100时，因为标准具所透射的仅仅是由数值ΔλET(图8中定性地显示)间隔的离散波长，所以仅仅当离目标表面的距离改变了一个与波长变化ΔλET相对应的累积量值时，测量设备8的距离测量才会从一个离散的测量值变化到另一个离散的测量值，其中的ΔλET在一般的条件下典型地至少为纵向腔体模式间隔的数倍。因而，通常，测量设备8的潜在测量分辨率和精确度将会低于测量设备5、6和7所提供的潜在分辨率和精确度。但是，测量设备8可提供更稳定或更可预知的运行，以及足够适用于大量应用的分辨率和精确度。

对于绝对距离测量设备5而言，一重要的设计考虑是激光增益介质10的腔内晶面14的反射率。通常，这个反射率应该尽可能地低，以使相对于仅在激光二极管增益介质10的晶面12与14之间所传播的光线而言在外部激光腔体内所传播的光线的贡献最大化。如果腔内晶面14的反射率大于相对于目标表面40的反射率而言的某一临界值，外部腔体会失去对谐振波长的控制并且器件变得不可运行。对于腔内晶面14对目标表面40的反射率的稳定性标准的详细处理，可在Zorabedian等人发表的论文“光栅调节的外腔半导体激光器中的双稳性”(Bistability in Grating-Tuned External-Cavity SemiconductorLasers，IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.QE-23，No.11，11月1987年)中发现，这篇论文以其整体引用在此作为参考。

如果r0是激光腔后方晶面12的振幅反射系数，并且reff是由腔内晶面14和目标表面40构成的复合外腔的前方有效反射系数，那么对于外腔激光器的谐振条件由下式给出：

$r_0{e}^{(g-{\mathrm{\α}}_m)l_D}{e}^{\mathrm{i\ω\τ}}{r}_{\mathrm{eff}}=1---\left(7\right)$

其中g是激光增益，αm是模式损耗，lD是激光二极管长度，ω是激光频率，τ＝2nlD/c是激光二极管往返传播时间，r0是激光二极管后方晶面12的振幅反射系数，并且reff是激光二极管的外腔目标表面40和内部腔内晶面14的有效振幅反射系数。reff可定义如下：

$r_{\mathrm{eff}}=\frac{r_i+\sqrt{\mathrm{\η}}{r}_e{e}^{\mathrm{i\ω}{\mathrm{\τ}}_e}}{1+r_i\sqrt{\mathrm{\η}}{r}_e{e}^{\mathrm{i\ω}{\mathrm{\τ}}_e}}---\left(8\right)$

其中ri和re分别是内部的激光器腔内晶面14和外腔目标表面40的振幅反射系数，η是外腔往回耦和进入激光二极管的强度耦和系数，并且τe＝2Lext/c是外腔的往返传播时间。通过将方程(7)中的往返增益的幅度作为等于1就可发现增益阈值。在这种情况下，

$g={\mathrm{\α}}_m-\frac{1}{l_D}\mathrm{In}\left(r_0\right|r_{\mathrm{eff}}\left|\right)---\left(9\right)$

如果具有反馈的最大阈值增益大于具有零反馈的阈值增益，那么激光器将不再由外腔所控制。定义Δg为具有外部反馈的增益阈值gext和不具有外部反馈的增益阈值gi之间的差别，

Δg＝g_ext-g_i＝-In(|r_eff|/r_i)

(10)

假定对于单个激光二极管和外腔激光二极管而言模式损耗是等价的，则当有效外腔反射系数reff小于激光增益介质10的内部腔内晶面14的反射系数ri时，从方程(10)可看到外腔失去了对激光谐振的控制。因此，外腔失去对激光谐振的控制的条件是当Δg＞0。

具有外部反馈的增益阈值gext和不具有外部反馈的增益阈值gi之间的增益阈值差别Δg也通过折射率与半导体载流子浓度相关。载流子浓度随频率的函数变化，并且因此如同频率的函数那样可通过折射率影响增益变化。这种关系可表达为：

n＝n₀+α(c/2ω)Δg

(11)

其中n0是单个激光器在阈值处的折射率，并且α定义为在折射率中真实的与想像的变化的比值。α经常被称之为线宽增强因子，因为由于载流子浓度变化而导致激光线宽上的增宽效应。

到目标表面40的距离决定往回耦和进入激光波导中的光反馈谱的中心波长。如上面讨论的那样，在光反馈谱的带宽内，可存在许多外腔模式。谐振将会在具有最低增益阈值的模式的波长上发生，该波长在目标反射所产生的光反馈谱的峰值附近。这是由于模式竞争才发生的。但是，由于具有近侧激光晶面的剩余反射率的外腔干涉的缘故，根据方程(8)reff的值随着反射光的频率ω而变化。因此，如由方程(10)所描述的增益曲线将会显示经历一组作为反馈频率的函数的最大和最小值的谐振行为。这一行为正如图9此说明的那样，它显示了与外腔激光器波长的稳定性有关，从而与本文所揭示的测量设备的工作性能有关的重要关系。

图9显示了随波长而变化的阈值增益的计算行为，其中画出了增益阈值对波长单位的图，该波长单位与单个激光二极管芯片自由光谱范围相对应。x轴上的单位以弧度表示，使得增益在沿x轴上每6.28个单位就经历一个周期。曲线的最小值(即最低的阈值增益)代表这样一些波长，使得由外腔(目标表面40)所形成的波的相位与激光增益介质10近侧腔内晶面14所反射的波的相位在增益介质中构成干涉。图9中所示的三条曲线与用于绝对距离测量设备5的目标表面40的有效反射率Rts的三个不同数值相对应。最低的曲线对应的数值为1×10-2，中间的曲线为4×10-3，以及最上面的曲线为1×10-3。增益介质10的腔内晶面14的反射率在每种情况下都是1.5×10-4。

对于α＝0，如前述的那样，通过外部反射波和内部反射波相干涉的连续最大值和最小值来调节反馈频率，与此相随的是增益的正弦调制。这将会导致与增益阈值对波长中的变化相对应的、均衡的、完美正弦的信号(未显示)。但是，对于线宽增强因子为非零值的情况，观察到一种不同的行为。对于图9所示的三条曲线，线宽增强因子α的数值为-5。对于这样的非零α值，每一个解的频率被增益依赖的半导体相移在参照α＝0的基础上“拉动一下”，该相移是由方程(11)所给出的折射率的变化所引起的。程度最大的拉动是在谐振的外部反馈(阈值最小值)的频率和单个激光二极管在没有外部反馈情况下的纵模的频率之间。程度最小的拉动是在反谐振的外部反馈(阈值最大之)的频率和单个激光二极管在没有外部反馈情况下的诸多纵模的中间频率之间。这种拉动效应导致了图9所示的增益阈值轮廓中的倾斜，远离了完美对称的正弦模式。

随着通过增加目标表面反射率Rts来增加反馈振幅的数值，根据方程(9)阈值增益减小了并且倾斜变得不显著了。图9中最低的曲线与目标反射率1×10-2相对应，其倾斜相对较小，仅接近在阈值最大值和阈值最小值之间产生一垂线那一点。目标反射率为此值时，激光器将会展现稳定、单模的运行。在与Rts＝4×10-3相对应的下一个曲线中，倾斜超出了垂直，使得对于一给定频率可存在两个或更多的增益阈值。因此，由于腔内晶面14所反射的波和目标表面40所反射的波相干涉而在增益中引起充分大的变化，增益轮廓变为凹形的，产生了具有多阈值的频率带。在与最低的目标反射率1×10-3相对应的最上面一条曲线中，增益轮廓进入到零以上，使得目标反射率在这样低的数值的情况下，外腔失去了对谐振的控制。

如在图9中所看到的那样，假定的隐含参数是线宽增强因子α为-5以及腔内晶面14反射率Ri为1.5×10-4，对于目标表面40的反射率Rts的数值小于大约1×10-2的情况，增益轮廓变为凹形的。于是，为使激光二极管绝对距离测量设备5以单稳态的模式运行，1×10-2是这组假定的参数中目标表面反射率Rts的临界值。增益轮廓变为凹形时所对应的目标反射率的数值取决于腔内晶面反射率。对应一组给定的设计参数，目标反射率的临界值一般与腔内晶面反射率的数值成一定比例。因而，在仍然维持激光二极管绝对距离测量设备5的稳定运行的同时，允许较低的目标反射率的一种方法是减小腔内晶面的反射率。

图10是这些与目标表面40的反射率Rts相比较的腔内晶面14的反射率Ri的临介数值图。根据方程(10)，增益阈值将取决于包括目标表面40的外腔的有效反射率与激光增益介质10的腔内晶面14的反射率相比较的比值。图10显示了绝对距离测量设备将会以稳定、单模输出的方式来运行的数值。图中三条线与线增强因子α的不同数值相对应。这些线基于目标表面的反射率Rts与激光增益介质10的腔内晶面14的反射率Ri相比较的比值，把稳定行为区域和具有像图9所示的“凹形的”行为这样的非稳定行为区域分离开。如图中所看到的那样，最大的稳定行为区域与线增强因子α最小的绝对值相对应。

上述针对限定的线宽增强因子α的情况所作的处理，相对于腔内晶面14的反射率而言为目标表面40的反射率的可接收数值设定了范围。例如，根据图10，如果激光增益介质10的腔内晶面14的反射率为5×10-4，在线宽增强因子为-7的情况下，目标表面必须具有超过为使绝对距离测量设备稳定运行的反射率大约5％的反射率。对于线宽增强因子为-5的情况，目标反射率可低至2.5％并且绝对距离测量设备5仍将以稳定模式运行。对于线宽因子仅为-3的情况，目标反射率可低至1％并且绝对距离测量设备仍将以稳定模式运行。线宽增强因子α的数值强烈取决于激光二极管的结构并且也受到激光器注入电流和激光增益带宽边缘附近的运行的影响。如实践的内容那样，提供可操作的线宽增强因子α的激光二极管是可以获得或可以制造的，并且为了保证测量设备5运行的稳定性，最容易指定的和/或可变的或可控制的主要因素就是腔内晶面14的反射率。

位于美国加州邮编为90620的Buena地区Equador路5765号的SacherLasertechnik有限公司和位于德国D-35037Marburg Hannah Arendt Straβe 3-7的Sacher Lasertechnik GmbH所提供商用设备具有低至5×10-4或更低的腔内晶面反射率。在Sacher的美国专利第6297006号中揭示了用于制造具有如此反射率的腔内晶面的方法，该方法以其整体包含在此作为参考。此外，Braun等人发表的论文“用于半导体激光器晶面的宽带多层‘防反射’涂层”(OpticalLetter，vol.20no.10，5月15日，1995)以其整体包含在此作为参考，它描述了Al2O3，Si和SiO2的三层“防反射”涂层，该涂层可使激光二极管晶面在激光器运行于1550纳米处90纳米带宽之上仅具有1×10-6的反射率。对于发光为1310纳米的InGaAsP激光器，已达到3×10-6的晶面反射率和30纳米的带宽。三种材料的折射率分别为1.57，3.54和1.44。三层的薄膜厚度分别为0.278λ，0.099λ和0.054λ。多层涂层已经应用于1550纳米InGaAsP二极管激光器。这种“防反射”涂层可为绝对距离材料设备5的结构提供适当的性能。

通常，根据图9和10所示的数据，在比腔内晶面14的反射率大10倍或100倍的范围内的有效目标表面40反射率是足够允许激光二极管绝对距离测量设备稳定运行的。许多粗加工的轧制薄板的自然反射率在0.3-0.8的范围中，那就是腔内晶面14反射率所处的范围1×10-3的300多倍。为达到有效目标表面40的反射率和腔内晶面14的反射率之间的比值大约100倍，所期望的腔内晶面14的反射率大约为3×10-3或更少。如果期望相对广泛的多种目标表面都可靠地运行，则所期望的腔内晶面14的反射率大约为1×10-3或更少；以及如果期望相对更广泛的多种目标表面都更可靠地运行，则所期望的腔内晶面14的反射率大约为5×10-4或更低。精加工和/或抛光的表面的反射率甚至更高。从而，甚至允许在外腔中有各种其它光功率损耗，可提供测量设备5、6、7或8，它能为广泛的各种目标表面提供稳定的运行。

结合上述的示例性实施例已经描述了本发明，同时很明显的是对于本领域的技术人员而言许多替代、修正和改变将会是显然的。因此，如上面所阐明的本发明的示例性实施例旨在说明而非限制。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可作出各种改变。

Claims (26)

1.一种距离测量装置，其特征在于，它包括：

一聚焦元件，将光线聚焦到焦平面上，从所述聚焦元件到所述焦平面的各个距离取决于所述光线的各个波长，使得当目标表面位于所述的各个距离处时各个波长的光从所述目标表面上的焦点光斑处反射；和

一增益介质，所述增益介质具有与目标表面最近的腔内晶面以及与目标表面最远的后方晶面，所述增益介质被设置成在所述后方晶面和所述目标表面之间形成谐振腔，并且还用于放大从所述目标表面上的焦点光斑处反射的各个波长的光；以及

一波长检测器件，设置用于检测由所述增益介质放大的各个波长的光，并且提供与所述各个波长相对应的信号，其中所述各个波长与所述各个距离相对应，使得所述信号可表征所述各个距离。

2.如权利要求1所述的装置，还包括用于将所述谐振腔中来回传播的光线引导至所述波长检测器件中的光分束器。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述增益介质的后方晶面之后设置所述波长检测器件。

4.如权利要求1所述的装置，还包括准直透镜和成像透镜，设置它们是用于接收具有将被检测的波长的光线以及在所述波长检测器件的入口处汇聚所述光线。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波长检测器件是分光计、波频计和波长灵敏的光电二极管中的一种。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波长检测器件包括一半导体光放大器，设置它使得其透明电流依赖于所述各个波长。

7.如权利要求1所述的装置，还包括：

设置在所述谐振腔内的标准具。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述标准具是以不与由所述谐振腔所定义的光轴相垂直的角度设置的。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述增益介质的腔内晶面上覆有一反射率小于3×10^-3的“防反射”涂层。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述增益介质的腔内晶面上覆有一反射率小于1×10^-3的“防反射”涂层。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述增益介质的腔内晶面上覆有一反射率小于5×10^-4的“防反射”涂层。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述增益介质的腔内晶面的反射率至少要比所述目标表面的反射率低10倍。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

在所述增益介质和所述聚焦元件之间设置的一光学元件，它用于校正由所述增益介质放大并朝着所述目标表面发射的非圆形光束。

14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

在所述增益介质和所述聚焦元件之间设置的准直透镜。

15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述聚焦元件是衍射光学元件。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述衍射光学元件是波带片。

17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述增益介质具有一大于-7的线宽增强因子。

18.一种距离测量装置，其特征在于，包括：

一聚焦元件，用于将光线聚焦到焦平面上，其中从所述聚焦元件到焦平面的距离取决于所述光线的波长，使得当目标表面位于与所述聚焦元件相距有各个距离处时，从所述目标表面上的焦点光斑处反射的光线具有与所述各个距离相对应的各个主要波长；以及

一增益介质，所述增益介质具有与目标表面最近的腔内晶面以及与目标表面最远的后方晶面，设置所述增益介质是为了在所述后方晶面和所述目标表面之间形成谐振腔，并且还接收从所述焦点光斑处反射的各个主要波长的光，使得它放大所述各个主要波长的光以提供可表征从所述聚焦元件到所述目标表面之间的各个距离的、定义明确的波长的光；以及

一波长检测器件，设置用于检测所述定义明确的波长的光，并且提供与所述定义明确的波长的光相对应的信号，其中所述定义明确的波长的光与所述各个距离相对应，使得所述信号可表征所述各个距离。

19.一种距离测量装置，其特征在于，包括：

用于将光线聚焦到焦平面上的装置，其中焦平面的位置取决于所述光线的波长并与其相对应，使得当目标表面位于相应的各个焦平面上时从所述目标表面上的焦点光斑处反射各个波长的光；

用于放大从所述目标表面上的焦点光斑处反射的各个波长的光的装置，它包括具有与目标表面最近的腔内晶面以及与目标表面最远的后方晶面的增益介质，所述增益介质被设置成在所述后方晶面和所述目标表面之间形成谐振腔，并且还放大从所述目标表面上的焦点光斑处反射的各个波长的光；以及

用于测量被放大的各个波长的光的各个波长的装置，其中所述各个波长对应于从所述距离测量装置到所述目标表面的距离。

20.如权利要求19所述的距离测量装置，其特征在于，它还包括：

用于准直被放大的各个波长的光的装置；

用于矫正被放大的各个波长的光的非圆形光束形态的装置；以及

用于选择被放大的各个波长的光的一单纵模的装置。

21.一种距离测量方法包括：

将具有一个或多个波长的光线聚焦到至少一个焦平面上，其中每一个焦平面的位置与所述光线中的某一波长相对应；

当目标表面位于与各个波长的光相对应的各个焦平面上时，从所述目标表面上的焦点光斑处反射所述的各个波长的光；

通过使用增益介质放大从所述目标表面上的焦点光斑处反射的各个波长的光，所述增益介质具有与目标表面最近的腔内晶面以及与目标表面最远的后方晶面，所述增益介质被设置成在所述后方晶面和所述目标表面之间形成谐振腔，并且还放大从所述目标表面上的焦点光斑处反射的各个波长的光；以及

测量被放大的各个波长的光的各个波长，其中所述各个波长对应于从所述距离测量装置到所述目标表面的距离。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：

通过使用增益介质放大从所述目标表面上的焦点光斑处反射的各个波长的光的步骤包括仅在所述增益介质所限定的一准入锥体内接收从所述目标表面所反射的光线并且在所述增益介质中放大所接收到的反射的光线；以及

测量被放大的各个波长的光的各个波长的步骤包括从所述增益介质中提取被放大的各个波长的光并且测量所提取出的各个波长的光。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，它还包括：

在所述目标表面和所述增益介质之间设置一标准具。

24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述聚焦的步骤还包括：

在所述目标表面和所述增益介质之间设置一衍射光学元件。

25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，它还包括：

在所述增益介质的腔内晶面上使用反射率为3×10^-3或更小的“防反射”涂层。

26.如权利要求21所述的方法，其特征在于，它还包括：

在所述增益介质的后方晶面上使用部分透射的反射涂层。

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