CN201104240Y - 半导体激光单光源激振测振装置 - Google Patents

Abstract

一种半导体激光单光源激振测振装置，其结构包括：由第一驱动电源驱动的带有温度控制器的光源，沿该光源出射光前进方向依次通过光纤段连接的隔离器、耦合器、固定着正弦相位调制装置的准直器，准直器出射光方向有一谐振器，正弦相位调制装置由第二驱动电源驱动；第二光电转换器的输出端与第二前置放大器的输入端相连；封装在光源内部的第一光电转换器的输出端与第一前置放大器的输入端相连；第一前置放大器的输出端、第二前置放大器的输出端和第二驱动电源的调制信号输出端分别与数据处理器的输入端相连；该信号处理器的输出端与信号监视器相连。本实用新型系统结构简单，易于实现微谐振器的光热激励，可同时高精度的得到谐振器的谐振频率和振动位移曲线。

Description

半导体激光单光源激振测振装置

技术领域

本实用新型涉及谐振传感器，特别是一种半导体激光单光源激振测振装置。

背景技术

随着微电子机械系统(MEMS)的发展，基于微电子技术和微机械加工技术的硅微机械谐振传感器显示出良好的发展前景。它不但具有精度高、抗干扰能力强、适用于长距离信号传输的优点，而且可以利用成熟的硅集成制造工艺，得到批量的高可靠性、价格低廉的产品，有着巨大的商业价值。该传感技术利用谐振器的固有频率随被测物理量的变化而变化实现测量，已被广泛地用于压力、真空度、角速度、加速度、磁场强度、流量、温度、湿度以及气体成分等物理量的高精度测量。在硅微机械谐振传感器众多的工作方式(电、磁、光、声等方式)中，光激励、光检测的全光学工作方式得到了人们的普遍关注，取得了许多重要的成果。

目前该领域的相关研究中，大多采用双光源实验装置，这种方法虽然相对容易实现器件的激励和检测，但是由于系统比较复杂，限制了向多传感头系统的发展。为了解决这个问题，一些单光源的激振测振方法被提出。但是这些方法存在诸如易受外界干扰和测量精度较低(在先技术1，J David Zook，David W.Burns，William R.Herb et al..Optically excited self-resonant microbeams，Sensors and Actuators[J].1996，A52(1-3)：92-98)或者对光源等器件有特殊要求(在先技术2，Liu Yueming，Liu Junhua，Zhang Shaojun.A laboratory study of photothermal excited silicon microresonators withcoated film[J].Acta Optica Sinica，2003，23(5)：529-533)等问题。

采用贝塞尔函数比值法的单光源激振测振方法(在先技术3，Liu Yingming，WangXiangzhao.A single optical source system for exciting and detecting the vibration ofsilicon microresonator sensors[J].Chinese J.Lasers，2006，A33(12)：1661-1664)，只能测量出谐振器的振动幅度，不能给出谐振器的振动位移曲线。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种半导体激光单光源激振测振装置，该装置在高精度地得到谐振器的谐振频率的同时，还可获得纳米精度的谐振器的位移曲线。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种半导体激光单光源激振测振装置，包括由第一驱动电源驱动的带有温度控制器的光源，所述的第一驱动电源为该光源提供直流驱动电流和正弦交流驱动电流；沿该光源发射光前进方向依次放置隔离器、耦合器及准直器；准直器出射光方向设置一谐振器；与第二光电转换器的输出端连接的是第二前置放大器；与封装在光源内部的第一光电转换器的输出端连接的是第一前置放大器；信号处理器；信号监视器，所述的光源和隔离器由第一段光纤相连，所述的隔离器和耦合器的第一端口由第二段光纤相连，所述的耦合器的第二端口和准直器由第三段光纤相连，耦合器的第三端口和第二光电转换器的输入端由第四段光纤相连；其特点是在所述的准直器上固定有由第二驱动电源驱动的正弦相位调制装置，所述的第一前置放大器的输出端、第二前置放大器的输出端和第二驱动电源的交流驱动信号输出端分别与信号处理器的三个输入端相连，该信号处理器的输出端与信号监视器的输入端相连，所述的第二驱动电源输出的正弦交流驱动电流的频率ω大于第一驱动电源输出的正弦交流驱动电流频率ω_c的两倍。

所述的光源是半导体激光二极管，并且其内部封装了第一光电转换器，所说的第一光电转换器是一光电二极管。

所述的正弦信号调制装置是由第二驱动电源驱动的固定在准直器上的压电陶瓷，所说的压电陶瓷使准直器在其出射光方向上产生正弦振动。

所述的第二光电转换器是光电二极管或者光电池。

所述的信号处理器由除法器、乘法器、低通滤波器和单片机构成，除法器的第一输入端和第二输入端即信号处理器的输入端；除法器的输出端与乘法器的第一输入端相连；乘法器的第二输入端即信号处理器的第三输入端；乘法器的输出端与低通滤波器的输入端相连接；低通滤波器的输出端与单片机的输入端相连，单片机的输出端直接与信号监视器相连。

所述的单片机具有对输入信号求解反正弦函数的程序。

本实用新型由于采用了上述技术方案，与在先技术相比，具有以下优点和积极效果：

1、本实用新型系统结构简单，采用干涉仪的光源作为谐振器的激励光源，对光源等器件没有特殊要求，易于实现微谐振器的光热激励。

2、本实用新型采用全光纤斐索干涉仪的结构，有效减小了外界干扰的影响；利用正弦相位调制技术对干涉信号进行调制解调，提高了测量精度。

3、本实用新型采用特殊的信号处理方法从干涉信号中纳米精度的实时解调出谐振器的位移曲线，高精度的得到谐振器的谐振频率。

附图说明

图1是本实用新型半导体激光单光源激振测振装置的结构示意图。

图2是本实用新型信号处理器的结构示意图。

图3是本实用新型测得的谐振器的频率响应曲线。

国4是本实用新型测得的谐振器的谐振位移曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

本实用新型半导体激光单光源激振测振装置的结构示意图如图1所示。由图可见，本实用新型半导体激光单光源激振测振装置，包括由第一驱动电源1驱动的带有温度控制器2的光源3；沿光源3发射光前进方向依次放置隔离器6、耦合器7及准直器8；准直器8出射光方向设置一谐振器11；与第二光电转换器12的输出端连接的是第二前置放大器13；与封装在光源3内部的第一光电转换器4的输出端连接的是第一前置放大器5；信号处理器14；信号监视器15，所述的光源3和隔离器6由第一段光纤301相连，所述的隔离器6和耦合器7的第一端口由第二段光纤701相连，所述的耦合器7的第二端口和准直器8由第三段光纤702相连，耦合器7的第三端口和第二光电转换器12的输入端由第四段光纤703相连；其特征在于在所述的准直器8上固定有由第二驱动电源10驱动的正弦相位调制装置9，所述的第二前置放大器13的输出端、第一前置放大器5的输出端和第二驱动电源10的交流驱动信号输出端分别与信号处理器14的输入端14a、14b、14c相连，该信号处理器14的输出端与信号监视器15的输入端相连。

所述的第一驱动电源1为光源3提供直流驱动电流和正弦交流驱动电流。

所述的光源3是半导体激光二极管，并且其内部封装了第一光电转换器4，即光电二极管。

所述的正弦信号调制装置9是由第二驱动电源10驱动的固定在准直器8上的压电陶瓷，所说的压电陶瓷使准直器8在其出射光方向上产生正弦振动。

所述的第二光电转换器12是光电二极管。

所述的信号处理器14由除法器1401、乘法器1402、低通滤波器1403和单片机1404构成，除法器1401的第一输入端D1和第二输入端D2即信号处理器14的输入端14a和14b；除法器1401的输出端与乘法器1402的第一输入端M1相连；乘法器1402的第二输入端M2即信号处理器14的第三输入端14c；乘法器1402的输出端与低通滤波器1403的输入端相连接；低通滤波器1403的输出端与单片机1404的输入端相连，单片机1404的输出端直接与信号监视器15相连。

所述的单片机1404具有对输入信号求解反正弦函数的程序。

第一驱动电源1为光源3提供直流电流和正弦交流电流，光源3的出射光的波长和强度被正弦调制，被调制的光经过隔离器6、耦合器7和准直器8，一部分光在准直器8与空气交界的端面被反射，另一部分光经过准直器8后以平行光出射，经谐振器11表面反射后，又经准直器8进入光纤。被准直器8端面反射回去的参考光与谐振器11表面反射的物光进行干涉，产生的干涉信号经耦合器7后，由第二光电探测器12检测。第二光电探测器12检测到的干涉信号输入到第二前置放大器13中；封装在光源3中的第一光电探测器4检测到的光源光强变化信号输入到第一前置放大器5中；第一前置放大器5的输出信号和第二前置放大器13的输出信号以及第二驱动电源10的交流信号，一起送入信号处理器14处理后得到谐振器11的谐振位移。本实用新型的半导体激光单光源激振测振装置工作时，逐渐增大调制驱动电源1的输出交流驱动信号频率，当该信号的频率与谐振器11的固有频率一致时，谐振器11的位移最大，达到谐振状态；当待测物理量(压力、真空度、角速度、加速度、磁场强度、流量、温度、湿度以及气体成分等)变化时，测量此时谐振器11的谐振频率；进而由谐振器11谐振频率的变化得到待测物理量的变化。

光源3在第一驱动电源1提供的直流电流i₀和正弦电流Δi(t)＝acos(ω_ct)的驱动下，波长和强度分别表示为：

λ(t)＝λ₀+β₁Δi(t)，    (1)

g(t)＝β₂[i₀+Δi(t)]。    (2)

其中：λ₀是光源3的中心波长，β₁是光源3的波长随驱动电流的变化系数，β₂是光源3的光强随驱动电流的变化系数。

第二驱动电源10为正弦相位调制装置9提供电压信号V(t)＝Vcos(ωt)(需要满足ω＞2ω_c)，使正弦相位调制装置9产生位移，进而引起准直器8的位移为

r(t)＝rcos(ωt+φ)，r、φ均为常数。

第二光电探测器12检测到的干涉信号经第二前置放大器13后为：

S₀(t)＝K{I_B(t)S₀+I_M(t)S₁cos[z₁cos(ω_ct)+z₂cos(ωt+φ)+α(t)]}，  (3)

其中：

I_B(t)＝g(t-τ_o)+g(t-τ_r)，    (4)

$I_M\left(t\right)=2\sqrt{g(t-{\mathrm{\τ}}_o)g(t-{\mathrm{\τ}}_r)},---\left(5\right)$

$z_1=2\mathrm{\π}{\mathrm{\β}}_{1}a{D}_0/{\mathrm{\λ}}_0^2,---\left(6\right)$

$z_2=\frac{4\mathrm{\πr}}{{\mathrm{\λ}}_0},---\left(7\right)$

α(t)＝α₀+α_d(t)＝2πD₀/λ₀+4πd(t)/λ₀。    (8)

I_B(t)和I_M(t)分别为干涉信号非相干部分和相干部分的幅度调制；K为第二前置放大器13的增益系数；S₀和S₁是由参考光和物光的振幅比例决定的常数；τ₀＝l₀/c，τ_r＝l_r/c，l_o和l_r分别为参考光和物光的光程，c为光速；D₀为谐振器11和正弦相位调制装置9均静止时参考光和物光之间的光程差；d(t)为谐振器11的振动位移。

封装在光源3中的第一光电探测器4探测到的光源强度变化经第一前置放大器5放大后为：

I(t)＝Kβ₂{i₀+acos[ω_c(t-τ)]}，    (9)

其中，K为第一前置放大器5的增益系数，τ是光传播引起的时间延迟。

将(3)式与(9)式相除，可以得到

S(t)＝C{S₀+S₁cos[z₁cos(ω_ct)+z₂cos(ωt+φ)+α(t)]}。    (10)

其中常数C不随时间变化。由(6)式可知，z₁与D₀有关，通过调整准直器8和谐振器11的初始位置，可以使z₁相对较小，此时式(10)可以近似写为

$S\left(t\right)\≈C\{S_0+S_1\cos [z_2\cos ({\mathrm{\ω}}_{c}t+\mathrm{\φ})+\mathrm{\α}\left(t\right)\left]\right\}$

$=C\left\{\begin{array}{c}{S}_0+S_1\cos \mathrm{\α}\left(t\right)[J_0\left(z_2\right)-2J_2\left(z_2\right)\cos (2{\mathrm{\ω}}_{c}t+2\mathrm{\φ})+...]\\ -S_1\sin \mathrm{\α}\left(t\right)[2J_1\left(z_2\right)\cos ({\mathrm{\ω}}_{c}t+\mathrm{\φ})-2J_3\left(z_2\right)\cos (3{\mathrm{\ω}}_{c}t+3\mathrm{\φ})+...]\end{array}\right\},---\left(11\right)$

其中，J_n(z₂)表示n阶贝塞尔函数。

采用如图2所示的信号处理器14对干涉信号进行处理。首先将第二前置放大器13放大后的干涉信号和第一前置放大器5放大的光源强度变化信号同时送入信号处理器14中的除法器1401，得到信号S(t)。将S(t)和第二驱动电源10输出的的正弦驱动信号V(t)＝Vcos(ωt)输入到乘法器1402和低通滤波器1403后，得到信号P(t)：

P(t)＝-CK₀S₁VJ₁(z₂)cosφsinα(t)，           (12)

K₀是乘法器和低通滤波器对信号产生的增益。

定义归一化系数    K_S＝-CK₀S₁VJ₁(z₂)cosφ，  (13)

则                   P(t)＝K_Ssinα(t)       (14)

由于存在一些难以获得准确数值的工作参数，较难利用(13)式精确的计算K_S。当光源3仅在直流电流驱动下时，z₁＝0，d(t)＝0。此时使第二驱动电源10输出的的正弦电压信号为V′(t)＝V(t)+V′cos(ω′t)＝Vcos(ωt)+V′cos(ω′t)(需要满足ω＞2ω′)，使准直器8在位移r(t)＝rcos(ωt+φ)之上再叠加一个幅度大于λ₀/4的振动r′(t)＝r′cos(ω′t+φ′)，此时(10)式为：

S′(t)＝C{S₀+S₁cos[z₂cos(ωt+φ)+α′(t)]}，    (15)

其中    α′(t)＝2πD₀/λ₀+4πr′(t)/λ₀。      (16)

通过信号处理器14后，低通滤波器1403输出信号为：

P′(t)＝K_Ssinα′(t)，    (17)

由于r′大于λ₀/4，sinα′(t)的值能够达到±1，此时信号P′(t)的幅度即为归一化系数K_S。

求得K_S后，恢复第二驱动电源10的输出电压信号为V(t)＝Vcos(ωt)，给光源3附加交流驱动电流，使谐振器11产生振动。由于初始相位α₀为直流项，可以不考虑。由低通滤波器1403将信号P(t)输入到单片机1404，单片机1404利用所具有的对输入信号求解反正弦函数的程序进行数据处理，由(14)式可得到谐振器11的位移：

d(t)＝(λ₀/4π)sin^-1[P(t)/K_S]。    (18)

如图1所示的半导体激光单光源激振测振装置。谐振器9采用的是多层复合结构的微悬臂梁，表面镀铝，微悬臂梁长约1000μm，宽约300μm，厚约10μm。半导体激光器3的中心波长为1304nm，最大输出功率2.5mW，其波长调制系数β₁和强度调制系数β₂分别为0.0188nm/mA和0.1mW/mA。测试时，调整准直器和微悬臂梁的初始位置，使物光和参考光的初始光程差D₀约为100μm。压电陶瓷上附加200KHz的正弦电压信号，使准直器8做同频正弦振动；模拟乘法器的系数K_m为5×10^-5(mV)^-1；选用一个四阶的低通滤波器，其截止频率为40KHz，增益K_L为10；单片机的型号为ADuc812。当半导体激光器仅有直流调制信号时，调节压电陶瓷上的驱动电压信号，使准直器在原有的振动之上再叠加一个幅度大于λ₀/4的低频振动，测量此时低通滤波器的输出信号P′(t)的幅度，将其作为KS的值。恢复压电陶瓷上200KHz的正弦电压信号，给半导体激光器附加交流调制信号，使调制电流的幅度约为1mA，测量微悬臂梁产生的位移；逐渐增大交流调制信号的频率，当测得微悬臂梁的位移最大时，微悬臂梁达到谐振状态。

测试过程中得到了微悬臂梁样品的频率响应曲线，如图3所示。微悬臂梁样品的谐振频率为13.63kHz，谐振曲线的半值全宽(FWHM)0.08kHz，品质因数Q为171。样品在谐振时的位移曲线如图4所示，谐振振幅的RMS值为112.3nm。

Claims (5)

1、一种半导体激光单光源激振测振装置，包括由第一驱动电源(1)驱动的带有温度控制器(2)的光源(3)，所述的第一驱动电源(1)为光源(3)提供直流驱动电流和正弦交流驱动电流；沿光源(3)发射光前进方向依次放置隔离器(6)、耦合器(7)及准直器(8)；准直器(8)出射光方向设置一谐振器(11)；与第二光电转换器(12)的输出端连接的是第二前置放大器(13)；与封装在光源(3)内部的第一光电转换器(4)的输出端连接的是第一前置放大器(5)；信号处理器(14)；信号监视器(15)；所述的光源(3)和隔离器(6)由第一段光纤(301)相连，所述的隔离器(6)和耦合器(7)的第一端口由第二段光纤(701)相连，所述的耦合器(7)的第二端口和准直器(8)由第三段光纤(702)相连，耦合器(7)的第三端口和第二光电转换器(12)的输入端由第四段光纤(703)相连；其特征在于在所述的准直器(8)上固定有由第二驱动电源(10)驱动的正弦相位调制装置(9)，所述的第二前置放大器(13)的输出端、第一前置放大器(5)的输出端和第二驱动电源(10)的交流驱动信号输出端分别与信号处理器(14)的三个输入端(14a)、(14b)、(14c)相连，该信号处理器(14)的输出端与信号监视器(15)的输入端相连，所述的第二驱动电源(10)输出的正弦交流驱动电流的频率ω大于第一驱动电源(1)输出的正弦交流驱动电流频率ω_c的两倍。

2、根据权利要求1所述的半导体激光单光源激振测振装置，其特征在于所述的光源(3)是半导体激光二极管，并且其内部封装了第一光电转换器(4)，所说的第一光电转换器是一光电二极管。

3、根据权利要求1所述的半导体激光单光源激振测振装置，其特征在于所述的正弦信号调制装置(9)是由第二驱动电源(10)驱动的固定在准直器(8)上的压电陶瓷，所说的压电陶瓷使准直器(8)在其出射光方向上产生正弦振动。

4、根据权利要求1所述的半导体激光单光源激振测振装置，其特征在于所述的第二光电转换器(12)是光电二极管或者光电池。

5、根据权利要求1所述的半导体激光单光源激振测振装置，其特征在于所述的信号处理器(14)的构成包括除法器(1401)、乘法器(1402)、低通滤波器(1403)和单片机(1404)，除法器(1401)的第一输入端(D1)和第二输入端(D2)即信号处理器(14)的输入端(14a)和(14b)；除法器(1401)的输出端与乘法器(1402)的第一输入端(M1)相连；乘法器(1402)的第二输入端(M2)即信号处理器(14)的输入端(14c)；乘法器(1402)的输出端与低通滤波器(1403)的输入端相连接；低通滤波器(1403)的输出端与单片机(1404)的输入端相连，单片机(1404)的输出端直接与信号监视器(15)相连。

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