Образец для цитирования:

Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Добдин С. Ю., Астахов Е. И., Костюченко И. С., Джафаров А. В. Методы автодинной интерферометрии расстояния при токовой частотной модуляции полупроводникового лазера // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2018. Т. 18, вып. 3. С. 189-201. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2018-18-3-189-201


УДК: 
531.715.1
Язык публикации: 
русский

Методы автодинной интерферометрии расстояния при токовой частотной модуляции полупроводникового лазера

Аннотация

В работе сравниваются два способа автодинной интерферометрии расстояния при двух видах частотной модуляции лазерного излучения. Описаны интерференционные методы с гармонической и пилообразной частотной модуляциями лазерного излучения. Исследованы достоинства метода пилообразной модуляции, связанные с использованием в качестве информационного параметра частоты спектральной составляющей автодинного сигнала, а также достоинства метода гармонической модуляции, обусловленные возможностью определения расстояния по результатам измерения амплитуд спектральных составляющих автодинного сигнала. Приведена схема измерительной системы на базе частотно-модулированого полупроводникового автодина на лазерном диоде RLD-650(5) на квантоворазмерных структурах с дифракционно-ограниченной одиночной пространственной модой. Сравнительный анализ методов измерения расстояния до объекта при существующих возможностях частотной модуляции излучения полупроводникового лазера показал преимущества измерения расстояний до 35 см для метода гармонической токовой модуляции лазерного диода, а на расстояниях более 40 см – для метода пилообразной токовой модуляции.

Литература

1. Wang Y., Xie F., Ma S., Dong L. Review of surface profile measurement techniques based on optical interferometry // Opt. Lasers Eng. 2017. Vol. 93, iss. 1. P. 164–170.

2. Sels S., Ribbens B., Bogaerts B., Peeters J. 3D model assisted fully automated scanning laser Doppler vibrometer measurements // Opt. Lasers Eng. 2017. Vol. 99, iss. 1. P. 22–30.

3. Bosch T., Lescure M. Optical distance measurement methods can technically be put into three categories : interferometry, time-of-fl ight and triangulation methods // Selected Papers on Laser Distance Measurement. SPIE Milestone Series. Bellingham : SPIE Optical Engineering Press. 1995. Vol. 115. P. 738.

4. Kilpelä A., Pennala R., Kostamovaara J. Precise pulsed time-of-fl ight laser range fi nder for industrial distance measurements // Rev. Sci. Instrum. 2001. Vol. 72. P. 2197–2202.

5. Joohyung L., Young-Jin K., Keunwoo L., Sanghyun L., Seung-Woo K. Time-of-fl ight measurement with femtosecond light pulses // Nat. Photonics. 2010. Vol. 4. P. 716–720.

6. Hintikka M., Kostamovaara J. Experimental investigation into laser ranging with sub-ns laser pulses // IEEE Sensors Journal. 2018. Vol. 18, № 3. P. 1047–1053.

7. Ji Z., Leu M. C. Design of optical triangulation devices // Opt. Laser Technol. 1989. Vol. 21, iss. 5. P. 339–341.

8. Timothy A. C., Kenneth T. V. G., Lindsey N. E. Laser-based triangulation techniques in optical inspection of industrial structures // Proceedings. Optical Testing and Metrology III: Recent Advances in Industrial Optical Inspection. 1991. Vol. 1332. P. 474–486. DOI: https://doi.org/10.1117/12.51096

9. Reza S. A., Khwaja T. S., Mazhar M. A., Niazi H. K., Nawab R. Improved laser-based triangulation sensor with enhanced range and resolution through adaptive optics-based active beam control // Appl. Opt. 2017. Vol. 56, iss. 21. P. 5996–6006.

10. Daendliker R., Hug K., Politch J.; Zimmermann E. High-accuracy distance measurements with multiplewavelength interferometry // Optical Engineering. 1995. Vol. 34, iss. 8. P. 2407–2412. DOI: https://doi.org/10.1117/12.205665

11. Berkovic G., Shafi r E. Optical methods for distance and displacement measurements // Adv. Opt. Photonics. 2012. Vol. 4, iss. 4. P. 441–471. DOI: https://doi.org/10.1364/AOP.4.000441

12. Amann M. C., Bosch T., Lescure M., Myllyla R., Rioux M. Laser ranging: a critical review of usual technique for distance measurement // Optical Engineering. 2001. Vol. 40, iss. 1. P. 10–19.

13. Deborah M., Kane K., Shore A. Unlocking dynamical diversity : Optical feedback effects on semiconductor lasers. Chichester : John Wiley & Sons Ltd, 2005. 339 p.

14. Usanov D. A., Skripal A. V. Measurement of micro-and nanovibrations and displacements using semiconductor laser autodynes // Quantum Electronics. 2011. Vol. 41, iss. 1. P. 86–94.

15. Zhua W., Chenb Q., Wangb Y., Luob H., Wub H., Maa B. Improvement on vibration measurement performance of laser self-mixing interference by using a pre-feedback mirror // Opt. Lasers Eng. 2018. Vol. 105. P. 150–158.

16. Li D., Huang Z., Mo W., Ling Y., Zhang Z., Huang Z. Equivalent wavelength self-mixing interference vibration measurements based on envelope extraction Fourier transform algorithm // Appl. Opt. 2017. Vol. 56, iss. 31. P. 8584–8591. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.56.008584

17. Norgia M., Donati S. A Displacement-measuring instrument utilizing self-mixing interferometry // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2003. Vol. 52, iss. 6. P. 1765–1770.

18. Xu J., Huang L., Yin S., Bingkun G., Chen P. All-fi ber self-mixing interferometer for displacement measurement based on the quadrature demodulation technique // Opt. Rev. 2018. Vol. 25, iss. 1. P. 40–45.

19. Guo D., Shi L., Yu Y., Xia W., Wang M. Micro-displacement reconstruction using a laser self-mixing grating interferometer with multiple-diffraction // Optics Express. 2017. Vol. 25, iss. 25. P. 31394–31406. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.25.031394

20. Koelink M. H., Slot M., de Mul F. F. M., Greve J., Graaff R., Dassel A. C. M., Aarnoudse J. G. Laser Doppler velocimeter based on the self-mixing effect in a fi bercoupled semiconductor laser : theory // Appl. Opt. 1992. Vol. 31, iss. 18. P. 3401–3408. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.31.003401

21. Scalise L., Yu Y. G., Giuliani G., Plantier G., Bosch T. Self-mixing laser diode velocimetry : Application to vibration and velocity measurement // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2004. Vol. 53, iss. 1. P. 223–232.

22. Hao Lin, Junbao Chen, Wei Xia, Hui Hao, Dongmei Guo, Ming Wang, Enhanced self-mixing Doppler velocimetry by fi ber Bragg grating // Optical Engineering 2018. Vol. 57, iss. 5, № 051504. DOI: https://doi.org/10.1117/1.OE.57.5.051504

23. Guo D., Jiang H., Shi L. Wang M. Laser Self-Mixing Grating Interferometer for MEMS Accelerometer Testing // IEEE Photonics J. 2018. Vol. 10, iss. 1, № 6800609.

24. Усанов Д. А., Скрипаль Ан. В., Добдин С. Ю. Определение ускорения при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера на квантоворазмерных структурах // Письма в ЖТФ. 2010. № 21. С. 78–84.

25. Усанов Д. А., Скрипаль Ан. В., Добдин С. Ю. Определение ускорения при неравномерно ускоренных микро- и наносмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера // Нано- и микросистемная техника. 2010. № 10. С. 51–54.

26. Fleming M. W., Mooradian A. Spectral characteristics of external cavity controlled semiconductor lasers // IEEE J. Quantum Electron. 1981. Vol. QE-17. P. 44–59.

27. Olesen H., Osmundsen J. H., Tromborg B. Nonlinear dynamics and spectral behavior for an external cavity laser // IEEE J. Quantum Electron. 1986. Vol. 22, iss. 6. P. 762–773.

28. Schunk N., Petermann K. Numerical analysis of the feedback regimes for a single-mode semiconductor lasers with external feedback // IEEE J. Quantum Electron. 1988. Vol. 24, iss. 7. P. 1242–1247.

29. Сухарев А. Г., Напартович А. П. Режим гармонической модуляции излучения полупроводникового лазера с внешней обратной связью // Квантовая электроника. 2007. Т. 37, № 2. С. 149–153.

30. Giuliani G, Norgia M., Donati S., Bosch T. Laser diode self-mixing technique for sensing applications // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2002. Vol. 4, iss. 6. P. 283–294.

31. Donati S. Developing self-mixing interferometry for instrumentation and measurements // Laser Photonics Rev. 2012. Vol. 6, iss. 3. P. 393–417. DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.201100002

32. Соболев В.С., Кащеева Г.А. Активная лазерная интерферометрия с частотной модуляцией // Автометрия. 2008. Т. 44, № 6. С. 49–65.

33. Gouaux F., Servagent N., Bosch T. Absolute distance measurement with an optical feedback interferometer // Appl. Opt. 1998. Vol. 37, iss. 28. P. 6684–6689. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.37.006684

34. Norgia M., Giuliani G., Donati S. Absolute distance measurement with improved accuracy using laser diode self-mixing interferometry in a closed loop // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2007. Vol. 56, iss. 5. P. 1894–1900.

35. Mourat G., Servagent N., Bosch T. Distance measurement using the self-mixing effect in a three-electrode distributed Bragg refl ector laser diode // Optical Engineering. 2000. Vol. 39, iss. 3. P. 738–743.

36. Guo D, Wang M. Self-mixing interferometry based on a double modulation technique for absolute distance measurement // Appl. Opt. 2007. Vol. 46, iss. 9. P. 1486–1491.

37. Dehui Wang, Junfeng Zhou, Chenchen Wang, Jingang Wang, Hao Deng, Liang Lu. Measurement of the Absolute Distance inside an All Fiber DBR Laser by Self-Mixing Technique // International Conference on Optical and Photonics Engineering. 2016. Vol. 10250, № 1025022. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2266819

38. Bi T., Wang C., Zhou J., Wang D., Chen Y., Yu B., Lu L. Research on the infl uence of laser-tuning characteristics on all-fi ber distributed Bragg refl ector self-mixing range fi nder // Optical Engineering. 2018. Vol. 57, iss. 5, № 051505. DOI: https://doi.org/10.1117/1.OE.57.5.051505

39. Zheng J. Analysis of optical frequency-modulated continuous-wave interference // Appl. Opt. 2004. Vol. 43, iss. 21. P. 4189–4198.

40. Usanov D. A., Skripal A. V., Avdeev K. S. Determining distances to objects using a frequency-switched semiconductor laser autodyne // Tech. Phys. Lett. 2007. Vol. 33, iss. 11. P. 930–932.

41. Астахов Е. И., Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Добдин С. Ю. Автодинная интерферометрия расстояния при модуляции длины волны излучения полупроводникового лазера // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2015. Т. 15, вып. 3. С. 12–18. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2015-15-3-12-18

42. Usanov D. A., Skripal A. V., Astakhov E. I. Measurements of the nanovibration amplitude by a frequency-modulated laser autodyne // Tech. Phys. 2013. Vol. 58, iss. 12. P. 1856–1858.

43. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Астахов Е. И. Определение амплитуды нановибраций с помощью частотно-модулированного полупроводникового лазерного автодина // Квантовая электроника. 2014. Т. 44, № 2. С. 184–188.

44. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Астахов Е. И., Добдин С. Ю. Регистрация наноперемещений зонда ближнеполевого СВЧ микроскопа с помощью полупроводникового лазерного автодина // Нано- и микросистемная техника. 2018. № 1. С. 3–10.

45. Usanov D.A., Skripal A.V., Astahov E.I., Dobdin S. Y. Autodyne interferometry for range-finding under laser radiation wavelength modulation // Tech. Phys. Lett. 2016. Vol. 42. P. 919–922. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063785016090121

46. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Авдеев К. С. Изменение спектра сигнала лазерного полупроводникового автодина при фокусировке излучения // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2009. Т. 17, № 2. C. 54–65.

Краткое содержание (на английском языке): 
Полный текст в формате PDF (на русском языке):