(43-5) 12 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Предельные возможности автодинной интерферометрии расстояния при пилообразной модуляции длины волны полупроводникового лазера

Д.А. Усанов1, А.В. Скрипаль1, С.Ю. Добдин1, А.В. Джафаров1, И.С. Соколенко1

1 Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского,  
410012, Россия, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83

 PDF, 854 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-5-796-802

Страницы: 796-802.

Аннотация:
В работе анализируется автодинный интерференционный метод измерения расстояния при пилообразной модуляции длины волны лазерного излучения. Определены условия, при которых расстояние, полученное из спектра смоделированного автодинного сигнала, совпадает с заданным при компьютерном моделировании. Теоретически обосновываются предельные возможности метода при увеличении девиации длины волны излучения лазера. Оценка предельных возможностей метода измерения расстояния по спектру автодинного сигнала составила 10 мкм на длине волны 650 нм при величине девиации лазерного излучения 5 нм. Обсуждаются трудности получения предельных значений точности измерения расстояния, связанные с нелинейной зависимостью длины волны излучения лазерного диода от его тока питания и необходимостью анализа автодинного сигнала на высоких частотах.

Ключевые слова:
автодин, автодинное детектирование, полупроводниковый лазер, интерференция, измерение расстояния, пилообразная модуляция.

Цитирование:
Усанов, Д.А. Предельные возможности автодинной интерферометрии расстояния при пилообразной модуляции длины волны полупроводникового лазера / Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, С.Ю. Добдин, А.В. Джафаров, И.С. Соколенко // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 5. – С. 796-802. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-5-796-802.

Благодарности:
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (государственное задание №8.7628.2017) и Российского научного фонда (проект № 19-79-00122).

Литература:
  1. Bosch, T. Optical distance measurement methods can technically be put into three categories: interferometry, time-of-flight and triangulation methods / T. Bosch, M. Lescure // Selected Papers on Laser Distance Measurement. SPIE Milestone Series. Bellingham: SPIE Optical Engineering Press. – 1995. – Vol. 115. – P. 738.
  2. Kilpelä, A. Precise pulsed time-of-flight laser range finder for industrial distance measurements / A. Kilpelä, R. Pennala, J. Kostamovaara // Review of Scientific Instruments. – 2001. – Vol. 72, Issue 4. – P. 2197-2202. – DOI: 10.1063/1.1355268.
  3. Lee, J. Time-of-flight measurement with femtosecond light pulses / J. Lee, Y.-J. Kim, K. Lee, S. Lee, S.-W. Kim // Nature Photonics. – 2010. – Vol. 4. – P. 716-720.
  4. Hintikka, M. Experimental investigation into laser ranging with sub-ns laser pulses / M. Hintikka, J. Kostamovaara // IEEE Sensors Journal. – 2018. – Vol. 18, Issue 3. – P. 1047-1053.
  5. Ji, Z. Design of optical triangulation devices / Z. Ji, M.C. Leu // Optics & Laser Technology. – 1989. – Vol. 21, Issue 5. – P. 339-341.
  6. Clarke, T.A. Laser-based triangulation techniques in optical inspection of industrial structures / T.A. Сlarke, K.T.V. Grattan, N.E. Lindsey // Proceedings of SPIE. – 1991. – Vol. 1332. – P. 474-487. – DOI: 10.1117/12.51096.
  7. Syed, A.R. Improved laser-based triangulation sensor with enhanced range and resolution through adaptive optics-based active beam control / S.A. Reza, T.S. Khwaja, M.A. Mazhar, H.K. Niazi, R. Nawab. // Applied Optics. –2017. – Vol. 56, Issue 21. – P. 5996-6006.
  8. Daendliker, R. High-accuracy distance measurements with multiple-wavelength interferometry / R. Daendliker, K. Hug, J. Politch, E. Zimmermann // Optical Engineering. – 1995. – Vol. 34, Issue 58. – P. 2407-2413. – DOI: 10.1117/12.205665.
  9. Berkovic, G. Optical methods for distance and displacement measurements / G. Berkovic, E. Shafir // Advances in Optics and Photonics. – 2012. – Vol. 4, Issue 4. – P. 441-471. – DOI: 10.1364/AOP.4.000441.
  10. Amann, M.C. Laser ranging: a critical review of usual technique for distance measurement / M.C. Amann, T. Bosch, M. Lescure, R. Myllyla, M. Rioux // Optical Engineering. – 2001. – Vol. 40, Issue 1. – P. 10-19.
  11. Kliese, R. Solving self-mixing equations for arbitrary feedback levels: a concise algorithm / R. Kliese, Th. Taimre, A.A.A. Bakar, Y.L. Lim, K. Bertling, M. Nikolić, J. Perchoux, T. Bosch, A.D. Rakić // Applied Optics. – 2014. – Vol. 53, Issue 17. – P. 3723-3736. – DOI: 10.1364/AO.53.003723.
  12. Усанов, Д.А. Измерение микро- и нано-вибраций и перемещений с использованием полупроводниковых лазерных автодинов / Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль // Квантовая электроника. – 2011. – Т. 41, № 1. – С. 86-94.
  13. Li, D. Equivalent wavelength self-mixing interference vibration measurements based on envelope extraction Fourier transform algorithm / D. Li, Z. Huang, W. Mo, Y. Ling, Z. Zhang, Z. Huang // Applied Optics. – 2017. – Vol. 56, Issue 31. – P. 8584-8591 – DOI: 10.1364/AO.56.008584.
  14. Zhu, W. Improvement on vibration measurement performance of laser self-mixing interference by using a pre-feedback mirror / W. Zhu, Q. Chen, Y. Wang, H. Luo, H. Wu, B. Ma // Optics and Lasers in Engineering. – 2018. – Vol. 105. – P. 150-158.
  15. Norgia, M. A displacement-measuring instrument utilizing self-mixing interferometry / M. Norgia, S. Donati // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. – 2003. – Vol. 52, Issue 6. – P. 1765-1770.
  16. Xu, J. All-fiber self-mixing interferometer for displacement measurement based on the quadrature demodulation technique / J. Xu, L. Huang, S. Yin, B. Gao, P. Chen // Optical Review. – 2018. – Vol. 25, Issue 1. – P. 40-45.
  17. Guo, D. Micro-displacement reconstruction using a laser self-mixing grating interferometer with multiple diffraction / D. Guo, L. Shi, Y. Yu, W. Xia, M. Wang // Optics Express. – 2017. – Vol. 25, Issue 25. – P. 31394-31406. – DOI: 10.1364/OE.25.031394.
  18. Koelink, M.H. Laser Doppler velocimeter based on the self-mixing effect in a fiber-coupled semiconductor laser: theory / M.H. Koelink, M. Slot, F.F. de Mul // Applied Optics. – 1992. – Vol. 31, Issue 18. – P. 3401-3408.
  19. Scalise, L. Self-mixing laser diode velocimetry: Application to vibration and velocity measurement / L. Scalise, Y.G. Yu, G. Giuliani, G. Plantier, T. Bosch // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. – 2004. – Vol. 53, Issue 1. – P. 223-232.
  20. Lin, H. Enhanced self-mixing Doppler velocimetry by fiber Bragg grating / H. Lin, J. Chen, W. Xia, H. Hao, D. Guo, M. Wang // Optical Engineering. – 2018. – Vol. 57, Issue 5. – DOI: 10.1117/1.OE.57.5.051504.
  21. Guo, D. Laser self-mixing grating interferometer for MEMS accelerometer testing / D. Guo, H. Jiang, L. Shi, M. Wang // IEEE Photonics Journal. – 2018. – Vol. 10, Issue 1. – P. 1-9.
  22. Усанов, Д.А. Определение ускорения при микро- и наносмещениях по автодинному сигналу полупроводникового лазера на квантоворазмерных структурах / Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, С.Ю. Добдин // Письма в ЖТФ. – 2010. – № 21. – С. 78-84.
  23. Усанов, Д.А. Определение ускорения при неравномерно ускоренных микро- и наносмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера / Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, С.Ю. Добдин // Нано- и микросистемная техника. – 2010. – № 10. – С. 51-54.
  24. Olesen, H. Nonlinear dynamics and spectral behavior for an external cavity laser / H. Olesen, J.H. Osmundsen, B. Tromborg // IEEE Journal of Quantum Electronics. – 1986. – Vol. 22, Issue 6. – P. 762-773.
  25. Schunk, N. Numerical analysis of the feedback regimes for a single-mode semiconductor lasers with external feedback / N. Schunk, K. Petermann // IEEE Journal of Quantum Electronics. – 1988. – Vol. 24, Issue 7. – P. 1242-1247.
  26. Сухарев, А.Г. Режим гармонической модуляции излучения полупроводникового лазера с внешней обратной связью / А.Г. Сухарев, А.П. Напартович // Квантовая электроника. – 2007. – Т. 37, № 2. – С. 149-153.
  27. Giuliani, G. Laser diode self-mixing technique for sensing applications / G. Giuliani, M. Norgia, S. Donati, T. Bosch // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. – 2002. – Vol. 4, Issue 6. – P. S283-S294.
  28. Norgia, M. High resolution self-mixing laser rangefinder / M. Norgia, A. Magnani, A. Pesatori // Review of Scientific Instruments. – 2012. – Vol. 83, Issue 4. – 045113. – DOI: 10.1063/1.3703311.
  29. Kou, K. Injected current reshaping in distance measurement by laser self-mixing interferometry / K. Kou, X. Li, L. Li, H. Xiang // Applied Optics. – 2014. – Vol. 53, Issue 27. – P. 6280-6286. – DOI: 10.1364/AO.53.006280.
  30. Усанов, Д.А. Автодинная интерферометрия расстояния с помощью полупроводникового лазера при токовой модуляции длины волны излучения / Д.А. Усанов, А.В. Скри­паль, Е.И. Астахов, И.С. Костюченко, С.Ю. Добдин // Компьютерная оптика. – 2018. – Т. 42, № 1. – С. 54-59. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-1-54-59.
  31. Астахов, Е.И. Автодинная интерферометрия расстояния при модуляции длины волны излучения полупроводникового лазера / Е.И. Астахов, Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль, С.Ю. Добдин // Известия Саратовского Университета. Серия Физика. – 2015. – Т. 15, № 3 – С. 12-18. – DOI: 10.18500/1817-3020-2015-15-3-12-18.

 

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20