Д. А. Усанов, А. В. Скрипаль, С. Ю. Добдин, М. Ю. Калинкин, Е. О. Кащавцев, Е. И. Астахов



Скачать 68.63 Kb.
Дата31.07.2016
Размер68.63 Kb.


ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ АВТОДИНЫ
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖЕНИЯ
ПРИ МИКРО- И НАНОСМЕЩЕНИЯХ

Д. А. Усанов, А. В. Скрипаль, С.Ю. Добдин, М.Ю. Калинкин,
Е.О. Кащавцев, Е. И. Астахов


Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского

E-mail: skripalav@info.sgu.ru
Для измерения параметров движения объектов при микро и наносмещениях широкое распространение получили методы, основанные на использовании эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых лазерах [1-6]. Автодинные измерительные системы, созданные на основе такого эффекта, по сравнению с интерференционными системами обладают уменьшенными габаритами, весом, низким энергопотреблением.

Система, состоящая из полупроводникового лазера и внешнего отражателя, сочетает функции генератора и детектора фазы электромагнитной волны в одном устройстве. Возвращенная внешним отражателем в резонатор лазера волна приводит к изменению концентрации носителей заряда в активной среде, а также связанному с концентрацией показателю преломления активной области. Изменение показателя преломления, в свою очередь, вызывает изменение оптической частоты генерации. В силу вышесказанного форма автодинного сигнала начинает отличаться от формы интерференционного сигнала, формируемого таким же движением отражателя в интерференционной системе с развязкой от источника излучения [7-9].

Важным параметром при проведении измерений характеристик движений объекта с использованием лазерной автодинной системы является уровень внешней оптической обратной связи. В автодинной системе режим, при котором автодинный сигнал аналогичен интерференционному, возможен при низких уровнях обратной связи. При увеличении уровня обратной связи происходит искажение автодинного сигнала в отличие от случая, когда интерференция происходит в системе, отделенной от источника сигнала развязывающим элементом. Уровень внешней оптической обратной связи оказывает существенное влияние на форму автодинного сигнала полупроводникового лазерного излучателя и, как результат, на точность определения параметров движения отражателя в автодинных системах.

Одним из преимуществ автодинной системы на полупроводниковом лазере является возможность создания систем измерения вибраций и перемещений методом, основанным на сравнении с эталоном, в качестве которого используется длина волны излучения полупроводникового лазера. В частности, таким образом измеряется величина смещения или расстояние до отражателя. Если же величина смещения существенно меньше длины волны лазерного излучения, то можно применить метод, основанный на возбуждении дополнительных колебаний с известными характеристиками [10]. Для калибровки интерференционного сигнала в автодинной системе можно использовать модуляцию длины волны излучения полупроводникового лазера, которая, в свою очередь, может быть достигнута, например, модуляцией тока питания лазера [11].

Для определение ускорения движущегося объекта при микро- и наносмещениях регистрируется автодинный сигнал, типичная форма которого приведена на рис.1. Вычисленное в результате решения обратной задачи по представленному на рис.1 автодинному сигналу среднее значение ускорения составило = 0.21510-7 м/c2.

Рис.1. Вид функции автодинного сигнала при равноускоренном движении внешнего отражателя, полученный при моделировании


Были проведены экспериментальные, изменяющимся по линейному закону. Вид экспериментальной установки для исследования движения объекта с ускорением приведен на рис.2. Объектом исследований было выбрано коммутационное электромагнитное реле типа 904.3747. Излучение полупроводникового лазера 1, стабилизированного источником тока 2, направлялось на электромагнитное реле 3, которое подключалось к генератору сигналов 4. Фиксация объекта исследования обеспечивалась механизмом 5. Часть излучения, отражённого от объекта, возвращалась в резонатор полупроводникового лазера, изменение выходной мощности которого регистрировалось фотодетектором 6. Сигнал с фотодетектора поступал через усилитель 7 на аналого-цифровой преобразователь 8. Цифровой сигнал с АЦП для последующей обработки сохраняли в памяти ЭВМ 9.

При проведении измерений на движущийся якорь реле направлялось лазерное излучение. Излучение, отраженное от поверхности якоря, регистрировалось встроенным фотодетектором. С фотодетектора сигнал через АЦП поступал на компьютер, где и сохранялся для последующей обработки.

Для измерения амплитуд нановибраций использовалась токовая модуляция лазерного излучения, позволяющая реализовать одновременные измерения на нескольких длинах волн лазера. Это открывает возможность проведения измерений амплитуд нановибраций без дополнительного механического возбуждения колебаний с микронной амплитудой в исследуемом объекте, необходимого для калибровки.




Рис.2. Внешний вид лазерной автодинной измерительной системы

Ранее токовая модуляция полупроводникового лазерного автодина использовалась нами для учета влияния уровня внешней оптической обратной связи на измеряемое значение амплитуды нановибраций, при этом использовалась предварительная калибровка автодинного сигнала, реализуемая возбуждением дополнительных механических колебаний отражателя [12].

Для определения амплитуды нановибраций отражателя при токовой модуляции полупроводникового лазера необходимо получить выражение для амплитуд спектральных составляющих автодинного сигнала. В общем случае при произвольном соотношении величин частоты модуляции лазерного излучения и частоты колебаний отражателя анализ формы автодинного сигнала затруднителен в связи с возрастанием сложности математической обработки сигнала, формируемого в такой системе. На практике возможно реализовать случай синхронизации частоты и начальной фазы колебаний отражателя с начальной фазой и частотой модуляции лазерного излучения. В этом случае решение обратной задачи о нахождении характеристик нановибраций по автодинному сигналу существенно упрощается.

В состав установки входили частотномодулированный полупроводниковый лазерный автодин на лазерном диоде RLD-650(5) на квантоворазмерных структурах с дифракционно-ограниченной одиночной пространственной модой с длиной волны 654 нм, излучение которого направлялось на объект, закрепленный на пьезокерамической пластинке, при этом диаметр пятна лазерного излучения на поверхности объекта составлял 1 мм. Модуляция длины волны излучения проводилась на частоте  = 500 Гц посредством модуляции тока питания лазера с помощью встроенного в учебную лабораторную станцию виртуальных приборов NI ELVIS генератора сигналов. Изменение тока питания лазерного диода осуществлялось путем изменения напряжения питания, подаваемого на полупроводниковую структуру от блока управления током питания. Колебания пьезокерамической пластинки осуществлялись путем подачи переменного напряжения с генератора, амплитудой 20мВ и 10мВ, что соответствует колебаниям пластинки с амплитудой около 55 нм и 30 нм, соответсвенно. Частота и начальная фаза колебаний пьезокерамической пластинки синхронизированы с частотой и начальной фазой модуляции длины волны лазерного излучения, с помощью программного обеспечения к лабораторной станции NI ELVIS, в котором выставляются параметры генерируемых сигналов.

Нами было экспериментально установлено, что эффективная модуляция тока питания лазерного диода наблюдалась при амплитуде модулирующего сигнала 20 мВ, что обеспечивало наличие в спектре автодинного сигнала 2-й и 4-й спектральных составляющих. Отметим, что лазерный диод запитывался от источника тока. Отраженное излучение направлялось в резонатор лазера, изменение мощности которого фиксировалось фотоприемником. Продетектированный и усиленный сигнал с фотоприемника, проходил через фильтр переменного сигнала и поступал на вход аналого-цифрового преобразователя (с частотой дискретизации 100 кГц), соединенного с компьютером.






а)

б)

Рис.3. Экспериментальный автодинный сигнал и его спектр:
а) частотномодулированный автодинный сигнал при колебаниях отражателя, б) спектр автодинного сигнала
При проведении измерений в пьезокерамической пластинке возбуждались с помощью генератора с частотой Гц. Зарегистрированный частотномодулированный автодинный сигнал и его спектр приведены на рис. 3. Измеренное значение амплитуды колебаний отражателя в эксперименте составило со среднеквадратичным отклонением .

Таким образом, для частотномодулированного лазерного излучения может быть решена обратная задача восстановления амплитуды нановибраций по набору спектральных составляющих сигнала, полученного при разложении автодинного сигнала в ряды по функциям Бесселя и Фурье. С помощью компьютерного моделирования и реализованной на практике измерительной схемы показано, что амплитуды вибраций пьезокерамической пластины могут определены с погрешностью менее 20%.



Библиографический список

  1. Tromborg B., Osmundsen J. H., Olesen H. Stability analysis for a semi­conduc­tor laser in an external cavity// IEEE J. Quantum Electron. 1984. Vol.QE-20. P. 1023–1032.

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

  3. Shunc 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. P. 1242–1247.

  4. Семенов А. Т. Инжекционный лазер в режиме автомодуляции// Квантовая эл-ка. 1971. №6. C. 107.

  5. Гершензон Е. М., Туманов Б. Н., Левит Б. И. Автодинные и модуля­цион­ные характеристики инжекционных полупроводниковых лазеров// Изв. ву­зов. Радиофизика. 1980. Т.23, №5. С. 535–541.

  6. Сурис Р. А., Тагер А. А. Когерентность и спектральные свойства излучения полупроводникового лазера с внешним отражателем// Квантовая электроника. 1984. Т.11, №4. C. 35–43.

  7. Unlocking dynamical diversity: Optical feedback effects on semiconductor lasers. Edited by Deborah M. Kane and K. Alan Shore ­– John Wiley & Sons Ltd, The Atrium. 2005. 333 p.

  8. Усанов Д.А., Скрипаль А.В. Измерение микро- и нановибраций и перемещений с использованием полупроводниковых лазерных автодинов // Квант. электроника, 2011. Том 41 (1). С. 86–94.

  9. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Калинкин М. Ю. Формирование автодин­но­­го сигнала в полупроводниковом лазере при движении внешнего отража­те­ля// Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 1998. Т.6, №1. С.3–9.

  10. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Измерение нанометровых вибраций полу­провод­никовым лазером на квантоворазмерных структурах, работающим в автодинном режиме// Письма в ЖТФ. 2003. № 9. С.51–57.

  11. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Авдеев К.С.. Определение расстояния до объекта с помощью частотномодулированного полупроводникового лазерного автодина // Письма в ЖТФ. 2007. Том 33. Вып 21. С. 72-77.

  12. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Кащавцев Е.О., Калинкин М.Ю. Измерение амплитуды нановибраций с помощью полупроводникового лазерного автодина с учетом влияния обратной связи // Письма в ЖТФ. 2012. Том 38, № 12. С. 81-86.




Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница