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【激光技术】基于多外腔光反馈的半导体激光器自混合效应研究
杨明伟 2015-10-22
导语

在激光系统应用中存在一个普遍却又极为重要的现象:光反馈。所谓光反馈现象是指激光器输出光被外部物体反射或散射后,其中一部分光又反馈回激光器谐振腔的现象。由于光反馈会严重影响激光器输出特性,对于以激光器作为光源的应用系统而言, 起初研究人员关注的是如何消除光反馈引起的光噪声、谱线展宽和相干猝灭等不利影响。随着研究的深入,人们发现激光反馈又具有特殊性能,携带了外部物体的信息,于是开始主动研究如何利用光反馈效应。激光自混合干涉正是基于这一思想产生的一种新的测量方法。

激光自混合干涉是指激光器的输出光被外部物体反射或散射后,其中一部分光又反馈回激光器谐振腔,反馈光携带外部物体信息,与谐振腔内光模式相混合后,调制激光器的输出功率和频率,形成外光反馈效应。因输出信号与传统的双光束干涉信号有相似之处,故被称为激光自混合干涉,也被称为激光反馈干涉。其基本原理如图1所示,图中M1和M2组成了激光器谐振腔;M3是位于谐振腔外的反射表面,称为反馈镜,它与M2一起构成回馈外腔;D为光电探测器。反馈镜M3的纵向运动或由腔内媒介折射率系数的变化引起外腔光路长度的变化,可通过监控并用于光传感方面,例如位移、速度测量、测距等等[1]

图1 激光自混合干涉的原理示意图

有着“计量之王”美誉的传统激光干涉仪相比,基于激光反馈的自混合干涉法具有相同的相位灵敏度, 而且其具有自身独特的特点,首先,自混合干涉法只有一个干涉通道,结构简单、紧凑,而传统的激光干涉仪需要参考臂和测量臂两个干涉通道,结构复杂;其次,自混合干涉法不依赖于光源的相干长度,像普通的二氧化碳激光器和半导体激光器也可以作为自混合干涉的光源,而传统的激光干涉仪则要求为相干光源;再次,自混合干涉法准直容易,操作简单,价格便宜,而传统的激光干涉仪准直困难,价格昂贵。这些优点决定了自混合干涉法比传统的激光干涉仪具有更高的性价比,同时也是实现大量程、非接触干涉测量的最佳方案[1]。

正是由于这些独特的优点,自混合干涉测量技术越来越得到国内外学者的关注,使自混合干涉测量系统得到迅速应用,在很多应用场合取代了传统的、复杂的干涉系统而逐渐形成一个崭新的有深远应用前景的研究领域。

1.2 激光自混合干涉的国内外研究现状

1963 King[2]首次报道了由于光反馈效应导致的激光器功率的变化类似于传统的双光束干涉现象。实验发现外部反射镜每移动半个光波波长的位移激光功率变化一个条纹功率波动深度与传统双光束干涉系统相当,这也奠定了基于光反馈效应的激光自混合干涉方法的研究基础。由此, 国内外研究人员开始探讨该现象产生的物理本质及有效地利用这种现象进行物理量测量的方法。

A、自混合干涉的机理研究

为深入了解激光自混合干涉现象的原理人们在丰富的实验现象研究的基础上提出了相应的理论模型对各类现象进行了分析和解释。国外从事该方面的研究较早,文献[3-12]陆续对自混合干涉现象研究的最新成果进行了报道,各个阶段的成果体现了人们对这一现象认识的不断深入过程。

(1)1980年,Lang和Kobayashi的研究工作奠定了自混合干涉理论的研究基础[3]。其利用复合腔模型,考虑反馈因素的影响,修正了激光速率方程,研究了半导体激光器的动态特性。该研究成果后来被众多学者借鉴引用,为半导体激光器自混合干涉的机理研究作出了相当大的贡献。

(2)1987年,Shimizu使用自混合干涉仪进行多普勒速度测量时,发现较强光反馈时,激光器输出强度信号为类锯齿波信号,且其倾斜方向与多普勒速度方向有关[4]。类锯齿波干涉条纹现象说明自混合干涉与传统干涉存在着本质差别。这一现象引发了研究者从光反馈的角度深入探究自混合干涉的机理,1988年Groot对锯齿波干涉信号产生机理进行了分析和解释[5],提出用三镜法布里-珀罗(F-P)腔模型结构来等效自混合干涉系统,该模型分析结果与实验结果相吻合。因此,可以说三镜F-P腔模型的产生使自混合干涉机理的探讨摆脱了传统的光干涉理论。

1994年,wang[6-7]等依据法布里-泊罗(F-P)腔模型的稳态激发条件,认为激光器增益的变化引起光强的波动;同时谱的变化决定了信号波形形状及干涉的相干特性。这一结论很好地解释了现存的自混合干涉现象,但较多的是定性说明,缺乏严格的数学表述,且仍有部分实验现象不能被其理论解释。

(3)1990年,Groot采用多模半导体激光器探讨了自混合效应,首次分析了双模半导体激光器强度波动原理,为多模激光自混合干涉的研究打下了基础[8]。

(5)1992年,Koelink首次引入了光纤,提出了光纤自混合干涉激光多普勒测速系统,建立了功率波动的理论基础[9],并得出了数值的分析。

(6)1995年,Smith[10]将注入锁定理论用于自混合现象的解释。认为自混合干涉系统中,反馈光通过一个类似注入锁定的过程,把外反射物体的运动信息映射到激光的幅值和相位上。该结论仅适用于弱光反馈。尽管这种方法有别于其他的研究方法,带来了新的研究思路,进一步丰富了研究方法,但并没有使自混合干涉机理研究获得质的飞跃。

(7)2005年,Guy Plantier对自混合干涉系统中光源LD的行为模式进行了分析,给出给出了不同光反馈程度下的行为模型[11],为寻求更好的干涉信号处理方法提供了新思路。

尽管国际上对于这个领域的研究是由来已久,且很多国家都已将这一现象从实验室阶段推向了实际应用。但在我国相关研究起步较晚,最早只有哈尔滨工业大学强锡富教授课题组从1996年开始涉足该领域。国内学者在激光自混合干涉的机理方面研究相对较少,但经过近年来的努力,也形成了有特色的研究方向。

1999年,孙晓明教授利用双镜等效模型对自混合干涉效应进行了详细的理论分析给出干涉信号的理论模型明确阐述了信号不对称性及方向性形成的机理[12]。

清华大学张书练教授研究组深入开展了He-Ne激光自混合干涉的模式研究[13]。对无频率分裂He-Ne激光器,首次发现并分析了激光在自混合干涉效应中的单模变三模现象[14];特别是近年来开展了正交偏振双频氦氖激光器光反馈现象的机理研究,提出了在光反馈存在的情况下稳定激光器频率的方法,并研制了稳频的反馈位移测量系统[15-16]。

禹延光教授在哈尔滨工业大学师从强锡富教授攻读博士期间在天津大学与姚健铨院士合作作博士后期间和在郑州大学工作中一直进行激光自混合干涉的研究。其所在的课题组先后研究了多重光反馈以及多模激光器的自混合干涉理论,并提出和解决了含预反馈的激光自混合干涉型位移测量结构[17-20],利用这种结构可以实现在弱反馈条件下也能得到类锯齿波,进行判向。特别是2009年,禹延光教授首次研究了单模激光器在反馈因子C>4.6的跳模规律,提出了拓展强反馈应用测量的可能性[21]。

南京师范大学的王鸣教授课题组对半导体激光回馈干涉信号的调制解调方法进行了研究。为了得到更高的测量分辨率,将高精度的相位测量方法引入回馈干涉信号的分析提出了注入电流调制法外腔长度调制法外腔相位调制法等方法。近年来,该组率先开展了分布反馈(DFB)激光器及光纤激光器的自混合效应机理研究,并取得了很多成果[22-25]。此外,四川大学的胡险峰博士也发表多篇文章阐述对自混合干涉机理认识的新成果[26-29]。


B、激光自混合干涉测量的应用研究

自从激光自混合效应被发现以来由于激光自混合干涉系统具有结构简单、紧凑、易准直和造价低等优点人们一直致力于研究如何将它应用到精密测量中。基于激光反馈效应的自混合干涉测量方法应用于测量领域可认为是从20世纪80年代开始的,主要分为两大领域:一是对待测物体的度量,最初构成激光多普勒速度测量仪和散斑测速系统[31-32],逐渐又进行了对距离、位移等的测量研究[33-34],并不断扩展测量领域,如振动测量、形貌测量、光学器件或光学系统的特性测试、探伤研究、模具谱分析等[35-37];二是对激光器物理量的估算[30],这主要是基于自混合干涉效应与激光器光谱线宽和线宽展宽因子之间的影响。如测量LD的线宽[38],测量LD的线宽增益因子和光反馈水平因子[39];测量可调谐激光器的波长/频率调制灵敏度等[40]。

目前,在应用研究方面,国外主要有意大利、日本、法国、英国、美国等几个代表性研究小组。意大利Pavia大学以S.Donati为代表的研究的小组,早在1975年就开始研究激光反馈干涉仪。近年来该小组连续报道了其研究成果,为自混合干涉位移测量技术的发展作出了巨大的贡献;法国的以T.Bosch和N.Servagent等人为代表的研究小组,自1996年开始研究自混合干涉技术,在位移、距离测量技术及其应用方面做了很多有价值的工作;日本Shizuoka大学以S.Shinohara为代表的研究小组,较大程度拓展了自混合干涉技术的应用范围,为自混合干涉理论转化为应用技术做了较大的贡献。

国内学者在自混合干涉领域的研究与国外相比,起步晚,成果相对较少。早期,哈尔滨工业大学以强锡富教授为代表的研究组开展了相关研究;目前已形成的研究小组主要有:天津大学以姚建铨院士为代表的研究小组;清华大学以张书练教授为代表的研究组;南京师范大学以王鸣教授为代表的研究组;郑州大学以禹延光教授为代表的研究组等。近年来,各研究组深入研究,已逐步形成各自的研究特色,不断报道了相应的研究成果,具有较大的理论意义和应用价值。

根据查阅有关自混合干涉方面的文献,形成以下观点:

其一,自观察到自混合干涉的类锯齿现象曲线上的锯齿倾斜方向和反射面移动方向有关国内外的学者力图使用类锯齿现象来解决激光自混合干涉仪测量位移方向的判断问题。但这存在一个很大的问题是锯齿波只有在中等以上反馈水平才发生即要求被测面必须有中等以上反射率这就限制了激光反馈的应用范围。因此,如能实现自混合输出可控,在弱反馈时也能产生类锯齿波,这对于自混合系统的柔性设计,降低噪声,提高测试量程具有重要的理论和实用价值。而以往关于自混合干涉的研究大多是利用基本的自混合干涉结构问题集中在如何选择激光注入电流的调制方式、如何确定注入激励的大小、如何改善干涉信号处理电路、能进行何种量的测量等问题上,可以说这些考虑都是从被动控制的角度去解决问题。

基于主动控制这一思路,可以在单腔外光反馈的研究基础上,开展基于多外腔光反馈的自混合干涉方法的研究,其思想就是在激光器外形成两个或多个可调谐外腔为研究方便,初步假设存在2个外腔,其中一个作为测量用,另一个为调整用,通过两个外腔光反馈的共同作用,实现半导体激光器输出特性的主动动态控制,得到预期的输出波形。

其二,从文献调研来看,国内外从事激光反馈的研究人员关注较多的是三类问题,一类问题是通过研究激光反馈效应来实现消除其影响;一类问题是利用光反馈效应实现外腔激光器,以压窄线宽、稳定波长、抑制噪声等;还有一类是研究利用激光反馈产生的复杂非线性现象实现混沌通信、光控制等。

尽管从学术研究来说,激光自混合干涉测量已经成为一个独立的分支。但考虑到自混合干涉问题起源于光反馈效应,两者之间既有联系,又有区别,如果能将光反馈效应的研究结果与自混合干涉相结合,将会进一步推动自混合干涉理论的发展。此外,人们对光反馈的研究中,把激光输出光束看成一个整体总是把全部频率一起反馈回激光器,这就意味着反馈现象不区分纵模多少及其间隔大小不区别激光输出的偏振状态不顾及激光频率之间的竞争,因此考虑频率选择的反馈模式或不同的偏振模式都是非常有益的思路。

基于以上想法,可以探索采用相位共轭光反馈和光纤光栅光反馈的新型半导体激光器自混合干涉机理这些探索对于自混合干涉机理的拓展都是有益的补充。

其三,现有传感应用已由弱光反馈水平发展到适度光(较强光反馈水平,即C的典型值是在0.1到4.6的范围内,但由于强反馈时系统已进入多稳态,一般认为已不适合应用,所以关于强光反馈的传感应用还少见报道。

引起我们关注的是文献[12]所报道的结果。在该报道中,禹延光教授对强反馈时单模激光器的自混合输出特性进行了研究,首次提出了不同反馈因子对应的模式跳变的规则。之所以对禹延光教授的结果感兴趣是因为,考虑到能否利用该规则来实现强反馈的传感应用,这对于拓展自混合干涉的机理和应用研究都有极其重要的意义

基于以上考虑,考虑从光反馈效应作为研究内容的主要切入点,拟应用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法重点对多外腔光反馈的半导体激光器自混合干涉输出特性展开深入研究,并开展基于共轭光反馈、光纤光栅光反馈新反馈形式的自混合效应的研究。旨在揭示多外腔光反馈的半导体激光器自混合干涉输出的各类静态、动态行为和这些现象的内在物理成因,以预测其输出特性,控制输出动态。

对这些问题的深入探讨对于理解多外腔光反馈半导体激光器的物理特性、拓展半导体激光器自混合干涉应用领域乃至非线性动力学理论的发展具有重要科学价值。此外,相关结果可以拓展到其他类型激光器的自混合干涉机理研究中。同时,从哲学的角度讲,理论和实践之间是相互促进形成一个实践—理论—实践—理论的螺旋前进的过程,通过对自混合干涉效应的相关机理的深入研究,也必将指导和推动自混合干涉测量技术的发展,使其更好地服务于国民经济的发展。作为实现大量程、无导轨、非接触干涉测量的最佳方案,可以预见自混合干涉测量技术具有广阔的应用前景。

(参考文献略)


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  • 自混合干涉
  • 回馈效应
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文章评论(1)
杨明伟[北京航空航天大学]

希望大家都能发一些半科普的专业文章!

1186天前 | 回复
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作者 杨明伟

教师

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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