CN103337776B - 一种全光纤型激光自混合测距*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤型激光自混合测距***，其特征是以可调谐激光器通过光收集与耦合***的输出端向被测物体出射初始波长为λ、调谐频率为ν_m、调谐幅度为Δλ的激光信号，并通过光收集与耦合***的输出端接收来自被测物体的散射面的反馈光信号形成激光自混合信号；光电信号转换单元接受激光自混合信号并转换为电信号；信号处理单元利用激光自混合信号的波动频率Δν_L获得被测物体的散射面与可调谐光纤激光器的输出端面之间的距离。本发明测量精度高、工作性能稳定，应用场合广泛，特别是远距离测量。

Description

一种全光纤型激光自混合测距***

技术领域

本发明涉及目标物绝对距离的光学检测***，特别涉及一种自混合激光测距***。

背景技术

目标物绝对距离的光学检测可广泛应用于矿井采掘、电力、水利、通讯、环境、建筑、农业、林业等诸多领域。现有技术中，基于脉冲激光的飞行时间测距方法相对精度较低，灵敏度较低；外差型相位式激光测距仪***包括有参考臂和测量臂，结构相对较为复杂；基于注入电流调谐的半导体激光自混合测距技术具有结构紧凑、重量轻、体积小、可靠性高、适合现场测量等优点，逐渐得到广泛应用。

激光自混合测距原理如图4所示，干涉***由可调谐激光器和外部反射物体组成。反馈光存在的时候可以通过改变激光器腔内的载流子密度造成激光介质折射率发生变化进而调制激光器本身的频率和强度，形成自混合干涉。

令激光器前端面17与激光器后端面18之间的长度为L₀,前端面和后端面的反射系数分别为r₁和r₂，前端面到目标物体散射端面19之间的外腔长度为L_ext，外腔反射系数为r₃，激光介质的折射率为n，初始的光场为E₀，自混合干涉后的光场为E(t)，则有：

$E\left(t\right)=r_1{r}_2\exp \{-j4\mathrm{\πv}\frac{{\mathrm{nL}}_0}{c}+(g-\mathrm{\γ})L_0\}{E}_0+$    (2)

$r_1(1-r_2^2)\exp \{-j4\mathrm{\πv}\frac{{\mathrm{nL}}_0+L_{\mathrm{ext}}}{c}+(g-\mathrm{\γ})L_0\}{E}_0$

式(2)中g为激光腔内单位长度引起的线性增益,γ为激光腔内单位长度的损耗,ν为激光的振荡频率。由于激光器阈值增益被反馈光调制，激光输出功率比例于激光阈值增益，因此，激光的输出功率被反馈光调制，输出的光功率如式(3)所表达：

I=I₀[1+mcos(2πντ_L)]   (3)

式(3)中，调制系数m在工作电流一定时为比例于反馈强度的常数。为激光在内外腔传播一周的延迟时间，I₀为激光器没有外腔反馈时的激光强度。

在式(3)中，激光器的输出强度与激光器外腔长度的变化相关及反馈物的位移相关，假设所加调制引起激光器光频波动为：

I(t)=I₀+ΔI(t)   (4)

ν(t)=ν₀+Δν(t)   (5)

式(4)和式(5)中，I₀，ν₀代表无反馈和无调制下的激光器光强和光波频率，I(t)，ν(t)分别代表激光器在调制下输出激光光强和光波频率，激光强度和光波频率可由光功率计和频谱仪测定。Δν(t)为频率在调谐单元作用下随时间变化量，定义其变化幅度为Δν。其中ΔI(t)，Δν(t)由激光器的调制特性决定。

I(t)=[I₀+ΔI(t)]{1+mcos[2πν(t)τ_L]}   （6）

因此目标物散射面与激光器出射端面的距离为式（1）所示：

由式（1）可知目标物散射面与激光器出射端面的距离和自混合信号的波动频率Δν_L成线性关系，且激光器测量精度主要受调谐范围Δλ影响。

这种通过注入电流调谐半导体激光器的输出波长，进而实现测距目的主要存在以下问题：

1、由于半导体激光器注入电流的幅度受限于半导体的注入电流工作范围，从而限制了其输出波长的调谐范围，典型的电流注入型F-P型半导体激光器的调谐范围一般在10nm左右。根据测距原理，调谐范围Δλ较小，造成测量精度下降，无法实现高精度测距；

2、电流注入型半导体激光器进行调谐时，激光器工作性能不稳定，输出功率波动严重，造成输出自混合信号不稳定，影响测距效果；

3、半导体激光器典型线宽范围为2nm，一般为多纵模工作，导致激光光束的单色性和相干性差，影响了其传输和传感特性，并且远距离工作时发散角较大，直接限制激光自混合测距技术的应用场合和工作距离。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种测量精度更高、工作性能更加稳定，应用场合广泛，特别是远距离测量的全光纤型激光自混合测距***。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明全光纤型激光自混合测距***的特点是：采用一可调谐光纤激光器，与所述可调谐光纤激光器配合设置有具有光电探测器的光电信号转换单元、信号处理单元和位于所述可调谐光纤激光器的前端的光收集与耦合***；所述可调谐激光器通过光收集与耦合***的输出端向被测物体出射初始波长为λ、调谐频率为ν_m、调谐幅度为Δλ的激光信号，并通过光收集与耦合***的输出端接收来自被测物体的散射面的反馈光信号形成激光自混合信号；所述光电信号转换单元是以光电探测器接受在所述可调谐激光器中形成的激光自混合信号并转换为电信号；所述信号处理单元接收并处理来自所述光电信号转换单元的电信号，利用激光自混合信号的波动频率Δν_L，由式(1)获得被测物体的散射面与可调谐光纤激光器的输出端面之间的距离L_ext：

$L_{\mathrm{ext}}=\frac{{\mathrm{\Δv}}_L{\mathrm{\λ}}^2}{4v_m\mathrm{\Δ\λ}}---\left(1\right).$

本发明全光纤型激光自混合测距***的结构特点也在于：

设置所述可调谐光纤激光器的结构形式为：采用线形腔结构的谐振腔体，所述谐振腔体由设置在可调谐光纤激光器的前端面位置处的窄带反射镜和后端面位置处的宽带反射镜组成；由波分复用器件将泵浦单元输出的泵浦光接入谐振腔体，以所述泵浦光激发谐振腔体内的有源增益介质在所述谐振腔体内产生激光；所述波分复用器件的输出端连接耦合器的输入端；以所述耦合器的第一输出端连接所述光收集与耦合***，以所述耦合器的第二输出端连接所述光电信号转换单元；设置调谐单元为调谐功能器件，通过所述调谐单元的调谐作用使所述可调谐光纤激光器从所述耦合器的第一输出端输出调谐频率为ν_m、调谐幅度为Δλ的激光信号。

所述宽带反射镜设置为光纤环镜反射镜或介质膜光纤反射镜，所述窄带反射镜设置为具有选频功能的光纤光栅。

本发明全光纤型激光自混合测距***的结构特点还在于：

设置所述可调谐光纤激光器的结构形式为：采用环形腔结构的谐振腔体，由波分复用器件将泵浦单元输出的泵浦光接入环形腔结构的谐振腔体中，以所述泵浦光激发谐振腔体内的有源增益介质，并经过窄带反射镜在所述谐振腔体内产生激光；耦合器的输入端与所述环形腔结构的谐振腔体连接，耦合器的第一输出端连接窄带反射镜，调谐单元连接所述光收集与耦合***，耦合器的第二输出端连接所述光电信号转换单元；设置调谐单元为调谐功能器件，通过所述调谐单元的调谐作用使所述可调谐光纤激光器从所述窄带反射镜输出端输出调谐频率为ν_m、调谐幅度为Δλ的激光信号。

所述窄带反射镜设置为具有选频功能的光纤光栅，在有源光纤和耦合器之间加入一隔离器，由所述隔离器隔离反馈光控制激光在所述谐振腔体中的单向传输。

所述光收集与耦合***设置为透镜或透镜组，用于调节所述可调谐光纤激光器的出射光强和来自所述被测物体的反馈光信号光强。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明所采用可调谐光纤激光器的调谐波长的移动范围可达100nm甚至更高，相对注入电流调谐的半导体激光器具有更大的调谐范围。因此本发明***精度相对更高。

2、光纤激光器宽带调谐特性可保证光纤激光器调谐过程宽带平坦的高增益特性且输出功率稳定，因此可保证本发明全光纤型激光自混合测距***的稳定性和测距效果。

3、本发明所采用的光纤激光器输出激光线宽可达到0.02nm，相对于半导体激光器，为单纵模或少纵模输出，良好的相干特性、模式特性以及较小的光束发散角可充分应用于远距离传感测量，并且全光纤结构耦合方式简单、结构紧凑，可满足特殊距离测量场合的应用需求。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中线形腔结构可调谐光纤激光器结构示意图；

图3为本发明中环形腔结构可调谐光纤激光器结构示意图；

图4为自混合干涉***示意图；

图中标号：1可调谐光纤激光器、2光电信号转换单元、3信号处理单元、4光收集与耦合***、5被测物体、6泵浦单元、7调谐单元、8宽带反射镜、9窄带反射镜、10波分复用器件、11有源增益介质、12耦合器；13第一输出端；14第二输出端、15隔离器、16激光器输出端口、17激光器前端面、18激光器后端面、19目标物体散射端面。

具体实施方式

参见图1，本实施例中全光纤型激光自混合测距***是采用一可调谐光纤激光器1，与可调谐光纤激光器1配合设置有具有光电探测器的光电信号转换单元2、信号处理单元3和位于可调谐光纤激光器1的前端的光收集与耦合***4；可调谐激光器1通过光收集与耦合***4的输出端向被测物体5出射初始波长为λ、调谐频率为ν_m、调谐幅度为Δλ的激光信号，并通过光收集与耦合***4的输出端接收来自被测物体5的散射面的反馈光信号形成激光自混合信号；光电信号转换单元2是以光电探测器接受在可调谐激光器1中形成的激光自混合信号并转换为电信号；信号处理单元3接收并处理来自光电信号转换单元2的电信号，利用激光自混合信号的波动频率Δν_L，由式(1)获得被测物体5的散射面与可调谐光纤激光器1的输出端面之间的距离L_ext：

$L_{\mathrm{ext}}=\frac{{\mathrm{\Δv}}_L{\mathrm{\λ}}^2}{4v_m\mathrm{\Δ\λ}}---\left(1\right)$

具体实施中，信号处理单元3常规设置有放大、滤波和解调部分；光收集与耦合***4设置为透镜或透镜组，用于调节可调谐光纤激光器1的出射光强和来自被测物体5的反馈光信号光强。

如图2所示，设置可调谐光纤激光器1的结构形式为：采用线形腔结构的谐振腔体，谐振腔体由设置在可调谐光纤激光器1的前端面位置处的窄带反射镜9和后端面位置处的宽带反射镜8组成；由波分复用器件10将泵浦单元6输出的泵浦光接入谐振腔体，以泵浦光激发谐振腔体内的有源增益介质11在谐振腔体内产生激光；波分复用器件10的输出端连接耦合器12的输入端；以耦合器12的第一输出端13连接光收集与耦合***4，以耦合器12的第二输出端14连接光电信号转换单元2；设置调谐单元7为调谐功能器件，如压电陶瓷等，通过调谐单元7的调谐作用使可调谐光纤激光器1从耦合器12的第一输出端13输出调谐频率为ν_m、调谐幅度为Δλ的激光信号。

在这一技术方案中，宽带反射镜8可以设置为光纤环镜反射镜或介质膜光纤反射镜，窄带反射镜9设置为具有选频功能的光纤光栅。

如图3所示，设置可调谐光纤激光器1的结构形式为：采用环形腔结构的谐振腔体，由波分复用器件10将泵浦单元6输出的泵浦光接入环形腔结构的谐振腔体中，以泵浦光激发谐振腔体内的有源增益介质11，并经过窄带反射镜9在谐振腔体内产生激光；耦合器12的输入端与环形腔结构的谐振腔体连接，耦合器12的第一输出端13连接窄带反射镜9，调谐单元7连接光收集与耦合***4，耦合器12的第二输出端14连接光电信号转换单元2；设置调谐单元7为调谐功能器件，如压电陶瓷等，通过调谐单元7的调谐作用使可调谐光纤激光器1从窄带反射镜9输出端16输出调谐频率为ν_m、调谐幅度为Δλ的激光信号。

窄带反射镜9设置为具有选频功能的光纤光栅，在有源光纤11和耦合器12之间加入一隔离器15，由隔离器15隔离反馈光控制激光在谐振腔体中的单向传输。

具体实施中，将光纤光栅缠绕在受周期性信号驱动的压电陶瓷上，压电陶瓷导致光纤光栅产生拉伸或收缩，从而光栅常数发生周期性变化，实现可调谐激光器输出激光波长的周期性变化。可在激光器谐振腔内加入偏振控制器，控制激光的偏振状态以消除光纤双折射带来的影响，保证输出激光稳定。

周期性信号如三角波信号作用于压电陶瓷，在压电陶瓷作用下光纤光栅发生应变，根据：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{FBG}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBG}}}=(1-P)\mathrm{\Δ\ϵ}---\left(8\right)$

式（8）中，λ_FBG为光栅反射中心波长，Δλ_FBG为光栅反射中心波长改变量，P为有效弹光系数，Δε为轴向应变的改变量。当施加力为拉力时，光栅常数增大，光栅反射中心波长往长波方向移动；反之，朝短波方向移动，从而实现波长可调谐的输出。

Claims (6)

1.一种全光纤型激光自混合测距***，其特征是采用一可调谐光纤激光器(1)，与所述可调谐光纤激光器(1)配合设置有具有光电探测器的光电信号转换单元(2)、信号处理单元(3)和位于所述可调谐光纤激光器(1)的前端的光收集与耦合***(4)；所述可调谐激光器(1)通过光收集与耦合***(4)的输出端向被测物体(5)出射初始波长为λ、调谐频率为ν_m、调谐幅度为Δλ的激光信号，并通过光收集与耦合***(4)的输出端接收来自被测物体(5)的散射面的反馈光信号形成激光自混合信号；所述光电信号转换单元(2)是以光电探测器接受在所述可调谐激光器(1)中形成的激光自混合信号并转换为电信号；所述信号处理单元(3)接收并处理来自所述光电信号转换单元(2)的电信号，利用激光自混合信号的波动频率Δν_L，由式(1)获得被测物体(5)的散射面与可调谐光纤激光器(1)的输出端面之间的距离L_ext：

$L_{\mathrm{ext}}=\frac{\mathrm{\Δ}{v}_L{\mathrm{\λ}}^2}{4v_m\mathrm{\Δ\λ}}---\left(1\right).$

2.根据权利要求1所述的全光纤型激光自混合测距***，其特征是：设置所述可调谐光纤激光器(1)的结构形式为：采用线形腔结构的谐振腔体，所述谐振腔体由设置在可调谐光纤激光器(1)的前端面位置处的窄带反射镜(9)和后端面位置处的宽带反射镜(8)组成；由波分复用器件(10)将泵浦单元(6)输出的泵浦光接入谐振腔体，以所述泵浦光激发谐振腔体内的有源增益介质在所述谐振腔体内产生激光；所述波分复用器件(10)的输出端连接耦合器(12)的输入端；以所述耦合器(12)的第一输出端(13)连接所述光收集与耦合***(4)，以所述耦合器(12)的第二输出端(14)连接所述光电信号转换单元(2)；设置调谐单元(7)为调谐功能器件，通过所述调谐单元(7)的调谐作用使所述可调谐光纤激光器(1)从所述耦合器(12)的第一输出端(13)输出调谐频率为ν_m、调谐幅度为Δλ的激光信号。

3.根据权利要求2所述的全光纤型激光自混合测距***，其特征是：所述宽带反射镜(8)设置为光纤环镜反射镜或介质膜光纤反射镜，所述窄带反射镜(9)设置为具有选频功能的光纤光栅。

4.根据权利要求1所述的全光纤型激光自混合测距***，其特征是：设置所述可调谐光纤激光器(1)的结构形式为：采用环形腔结构的谐振腔体，由波分复用器件(10)将泵浦单元(6)输出的泵浦光接入环形腔结构的谐振腔体中，以所述泵浦光激发谐振腔体内的有源增益介质，并经过窄带反射镜(9)在所述谐振腔体内产生激光；耦合器(12)的输入端与所述环形腔结构的谐振腔体连接，耦合器(12)的第一输出端(13)连接窄带反射镜(9)，调谐单元(7)连接所述光收集与耦合***(4)，耦合器(12)的第二输出端(14)连接所述光电信号转换单元(2)；设置调谐单元(7)为调谐功能器件，通过所述调谐单元(7)的调谐作用使所述可调谐光纤激光器(1)从所述窄带反射镜(9)输出端(16)输出调谐频率为ν_m、调谐幅度为Δλ的激光信号。

5.根据权利要求4所述的全光纤型激光自混合测距***，其特征是：所述窄带反射镜(9)设置为具有选频功能的光纤光栅，在有源光纤(11)和耦合器(12)之间加入一隔离器(15)，由所述隔离器(15)隔离反馈光控制激光在所述谐振腔体中的单向传输。

6.根据权利要求1所述的全光纤型激光自混合测距***，其特征是所述光收集与耦合***(4)设置为透镜或透镜组，用于调节所述可调谐光纤激光器(1)的出射光强和来自所述被测物体(5)的反馈光信号光强。