RU2102705C1 - Displacement measuring device based on semiconductor injection laser with external optical feedback - Google Patents

Abstract

FIELD: optical measurements. SUBSTANCE: device has optical head consisting of injection laser, photodiode, microscope objective and controlled filter. In addition, device has control unit which includes regulator of laser current and temperature, triangle-voltage generator, photocurrent-to-voltage converter, selective amplifier, and indicator. Use is also made of pulse phase detector, comparator and reversible counter. EFFECT: higher measurement results. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к интерферометрам перемещений. Устройство основано на эффекте внешней оптической обратной связи в полупроводниковом инжекционном лазере. Устройство может применяться для измерения перемещения объектов со слабоотражающей, зеркальной или диффузной поверхностью. The invention relates to the field of optical measurements, namely to displacement interferometers. The device is based on the effect of external optical feedback in a semiconductor injection laser. The device can be used to measure the movement of objects with a weakly reflective, mirror or diffuse surface.

Известны устройства для измерения расстояния и перемещения на основе эффекта внешней оптической обратной связи в полупроводниковом инжекционном лазере (G. Beheim and K. Fritsch "Range finding using frequency-modulated laser diode." Appl. Opt. v. 25, N 9, 1986, 1439 1442; P.J. de Groot "Ranging and velocimetry signal generation in a backscatter-modulated laser diode". Appl. Opt. v. 27, N 21, 1988, 4475 4480; Ву Ван Лык, П.Г. Елисеев, М.А. Манько, М.В. Цоцория "Оптический и электрический отклики в InGaAsP/InP-лазерах и усилителях на внешнюю обратную связь и их применение." Труды ФИАН, т. 216, 1992, 144 172). Known devices for measuring distance and displacement based on the effect of external optical feedback in a semiconductor injection laser (G. Beheim and K. Fritsch "Range finding using frequency-modulated laser diode." Appl. Opt. V. 25, N 9, 1986, 1439 1442; PJ de Groot "Ranging and velocimetry signal generation in a backscatter-modulated laser diode". Appl. Opt. V. 27, N 21, 1988, 4475 4480; Wu Van Lyk, P.G. Eliseev, M.A. Manko, MV Tsotsoriya "Optical and electrical responses in InGaAsP / InP lasers and amplifiers to external feedback and their application." Proceedings of the Lebedev Physical Institute, vol. 216, 1992, 144 172).

Такие устройства используют интерференцию излучения, отраженного от собственного зеркала инжекционного лазера и от внешнего объекта (мишени). В результате интерференции оптическая мощность становится периодической функцией расстояния до мишени и длины волны излучения. При изменении длины волны излучения и/или изменении расстояния до мишени наблюдаются биения выходной мощности. Such devices use the interference of radiation reflected from the intrinsic mirror of the injection laser and from an external object (target). As a result of interference, the optical power becomes a periodic function of the distance to the target and the radiation wavelength. When the radiation wavelength changes and / or the distance to the target changes, the output power beats.

Наиболее ранним аналогом устройства является лазерный гидрофон [T.J. Cialorenzy, A.Dandrige "An external cevity diode laser sensor", J. Light-wave Technol. 1, 1, 1983] Схема гидрофона содержит оптическую головку, состоящую из фотодиода, инжекционного лазера и металлической мембраны; и управляющий блок, состоящий из стабилизаторов тока и температуры лазера, преобразователя фототока в напряжение и устройства индикации. Металлическая мембрана помещена перед передней гранью лазера, изменение ее положения модулирует фазу света, возвращающегося обратно в лазер. В результате интерференции изменяется мощность, излучаемая лазером. Изменение оптической мощности регистрируется фотодиодом с задней грани лазера. Измерения вибрации мембраны производятся по изменению мощности в диапазоне однозначного определения фазы биений (-π/4, +π/4), что составляет λ/4 ≈ 0,2 мкм.
Прототипом описываемого устройства является активный интерферометр [Toshihiko Yoshino, M.Nara, Sergay Mnatzakanian, "Laser diode feedback interferometer for stabilization and displacement measurements", Appl. Opt. vol. 26, 5, 1987] Он содержит оптическую головку, состоящую из фотодиода, инжекционного лазера, микрообъектива и регулируемого фильтра; и управляющий блок, состоящий из стабилизаторов тока и температуры лазера, генератора треугольного напряжения, преобразователя фототока в напряжение, селективного усилителя, аналогового детектора фазы биений и устройства индикации. В интерферометре излучение лазера фокусируется на поверхность исследуемого объекта, часть отраженного света возвращается обратно в активную область лазера. В результате интерференции в выходной мощности возникают биения, которые регистрируются фотодиодом с задней грани лазера. Фильтр служит для ослабления излучения, возвращающегося в лазер. Сигнал биений выделяется с помощью селективного усилителя, а затем вместе с треугольным сигналом, модулирующим ток накачки лазера, подается на вход аналогового детектора фазы биений, который вырабатывает напряжение, пропорциональное изменению фазы биений. Это напряжение используется для управления током лазера, а следовательно, и длиной волны излучения. В результате, изменения фазы биений, возникающие из-за перемещения мишени, компенсируются изменением длины волны излучения. Перемещение мишени определяется по сигналу обратной связи. По сравнению с лазерным гидрофоном диапазон измерений увеличивается до 10 мкм, точность уменьшается до 0,05 мкм.The earliest equivalent of the device is a laser hydrophone [TJ Cialorenzy, A.Dandrige "An external cevity diode laser sensor", J. Light-wave Technol. 1, 1, 1983] The hydrophone circuit includes an optical head consisting of a photodiode, an injection laser and a metal membrane; and a control unit consisting of current and temperature stabilizers of the laser, a photocurrent to voltage converter, and indication devices. A metal membrane is placed in front of the front face of the laser; changing its position modulates the phase of the light returning back to the laser. As a result of interference, the power emitted by the laser changes. The change in optical power is detected by a photodiode from the back of the laser. Membrane vibration measurements are made by changing the power in the range of unambiguous determination of the beat phase (-π / 4, + π / 4), which is λ / 4 ≈ 0.2 μm.
The prototype of the described device is an active interferometer [Toshihiko Yoshino, M. Nara, Sergay Mnatzakanian, "Laser diode feedback interferometer for stabilization and displacement measurements", Appl. Opt. vol. 26, 5, 1987] It contains an optical head consisting of a photodiode, an injection laser, a micro lens and an adjustable filter; and a control unit consisting of stabilizers of current and temperature of the laser, a triangular voltage generator, a photocurrent to voltage converter, a selective amplifier, an analog beating phase detector, and an indication device. In the interferometer, the laser radiation focuses on the surface of the object under study, part of the reflected light returns back to the active region of the laser. As a result of interference, beats appear in the output power, which are detected by a photodiode from the rear edge of the laser. The filter serves to attenuate the radiation returning to the laser. The beat signal is extracted using a selective amplifier, and then, together with a triangular signal modulating the laser pump current, it is fed to the input of an analog beat phase detector, which generates a voltage proportional to the change in the beat phase. This voltage is used to control the laser current, and therefore the radiation wavelength. As a result, changes in the beat phase resulting from the movement of the target are compensated by a change in the radiation wavelength. The movement of the target is determined by the feedback signal. Compared with the laser hydrophone, the measurement range increases to 10 μm, the accuracy decreases to 0.05 μm.

Указанные методы измерений обеспечивают высокую точность, но в ограниченном диапазоне измерений. Однако, существуют задачи, в которых требуется больший диапазон измерений при меньшей абсолютной точности. These measurement methods provide high accuracy, but in a limited measurement range. However, there are tasks in which a larger measurement range is required with less absolute accuracy.

Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона измеряемых перемещений устройства на основе полупроводникового инжекционного лазера с внешней оптической обратной связью. The objective of the present invention is to expand the range of measured movements of a device based on a semiconductor injection laser with external optical feedback.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для измерения перемещений на основе полупроводникового инжекционного лазера с внешней оптической обратной связью, содержащем оптическую головку, состоящую из фотодиода, инжекционного лазера, микрообъектива и регулируемого фильтра; и управляющий блок, состоящий из стабилизаторов тока и температуры лазера, генератора треугольного напряжения, преобразователя фототока в напряжение, селективного усилителя и устройства индикации; использован импульсный детектор фазы биений и дополнительно включены компаратор и реверсивный счетчик. The problem is solved due to the fact that in the device for measuring displacements based on a semiconductor injection laser with external optical feedback, containing an optical head consisting of a photodiode, an injection laser, a micro lens and an adjustable filter; and a control unit consisting of stabilizers of current and temperature of the laser, a triangular voltage generator, a photocurrent to voltage converter, a selective amplifier and an indication device; a pulse detector of the beat phase was used and an additional comparator and a reversible counter were included.

Схема устройства показана на фиг.1. Устройство для измерения перемещений содержит оптическую головку и управляющий блок. Оптическая головка состоит из фотодиода 1, инжекционного лазера 2, микрообъектива 3 и регулируемого фильтра 4. Управляющий блок состоит из преобразователя фототока в напряжение 6, селективного усилителя 7, компаратора 8, стабилизаторов тока и температуры лазера 9, генератора треугольного напряжения и тактовых импульсов 10, импульсного детектора фазы биений 11, устройства индикации 12 и реверсивного счетчика 14. The device diagram is shown in figure 1. A device for measuring displacements comprises an optical head and a control unit. The optical head consists of a photodiode 1, an injection laser 2, a micro lens 3 and an adjustable filter 4. The control unit consists of a photocurrent to voltage converter 6, a selective amplifier 7, a comparator 8, current and temperature stabilizers of the laser 9, a triangular voltage generator and clock pulses 10, pulse detector phase beat 11, the display device 12 and a reversible counter 14.

Устройство работает следующим образом. Ток накачки и температура инжекционного лазера (ИЛПН-780) 2 поддерживаются постоянными при помощи стабилизаторов тока и температуры лазера 9. Длина волны излучения инжекционного лазера модулируется введением треугольного сигнала от генератора 10 в ток накачки. Излучение инжекционного лазера фокусируется микрообъективом 3 (f 20 мм, NA 0,2) на поверхность мишени 5. Расстояние между головкой и мишенью составляет от 0,1 до 1 м и не должно превышать половины длины когерентности излучения лазера. Фильтр 4 служит для ослабления излучения, возвращающегося обратно в активную область инжекционного лазера, что обеспечивает режим устойчивой генерации одной продольной моды лазера. Из-за модуляции тока накачки излучение, возвращающееся в лазер, отличается по частоте от излучения, генерируемого лазером в данный момент. В результате их интерференции в выходной мощности инжекционного лазера возникают биения. В приближении слабой обратной связи биения выходной мощности можно описать выражением:

где P₀ постоянная составляющая, ΔP и Δν амплитуды модуляции мощности и частоты из-за модуляции тока накачки треугольным сигналом a(t), dP амплитуда биений, L расстояние до мишени, l_o длина волны излучения в отсутствии модуляции тока накачки, c скорость света.The device operates as follows. The pump current and temperature of the injection laser (ILPN-780) 2 are kept constant by stabilizing the current and temperature of the laser 9. The radiation wavelength of the injection laser is modulated by introducing a triangular signal from the generator 10 into the pump current. The radiation from the injection laser is focused by a micro lens 3 (f 20 mm, NA 0.2) onto the surface of the target 5. The distance between the head and the target is from 0.1 to 1 m and should not exceed half the coherence length of the laser radiation. Filter 4 serves to attenuate the radiation returning back to the active region of the injection laser, which ensures the regime of stable generation of one longitudinal laser mode. Due to the modulation of the pump current, the radiation returning to the laser differs in frequency from the radiation currently generated by the laser. As a result of their interference, beats occur in the output power of the injection laser. In the weak feedback approximation, the beats of the output power can be described by the expression:

where P _{0 is the} constant component, ΔP and Δν are the amplitudes of the power and frequency modulation due to the modulation of the pump current by the triangular signal a (t), dP is the beat amplitude, L is the distance to the target, l _o is the radiation wavelength in the absence of the pump current modulation, c is the speed of light .

Первое слагаемое под знаком косинуса определяет фазу, а второе частоту биений. В устройстве для определения перемещения объекта используется изменение фазы биений ΔФ относительно начальной фазы A_o:ΔФ = 4π•ΔL/λ_o, где ΔL
перемещение мишени. Биения выходной мощности преобразуются в сигнал биений 1 (фиг. 2) с помощью фотодиода 1 и преобразователя фототока в напряжение 6. Сигнал биений подается на вход селективного усилителя 7 для выделения полезной части. Усиленный сигнал 2 (фиг. 2) подается на инвертирующий вход компаратора 8, на неинвертирующий вход подается нулевой потенциал. Компаратор служит для преобразования аналогового сигнала в импульсный сигнал 3 (фиг.2), подаваемый на вход схемы импульсного детектора фазы биений 11.The first term under the cosine sign determines the phase, and the second beat frequency. In the device for determining the displacement of an object, a change in the beat phase ΔФ relative to the initial phase A _{o is used} : ΔФ = 4π • ΔL / λ _o , where ΔL
moving the target. The beat of the output power is converted into a beat signal 1 (Fig. 2) using a photodiode 1 and a photocurrent to voltage converter 6. The beat signal is fed to the input of a selective amplifier 7 to isolate the useful part. The amplified signal 2 (Fig. 2) is fed to the inverting input of the comparator 8, and a zero potential is applied to the non-inverting input. The comparator is used to convert an analog signal into a pulse signal 3 (figure 2), supplied to the input circuit of a pulse detector phase beat 11.

Принципиальная схема импульсного детектора фазы биений показана на фиг. 3. Детектор выполнен на элементах D1 KP1533ТМ2; D2,3,4,7 KP1533ЛА3; D5,6 - KP1533ЛП5. Сигнал биений 3 (фиг.2) подается на D-вход детектора. Генератор 10 синхронно с сигналом модуляции тока накачки лазера вырабатывает два тактовых импульса 4 и 5 (фиг.2), которые подаются на входы C1 и C2 детектора. Фронт первого тактового импульса задержан относительно второго на время приблизительно равное одной пятой периода биений. Синхронно с сигналом модуляции тока накачки инжекционного лазера по фронту тактовых импульсов в триггеры D1.1 и D1.2 записывается состояние фазы сигнала биений. Когда состояние фазы сигнала биений изменяется, элементы D2.1 D2.4 формируют укороченные и задержанные импульсы по положительному и отрицательному перепаду сигналов, поступающих с выходов триггеров. Элементы D3.1 D3.4 и D4.1 D4.4 разделяют эти счетные импульсы в зависимости от знака изменения фазы. Затем разделенные счетные импульсы с помощью элементов D5.1 D5.3 и D6.1 D6.3 собираются в два выходных канала "+1" и "-1". Элементы D7.1 и D7.3 согласуют выходы импульсного детектора фазы с соответствующими входами реверсивного счетчика 14, в котором накапливается информация об изменении фазы биений. Таким образом, изменение фазы биений на π/2, вызванное смещением мишени на λ_o/8, приводит к появлению на выходе детектора счетного импульса. В зависимости от направления перемещения счетный импульс подается на выход "+1" или на выход "-1 ".A schematic diagram of a pulse beat phase detector is shown in FIG. 3. The detector is made on elements D1 KP1533TM2; D2,3,4,7 KP1533LA3; D5.6 - KP1533LP5. The beat signal 3 (figure 2) is fed to the D-input of the detector. The generator 10 synchronously with the modulation signal of the laser pump current generates two clock pulses 4 and 5 (figure 2), which are fed to the inputs C1 and C2 of the detector. The front of the first clock pulse is delayed relative to the second for a time approximately equal to one fifth of the beat period. Synchronously with the signal for modulating the injection current of the injection laser along the front of the clock pulses, the state of the beat signal phase is recorded in the triggers D1.1 and D1.2. When the state of the phase of the beat signal changes, the elements D2.1 and D2.4 form shortened and delayed pulses by the positive and negative difference of the signals coming from the outputs of the triggers. Elements D3.1 D3.4 and D4.1 D4.4 separate these counting pulses depending on the sign of the phase change. Then the separated counting pulses using the elements D5.1 D5.3 and D6.1 D6.3 are collected in two output channels "+1" and "-1". Elements D7.1 and D7.3 coordinate the outputs of the pulse phase detector with the corresponding inputs of the reversible counter 14, in which information about the change in the phase of the beats is accumulated. Thus, a change in the beat phase by π / 2, caused by the shift of the target by λ _o / 8, leads to the appearance of a counting pulse at the detector output. Depending on the direction of movement, the counting pulse is fed to the output "+1" or to the output "-1".

Выходы реверсивного счетчика подключены к входам блока индикации 12, который отображает результат измерений. При анализе быстропротекающих процессов результат измерений может считываться в память компьютера 13. The outputs of the reversible counter are connected to the inputs of the display unit 12, which displays the measurement result. When analyzing fast processes, the measurement result can be read into the memory of the computer 13.

Использование импульсного детектора указанной конструкции позволяет регистрировать фазу сигнала за пределами диапазона однозначности и диапазон измерения теперь зависит только от глубины фокусировки и шероховатости поверхности мишени. Хотя использование такого импульсного детектора приводит к уменьшению абсолютной точности измерения фазы до величины равной дискретности одного отсчета π/2, соответствующая дискретность в измерении перемещения остается достаточно высокой δL = λ_o/8 ≈ 0,1 мкм. Кроме того, устройство становится нечувствительным к паразитным вибрациям с амплитудой менее λ_o/8. Использование импульсного детектора ограничивает максимальную измеряемую скорость перемещения: v_max= F•λ_o•τ/4•t_s, где F частота модуляции тока накачки, τ задержка между тактовыми импульсами, t_s период сигнала биений. Например, для получения максимальной скорости 20 мм/с необходимо модулировать ток накачки с частотой 0,5 МГц и регистрировать сигнал в полосе частот 1 3 МГц.Using a pulse detector of this design allows you to record the phase of the signal outside the range of uniqueness and the measurement range now depends only on the depth of focus and surface roughness of the target. Although the use of such a pulsed detector leads to a decrease in the absolute accuracy of the phase measurement to a value equal to the discreteness of one sample π / 2, the corresponding discreteness in the measurement of displacement remains quite high δL = λ _o / 8 ≈ 0.1 μm. In addition, the device becomes insensitive to spurious vibrations with an amplitude of less than λ _o / 8. The use of a pulse detector limits the maximum measured displacement velocity: v _max = F • λ _o • τ / 4 • t _s , where F is the frequency of modulation of the pump current, τ is the delay between clock pulses, t _{s is the} period of the beat signal. For example, to obtain a maximum speed of 20 mm / s, it is necessary to modulate the pump current with a frequency of 0.5 MHz and register the signal in the frequency band 1 3 MHz.

Использование импульсного детектора указанной конструкции, позволяющего регистрировать фазу сигнала за пределами диапазона однозначности, приводит к увеличению диапазона измеряемых перемещений до 50 мм (10 мкм) при дискретности измерений ≈0,1 мкм (≈ 0,05 мкм) и быстродействии ≈ 20 мм/с (≈0,2 мм/с). В скобках даны характеристики прототипа. Устройство с такими характеристиками может применяться при безконтактном измерении перемещений объектов со слабоотражающей, зеркальной или диффузной поверхностью, имеющих малые размеры или находящихся в агрессивной, но прозрачной среде, при повышенной или пониженной температуре. Кроме этого, импульсный детектор фазы, разработанный для этого устройства, может использоваться в составе другой аппаратуры. The use of a pulse detector of this design, which allows recording the phase of the signal outside the range of uniqueness, leads to an increase in the range of measured displacements up to 50 mm (10 μm) with a measurement resolution of ≈0.1 μm (≈ 0.05 μm) and a speed of ≈ 20 mm / s (≈0.2 mm / s). In parentheses are the characteristics of the prototype. A device with such characteristics can be used for non-contact measurement of the movements of objects with a weakly reflecting, mirror or diffuse surface, which are small in size or are in an aggressive but transparent environment at elevated or lowered temperatures. In addition, the pulse phase detector developed for this device can be used as part of other equipment.

Claims (1)

Устройство для измерения перемещений на основе полупроводникового инжекционного лазера с внешней оптической обратной связью, содержащее оптическую головку, состоящую из установленных на одной оптической оси фотодиода, инжекционного лазера, микрообъектива и регулируемого фильтра, управляющий блок, состоящий из стабилизаторов тока и температуры лазера, генератора треугольного напряжения, подключенного к стабилизатору тока лазера, и включенных последовательно преобразователя фототока в напряжение, селективного усилителя, детектора фазы и устройства индикации, отличающееся тем, что детектор фазы биений выполнен импульсным и дополнительно включены компаратор и реверсивный счетчик, компаратор включен между выходом усилителя и первым входом детектора фазы, второй и третий входы детектора подключены к выходам тактовых импульсов генератора треугольного напряжения, два выхода импульсного детектора фазы подключены соответственно к входам сложения и вычитания реверсивного счетчика и выходы реверсивного счетчика соединены с входами устройства индикации. A device for measuring displacements based on a semiconductor injection laser with external optical feedback, comprising an optical head consisting of a photodiode, an injection laser, a micro lens, and an adjustable filter mounted on the same optical axis, a control unit consisting of laser current and temperature stabilizers, a triangular voltage generator connected to a laser current stabilizer and connected in series with a photocurrent to voltage converter, a selective amplifier, a detector phases and indicating devices, characterized in that the beat phase detector is pulse and a comparator and a reversible counter are additionally included, a comparator is connected between the amplifier output and the first input of the phase detector, the second and third inputs of the detector are connected to the clock outputs of the triangular voltage generator, two pulse outputs phase detectors are connected respectively to the inputs of addition and subtraction of the reversible counter and the outputs of the reversible counter are connected to the inputs of the display device.

Images