窄线宽环形腔光纤激光器自混合测速系统研究

窄线宽环形腔光纤激光器自混合测速系统研究

杨竟宇，吕亮，俞本立

安徽大学光电信息获取与控制教育部重点实验室，安徽合肥，230601

摘要：本文开展了基于窄线宽环形腔光纤激光器的自混合速度传感测量实验，测速范围达到23.55mm/s—635.85mm/s，测量精度优于3%。该激光自混合测速系统具有结构简单，成本低，测速精度高，动态范围大等优点，能够同时满足高精度和宽测量范围的速度测量要求。最后我们对实验结果进行了误差分析，为测速系统的进一步优化提供了研究基础。

关键词：自混合干涉；多普勒测速仪；环形腔光纤激光器

Self-mixing Sensor for Velocity measurement based on fiber ring laser with ultra-narrow line width

Jingyu Yang, Liang Lu, Benli Yu

Key Laboratory of Opto-Electronic Information Acquisition and Manipulation of Ministry of Education, Anhui

University, Hefei, Anhui, 230601, China

Abstract：Self-mixing interference based on fiber ring laser with ultra-narrow line-width was experimentally investigated for velocity sensing application. The measurement dynamic range is as large as 23.55mm/s—635.85mm/s and the relative error of velocity is within 3%. The results indicate that the proposed system satisfies high accuracy and wide dynamic range measuring requirements with the advantages of simple configuration, low cost and high precision. The error of velocity is analyzed which can help to optimize the self-mixing velocity measurement system.

Key Words: Self-mixing, Velocity measurement, Fiber ring laser

一、引言

传统的激光干涉仪一般基于外腔干涉，即信号光和参考光在激光器谐振腔外进行干涉叠加。由于信号光和参考光为相对独立的两个光路，因此一般要引入除激光器本身之外的其他器件，如光学透镜、光学分束镜、光学棱镜、反射镜等，这导致传统激光干涉测量系统存在结构复杂、体积庞大、光路准直困难等一系列问题，限制了激光干涉测量技术的应用范围。

而自混合干涉[1, 2]传感技术仅需一条光路，相对传统激光干涉系统具有结构简单紧凑、测量精度高、体积小、重量轻、光路易准直等优点，逐渐受到关注，已广泛应用于振动[3, 4, 5]、速度[6, 7]、位移[8, 9]、距离[10, 11]等物理量的高精度测量中。

激光自混合传感技术中的相干长度通常不依赖激光器本身线宽[12, 13]，但该特性只适用外腔反馈较强的情况下。在弱反馈条件下，则就要求探测光源具有很好的线宽特性，以保证远距离情形下的高精度测量。但传统环形腔光纤激光器谐振腔长度较长，纵模之间间距较小，各模式之间的竞争会导致跳模现象出现，严重影响输出激光的稳定性。本研究小组提出了一种在传统环形腔光纤激光器结构基础上插入一段饱和吸收体作为窄带滤波器的方法，实现了稳定的单纵模、窄线宽激光输出以用于激光自混合速度测量。

Target

图1 基于自混合干涉效应的多普勒测速仪原理图 图1为激光自混合测速仪的原理[14]：激光器出射的激光束照射到外界运动物散射表面，由于外界物体处于运动状态，因而反馈光会产生多普勒频移效应。当反馈光反射回到激光器谐振腔内部，对输出光强进行调制、引起激光器出射激光的频率及强度波动等。通过探测光电探测器的输出电压，就可以获得反馈光与腔内原有光的频率差值信号，即为对应的多普勒频移。多普勒信号的变化与外界运动物体的运动速度大小关系如下式所示：

2cos d nv f θ

λ=

其中，d f 为多普勒测速信号的频率，n 为介质的折射率，v 为待测物体的运动速度，θ代表速度矢量与光轴所成的夹角，λ为所用激光器的工作波长。

二、速度传感实验系统

我们搭建了一套基于窄线宽光纤激光器的自混合多普勒测速系统，实验中通过对多普勒频移的跟踪探测，得到外界反馈物体的实时运动速度信息。

图2 基于环形腔光纤激光器自混合效应的多普勒测速系统实验框图

图2为基于窄线宽光纤激光器的自混合多普勒测速系统实验框图，泵浦光经由980/1550波分复用器（WDM ）耦合进环形腔内，在长度为2.6m 的掺铒光纤（EDF1）中得到放大。为了保证激光腔内光路的单项运转、消除熔接点散射以及端面的无用反射光，我们在环形腔内插入了一个光隔离器（Isolator ）。中心波长为1549.27nm 、反射率为87.12%的光纤布拉格光栅（FBG ）作为激光器端镜，并对输出激光起到一定的选频作用。一段长为12m 的未泵浦的掺铒光纤（EDF2）作为饱和吸收体插入到FBG 和耦合器之间，分光比为20/80的耦合器（Coupler ）用来引入外腔反馈光和输出光。

图3 基于环形腔光纤激光器自混合效应的多普勒测速系统实物图

图3为基于窄线宽环形腔光纤激光器的自混合多普勒测速系统实物图，外界反馈物是一个由直流电机驱动的铝质转动圆盘，其表面贴有普通的黄色牛皮纸作为散射面。准直器固定在一个三维调节架上，用以引出激光器输出光束和引入经由转动圆盘散射回的反馈光。实验中我们在相同角速度下，固定激光入射角度，通过改变激光照射点到转盘中心的距离R 实现不同的线速度测量。

三．实验结果和讨论