半导体激光Fabry2Perot干涉波长的微位移测量仪

　　0　引言

　　近年来,随着微机械技术的迅速发展及应用,常需要对机械部件微位移进行测量,同时位移测量又是振动、力、压力、应变、加速度、流量等机械量测量的基础[1~4].F2P干涉仪由于其极高的分辨本领,常用做光谱分析仪,然而在上世纪80年代开始的研究结果表明,这种干涉仪对微位移的测量比其它干涉仪有更大的优点[5].1983年A.Kersey等人首先采用F2P干涉仪(FPI)实现了微位移测量[6],由于其结构简单,并具有光纤传感器的一般特性,从而得到了广泛的应用.半导体激光器(LD)具有稳定的单模输出,波长可调谐,低电流损耗以及尺寸小,价格低等优点,在光学干涉仪中被广泛用作光源[7].利用半导体激光波长可调谐性,对它的输入电流进行直接调节,可获得所需要的波长值及波长变化范围.

　　到目前为止,大多数的光纤F2P传感器(FFP)通常是基于光强进行传感信号检测的,其测量原理是:当F2P腔长变化时,透射光或反射光的强度会发生变化.F2P腔长与光强之间的关系是非线性的,为了实现高精度测量,光强型的光纤传感器往往需要更复杂的结构[8],为了克服光强型F2P传感器测量结果受光源波动影响的缺点,设计了一种光纤F2P透射光谱微位移测量的系统.实验结果证明了它的可行性.

　　1　测量原理

　　1.1　F2P干涉仪腔长与透射波长的关系

　　波长调谐过的半导体激光经F2P干涉仪后,相邻级次两透射光波长与腔长有如下关系

　　由式可知,当透射光的波长不同时,腔长L不同,所以通过探测透射波长值,就可以获得腔长的变化量,从而实现微位移的测量.运用这种方法测量微位移,不仅避免了光强变化对测量结果的影响,而且由于透射波长与腔长一一对应的关系,可实现位移的绝对测量.

　　图1是F2P干涉仪示意图.L1、L2是两块微透镜.L1起准直作用,L2起聚光作用,PD是光电接收器,F2P是Fabry2Perot干涉仪的干涉腔.

　　1.2　半导体激光波长的调制

　　图2是半导体激光波长调制框图.斜波信号发生器输出电压Vm=K1t经半导体激光调制器LM后,获得调制电流Im(t).

　　式中KLM为调制器的转换系数,.调制电流Im(t)与直流电流I0一起驱动半导体激光器,半导体激光的波长变化为K3Im(t),其中K3为半导体激光器的波长调制系数.

　　即

　　1.3　测量系统原理

　　图3是测量系统原理框图.参考F2P干涉仪与测量F2P干涉仪干涉腔在结构上完全一致,只是参考F2P干涉仪干涉腔的一个反射面与压电陶瓷(PZT)安装在一起,随压电陶瓷的伸缩可以微动,测量F2P干涉仪干涉腔的一个反射面与被测对象安装在一起,随被测对象移动.在测量前,根据我们选用的光源和光电探测器(PD)的中心波长,选择传感器静态时相邻光谱波长λ1、λ2.当测量光路中参考F2P和测量F2P透射光谱中心波长重合时,在光电探测器PD上可获得最大的信号输出.