双光反馈半导体激光测距传感器模型
双光反馈半导体激光测距传感器模型
作者:孙晓明;马军山;强锡富
近年来,基于光反馈效应的半导体激光测距传感器收到重视。该方法利用被测物体形成的反馈光对调频半导体激光器光源输出光功率的调制特性,实现绝对距离的测量。光学系统仅包含一个激光光源和一个准直透镜,结构及其简单、紧凑、系统易准直,初步的实验研究表明这是一种有效的绝对测距法方法。由于半导体激光器光频受环境温度影响较大,温度漂移限制了该方法的测量精度,因此高精度测距的前提之一是对半导体激光器进行精密温度控制;另一方面,线性调制电流波动也给测距精度带来影响,高精度的线性电流调制也是必须考虑的问题。
针对上述问题,本文从另一角度出发,提出一种新的采用参考技术的精密测距方法,可降低对温度控制及电流调制的高精度要求,对促进系统实用化具有重要意义。
频率调制半导体激光器前表面辐射光经透镜准直(或聚焦)后照射在被测反射镜M(对于粗糙表面物体)上,被反射(或散射)后,一部分光又经原路反馈回激光器谐振腔,同谐振腔内的光相混合并调制激光器输出光功率。由于激光器光频被线性调制,因此反馈回激光器谐振腔的光将发生频移,激光器暑促光强呈纹波变化,其频率与被测物体到激光器谐振腔前辐射面距离L成正比,激光器输出光功率可由封装在激光器内部的光探测器或外部光探测器监测,由此,可实现绝对距离测量。
对于本系统,建立教学模型的实质就是推导出反馈光存在条件下,调频半导体激光器输出光功率表达式。工作在光反馈作用下的激光器可用三镜腔模型描述。分析可知,仅通过纹波频率来获得被测距离的方法受外界温度干扰因素影响较大。为此,本文提出了采用参考技术的双光反馈测距方法。激光器谐振腔前辐射面输出光经GRIN rod microlens准直后被分束器分为测量光和参考光两束光,分别射向被测镜和参考镜,部分反射光又反馈回激光器谐振腔。
在一定条件下,半导体激光器输出光频与诸如电流呈线性关系。在本系统中,注入电流由直流偏置和对称三角波调制电流两部分组成。
基于调频半导体激光的光反馈效应的绝对测距方法已由实验证明是可行的,本文提出了一种新的采用参考技术的双光反馈绝对测距方法,理论分析表明,该方法可以提高系统的抗干扰能力及测距精度,为进一步使系统实用化提供了理论指导,作者目前正在进行实验研究。
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