[发明专利]半导体激光正弦相位调制干涉仪调制深度的测量方法

摘要

一种半导体激光正弦相位调制干涉仪调制深度的测量方法，所述的干涉仪结构包括光源、隔离器、光纤耦合器、准直器、光电探测器和信号处理器。光电探测器将接收到的干涉信号转换成电信号与光源驱动电源的电压信号一起输入信号处理器内进行数据处理，得到正弦相位调制深度。本发明的测量方法，考虑了光源光强调制的影响，可在干涉仪初始光程差和光源波长调制系数未知的条件下，实时地确定正弦相位调制深度。

主权项

1.一种半导体激光正弦相位调制干涉仪调制深度的测量方法，该方法测量的半导体激光正弦相位调制干涉仪结构包括由驱动电源(2)驱动的带有温度控制器(1)的光源(3)、隔离器(4)、光纤耦合器(5)、准直器(6)、被测物体(7)、光电探测器(8)、信号处理器(9)，所述的驱动电源(2)为光源(3)提供直流电流和正弦调制电流，由光源(3)发射的光束通过由隔离器(4)、光纤耦合器(5)和准直器(6)准直后照射到被测物体(7)上，由被测物体(7)表面反射的光和由准直器(6)出射端面反射的光通过准直器(6)后，经由光纤耦合器(5)输出的正弦相位调制干涉信号S(t)由光电探测器(8)探测，所述的信号处理器(9)包含两个输入端口：第一输入端(9a)和第二输入端口(9b)，第一输入端口(9a)与所述的光电探测器(8)的输出端相连，第二输入端口(9b)与所述的驱动电源(2)相连，所说的信号处理器(9)的内部结构为：第一输入端口(9a)与第一乘法器(902)和第二乘法器(903)相连，所述的第一乘法器(902)与第一低通滤波器(904)和第一模数转换器(906)串联后接入单片机(908)内，第二乘法器(903)与第二低通滤波器(905)和第二模数转换器(907)串联后接入单片机(908)内，第二输入端口(9b)与倍频器(901)和第二乘法器(903)相连，所述的倍频器(901)的输出端与第一乘法器(902)相连，其特征在于该方法具体测量步骤如下：①所述的光电探测器(8)采集的正弦相位调制干涉信号S(t)输入所述的信号处理器(9)：开启光源(3)，设置光源(3)的注入电流直流偏置为I₀，利用驱动电源(2)产生正弦信号I_m(t)＝acosωt调制所述的光源(3)，光电探测器(8)探测的正弦相位调制干涉信号为：             S(t)＝g(t){S₀+S₁cos[zcosωt+α(t)]}                 ＝β_i[I₀+I_m(t)]{S₀+S₁cos[zcosωt+α(t)]}，                 ＝S(1+βcosωt){S₀+S₁cos[zcosωt+α(t)]}其中，g(t)＝β_i[I₀+I_m(t)]＝S(1+βcosωt)为光源(3)的输出光强；S＝β_iI₀是光源(3)输出光强的直流部分；β＝a/I₀为注入电流交流成分I_m(t)的幅值a与直流成分I₀的比值；S₀和S₁分别为不考虑光强调制时干涉信号项S(t)的直流成分和交流成分；为正弦相位调制深度；α(t)＝α₀+α_d(t)，α₀＝(4π/λ₀)l₀为光程差决定的初始相位，α_d(t)＝(4π/λ₀)d(t)为被测物体(7)位移d(t)决定的相位；②所述的信号处理器(9)对正弦相位调制干涉信号S(t)进行滤波处理：光电探测器(8)探测到的正弦相位调制干涉信号S(t)由信号处理器(9)的第一输入端口(9a)输入，与信号处理器(9)的第二输入端口(9b)输入的归一化的调制信号cosωt通过第二乘法器(903)相乘，并经过第二低通滤波器(905)滤波后得到信号P₂(t)：P2(t)=LPF[S(t)·cos2ωt]]]>=-12βSS1[J1(z)-J3(z)]sinα(t)-SS1J2(z)sinα(t),]]>由第二输入端口(9b)输入的归一化后的调制信号cosωt通过所述的倍频器(901)生成二倍频信号cos2ωt，该二倍频信号cos2ωt与第一输入端口(9a)输入的正弦相位调制干涉信号S(t)通过第一乘法器(902)相乘，并经过第一低通滤波器(904)滤波后得到信号P₁(t)：P1(t)=LPF[S(t)·cosωt]]]>=12β{SS0+SS1[J0(z)-J2(z)]cosα(t)}-SS1J1(z)sinα(t)]]>将所述的信号P₁(t)和信号P₂(t)分别通过第一模数转换器(906)和第二模数转换器(907)转换成数字信号P₁(t)和数字信号P₂(t)并送入所述的单片机(908)内；③所述的单片机(908)提取数字信号P₁(t)和数字信号P₂(t)的最大值与最小值P_1max、P_1min、P_2max和P_2min，并计算(P_1max-P_1min)/(P_2max-P_2min)的值：所述的单片机(908)对所述的数字信号P₁(t)和数字信号P₂(t)中的参数进行下列变换：K1=12β[J0(z)-J2(z)]K2=-J1(z)K3=-J2(z)K4=-12β[J1(z)-J3(z)],]]>则所述的数字信号P₁(t)和数字信号P₂(t)改写为：P1(t)=12βSS0+SS1K12+K22sin[α(t)+φ],]]>其中，φ＝arctan(K₁/K₂)，P₁(t)和P₂(t)的最大值与最小值P_1max、P_1min、P_2max和P_2min分别表示为：P1max=12βSS0+SS1K12+K22]]>P1min=12βSS0-SS1K12+K22,]]>P2max=SS1K32+K42]]>P2min=-SS1K32+K42,]]>所述的单片机(908)经下列计算得到：P1max-P1minP2max-P2min=K12+K22K32+K42=F(z,β);]]>④利用公式β＝a/I₀计算β，并将确定为正弦相位调制深度z的函数R(z)，利用所述的单片机(908)确定满足条件的正弦相位调制深度z。