Образец для цитирования:
Скрипаль А. В., Добдин С. Ю., Джафаров А. В., Садчикова К. А., Дубровская И. А. Интерферометрия ускорения по спектру автодинного сигнала полупроводникового лазера // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2019. Т. 19, вып. 4. С. 279-287. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2019-19-4-279-287
Интерферометрия ускорения по спектру автодинного сигнала полупроводникового лазера
Предложен метод измерения ускорения, основанный на использовании алгоритма быстрого дискретного преобразования Фурье интерференционного сигнала лазерного автодина. Проведено моделирование спектра автодинного сигнала при равноускоренном движении отражателя. Показана взаимосвязь низкочастотных и высокочастотных составляющих спектра автодинного сигнала с величиной ускорения объекта. Показано, что для наиболее распространенного случая движения объекта с нулевой начальной скоростью наблюдается линейная зависимость высокочастотной спектральной составляющей от величины ускорения. Экспериментально реализован случай измерений равноускоренного движения объекта по спектру автодинного сигнала. Ускоренное движение отражателя осуществлялось с помощью генератора сигналов, встроенного в лабораторную станцию виртуальных приборов NIELVIS. Приведены результаты измерения движения пьезокерамики с ускорением, задаваемым квадратичным законом изменения нап ряжения на ней. Представлены результаты расчета ускорения по спектру автодинного сигнала для случая a = 26 мкм/с2. Разрешение предлагаемого метода оценивалось по изменению частот соседних спектральных составляющих и составило 500 нм/с2.
1. Giuliani G., Norgia M., Donati S., Bosch T. Laser diode self-mixing technique for sensing applications // J. Opt. A : Pure Appl. Opt. 2002. Vol. 4, iss. 6. P. 283–294.
2. Norgia M., Donati S. A displacement-measuring instrument utilizing self-mixing interferometry // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2003. Vol. 52, iss. 6. P. 1765–1770.
3. Wang Y., Xie F., Ma S., Dong L. Review of surface profi le measurement techniques based on optical interferometry // Opt. Lasers Eng. 2017. Vol. 93. P. 164–170.
4. Gouaux F., Servagent N., Bosch T. Absolute distance measurement with an optical feedback interferometer // Appl. Opt. 1998. Vol. 37, iss. 28. P. 6684–6689. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.37.006684
5. Guo D., Wang M. Self-mixing interferometry based on a double modulation technique for absolute distance measurement // Appl. Opt. 2007. Vol. 46, iss. 9. P. 1486–1491.
6. Reza S. A., Khwaja T. S., Mazhar M. A., Niazi H. K., Nawab R. Improved laser-based triangulation sensor with enhanced range and resolution through adaptive opticsbased active beam control // Appl. Opt. 2017. Vol. 56, iss. 21. P. 5996–6006.
7. Zhong J., Zhang X., Ju Z. Absolute small-angle measurement based on optical feedback interferometry // Opt. Lett. 2008.Vol. 6. P. 830–832.
8. Yang B., Wang D., Zhou L., Wu S., Xiang R., Zhana W., Gui H., Liu J., Wang H., Benli Y. An ultra-smallangle self-mixing sensor system with high detection resolution and wide measurement range // Optics & Laser Technology. 2017. Vol. 91. P. 92–97. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2016.11.024
9. Donati S. Developing self-mixing interferometry for instrumentation and measurements // Laser Photonics Rev. 2012. Vol. 6, iss. 3. P. 393–417. DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.201100002
10. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Измерение микро- и нановибраций и перемещений с использованием полупроводниковых лазерных автодинов // Квант. электроника. 2011. Т. 41, вып. 1. С. 86–94.
11. Zhu W., Chen Q., Wang Y., Luo H., Wu H., Ma B. Improvement on vibration measurement performance of laser self-mixing interference by using a pre-feedback mirror // Opt. Lasers Eng. 2018. Vol. 105. P. 150–158.
12. Sels S., Ribbens B., Bogaerts B., Peeters J. 3D model assisted fully automated scanning laser Doppler vibrometer measurements // Opt. Lasers Eng. 2017. Vol. 99. P. 22–30.
13. Guo D., Shi L., Yu Y., Xia W., Wang M. Micro-displacement reconstruction using a laser self-mixing grating interferometer with multiple-diffraction // Optics Express. 2017. Vol. 25, iss. 25. P. 31394–31406. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.25.031394
14. Xu J., Huang L., Yin S., Bingkun G., Chen P. All-fi ber self-mixing interferometer for displacement measurement based on the quadrature demodulation technique // Opt. Rev. 2018. Vol. 25, iss. 1. P. 40–45.
15. Scalise L., Yu Y. G., Giuliani G., Plantier G., Bosch T. Self-mixing laser diode velocimetry : Application to vibration and velocity measurement // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2004. Vol. 53, iss. 1. P. 223–232.
16. Lin H., Chen J., Xia W., Hao H., Guo D., Wang M. Enhanced self-mixing Doppler velocimetry by fi ber Bragg grating // Opt. Eng. 2018. Vol. 57, iss. 5. 051504. DOI: https://doi.org/10.1117/1.OE.57.5.051504
17. Усанов Д. А., Скрипаль Ан. В., Добдин С. Ю. Определение ускорения при неравномерно ускоренных микро- и наносмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера // Нано- и микросистемная техника. 2010. № 10. С. 51–54.
18. Zabit U., Bernal O. D., Bosch T. Design and Analysis of an Embedded Accelerometer Coupled Self-Mixing Laser Displacement Sensor // IEEE Sensors Journal. 2013. Vol. 13, iss. 6. P. 2200–2207. DOI: https://doi.org/10.1109/jsen.2013.2251626
19. Yang Y., Li X., Kou K., Zhang L. Optical accelerometer design based on laser self-mixing interference // Proc. of SPIE. 2015. Vol. 9369. 93690R. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2076463
20. Guo D., Jiang H., Shi L., Wang M. Laserе Self-Mixing Grating Interferometer for MEMS Accelerometer Testing // IEEE Photonics Journal. 2018. Vol. 10, iss. 1, № 6800609. DOI: https://doi.org/10.1109/JPHOT.2018.2792447
21. Du Y. J., Yang T. T., Gong D. D., Wang Y. C., Sun X. Y., Qin F., Dai G. High Dynamic Micro Vibrator with Integrated Optical Displacement Detector for In-Situ Self-Calibration of MEMS Inertial Sensors // Sensors. 2018. Vol. 18, iss. 7. 2055. DOI: https://doi.org/10.3390/s18072055
22. Мокров Е. А., Папко А. А. Акселерометры НИИ Физических измерений – элементы микросистемотехники // Нано- и микросистемная техника. 2002. № 1. С. 3–9.
23. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Кащавцев Е. О., Добдин С. Ю. Определение ускорения при микро- и наносмещениях объекта по автодинному сигналу полупроводникового лазера с учетом влияния внешней оптической обратной связи // ЖТФ. 2013. Т. 83, вып. 7. С. 156–158.
24. Чанилов О. И., Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Камышанский А. С. Вейвлет-анализ лазерного интерференционного сигнала при ударном возбуждении отражателя // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31, № 21. С. 9–16.
25. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Полупроводниковые лазерные автодины для измерения параметров движения при микро- и наносмещениях. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2014. 136 c.
26. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Камышанский А. С. Измерение скорости нанометровых перемещений по спектру автодинного сигнала лазера на квантово-размерных структурах // Письма в ЖТФ. 2004. № 7. С. 77–82.
27. Alexandrova A. S., Tzoganis V., Welsch C. P. Laser diode self-mixing interferometry for velocity measurements // Opt. Eng. 2015. Vol. 54, iss. 3. 034104. DOI: https://doi.org/10.1117/1.oe.54.3.034104
28. Li D., Huang Z., Mo W., Ling Y., Zhang Z., Huang Z. Equivalent wavelength self-mixing interference vibration measurements based on envelope extraction Fourier transform algorithm // Appl. Opt. 2017. Vol. 56, iss. 31. P. 8584–8591. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.56.008584
29. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Астахов Е. И., Добдин С. Ю. Лазерная автодинная регистрация наноперемещений при модуляции длины волны лазерного излучения // Квант. электроника. 2018. Т. 48, вып. 6. С. 577–581. DOI: https://doi.org/10.1070/QEL16460
30. Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Добдин С. Ю., Астахов Е. И., Костюченко И. Ю., Джафаров А. В. Методы автодинной интерферометрии расстояния при токовой частотной модуляции полупроводникового лазера // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2018. Т. 18, вып. 3. С. 189–201. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2018-18-3-189-201
31. Lenstra D., Verbeek B. H., den Boef A. J. Coherence collapse in single-mode semiconductor laser due to optical feedback // IEEE J. Quantum Electronics. 1985. Vol. QE-21. P. 674–679.
32. Sigg J. Effects of optical feedback on the Light-Current characteristics of semiconductor lasers // IEEE J. Quantum Electronics. 1993. Vol. QE-29. P. 1262–1270.
