專利名稱：生成合成波長的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及如權(quán)利要求l前序部分所述的生成合成波長的方法，如權(quán)
利要求9所述的測量距離的雙波長干涉測量方法，如權(quán)利要求10前序部分 所述的生成合成波長的裝置，以及如權(quán)利要求20所述的測量絕對距離的 雙波長干涉測量裝置。
背景技術(shù)：
在許多大地測量應(yīng)用中，采用了多種測量距離的方法、裝置和系統(tǒng)。 根據(jù)本領(lǐng)域的特定條件，典型的要求是精度或分辨率在lcm以下。然而， 在特定的應(yīng)用中精度要求還會更高，如在距離測定和工業(yè)距離測量時， 某些情況下需要以亞毫米的分辨率測量長距離。
如同傳統(tǒng)干涉測量法那樣，多波長干涉測量法也屬于相干方法，它 不僅能達到所需的精度，還能通過適當(dāng)選擇不同的波長而在靈敏度方面 提供較大的靈活性。以不同的光波長進行的干涉測量可以生成遠大于該 光波長的新的合成波長，從而可以增大單值性范圍并且降低傳統(tǒng)干涉測 量法的靈敏度。此外，采用此原理的系統(tǒng)還可以在粗糙表面上工作。精 度實質(zhì)上取決于光源的性質(zhì)和信號處理。
通常，多波長干涉儀的光源應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生包含多個離散且穩(wěn)定波長的恰 當(dāng)?shù)陌l(fā)射譜。在此情況下，單值性的范圍由光頻差給定。光源的穩(wěn)定性 和標(biāo)定將會限制測量的絕對精度。而且在現(xiàn)有技術(shù)中，可由多波長干涉 測量法測定的最大距離受到光源的相干長度的限制。此外，在粗糙表面 上的距離測量也可能會因光的散射而受到光源功率的限制。由于測量裝 置的性能由其性質(zhì)(即相干性、穩(wěn)定性和功率)決定，因此光源的設(shè)計 和實現(xiàn)非常重要。
根據(jù)此原理，所謂的雙波長干涉測量法(two-wavelength-
6interferometry,TWT)是適于具有高分辨率的絕對距離的測量的技術(shù)，因 為采用兩個不同的波長^和^生成遠大于所述光波長的合成波長 ^^、/1^-;M，從而增大了單值性范圍。為了實現(xiàn)高精度的遠距離測量， 現(xiàn)有技術(shù)的方案必須滿足關(guān)于合適激光源的三個要求。
首先，激光的相干長度必須是目標(biāo)和接收器的間距L的兩倍以上；第 二，合成波長和相位分辨率的結(jié)合必須足以實現(xiàn)所需精度；第三，必須 使合成波長高度穩(wěn)定，距離的相對不確定度5L/L-1(T5,其中5L為分辨率， 合成波長應(yīng)至少具有相同的精度。因此，現(xiàn)有技術(shù)中提出了多種技術(shù)來 實現(xiàn)下列條件先前使用過氣體激光器；然而它們卻不適于緊湊型系統(tǒng)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，半導(dǎo)體激光二極管被認為是能效最高且最為緊湊的 激光器。此外，可以通過改變注入電流和溫度來調(diào)節(jié)發(fā)射頻率?？烧{(diào)諧 激光器的好處突出，因為可以更加靈活地選擇最合適的合成波長。然而， 當(dāng)最合適的波長選定之后，可調(diào)諧激光器在頻率上必須相對于外部基準(zhǔn) 是穩(wěn)定的。
多模激光二極管可以同時在多個離散波長下振蕩，從而在激光器為 溫控激光器時提供了穩(wěn)定的合成波長的范圍?？v模之間的頻率區(qū)分與諧 振器長度負相關(guān)。因而，通常按此方法獲得的最大合成波長的范圍在數(shù) 個毫米之內(nèi)。
在標(biāo)準(zhǔn)單模AlGaAs二極管激光器中，光被限制在半導(dǎo)體波導(dǎo)管中， 通過解理垂直于結(jié)平面的晶面而獲得反饋。它們被稱為法布里-珀羅 (Fabry-P^ot)激光器。其線寬適中(通常為10MHz)，并且隨溫度變化 的頻率可調(diào)諧性的特征在于跳模。跳模的主要原因是溫度導(dǎo)致的增益曲 線中心的變化(約0.25 nmTC)。溫度調(diào)諧特性隨著裝置的不同而變化。 因此這種不連續(xù)性限制了合成波長的選擇。
分布布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector, DBR) 二極管激光器 中，至少一個解理晶面被布拉格光柵所替代，布拉格光柵用作頻率選擇 鏡。在分布反饋(distributed feedback, DFB) 二極管激光器中，光柵沿著 有源層制作，其用作分布式選擇反射器。布拉格光柵可以增大無跳模調(diào) 諧范圍(mode h叩free tuning range),這是因為調(diào)諧性主要原因是溫度導(dǎo)致的折射率的變化。而且，選擇鏡會造成較大的邊模抑制(〉25dB)。這
使得能夠充分減少對線寬的功率獨立貢獻，而線寬主要取決于標(biāo)準(zhǔn)激光
二極管中的模分割噪聲。因而DBR和DFB激光二極管適用于多波長干涉 測量?？烧{(diào)諧外腔二極管激光器也可提供具有較小的線寬的寬無跳模調(diào) 諧范圍。例如，使用商用外腔二極管激光器(NewFocus， Velocity Tunable Diode Laser)可以獲得小于3次跳模的至少10 nm的調(diào)諧范圍。此外線寬 可小于300 kHz。其主要缺點是機械空腔的復(fù)雜性。可調(diào)諧Nd:YAG激光 器對于干涉測量法也很有益。此類激光器的相位波動和線寬小于標(biāo)準(zhǔn)二 極管激光器。其頻率可調(diào)諧性約為50 GHz。然而，Nd: YAG激光器需要 通過激光二極管進行光泵浦，因此效率低下。
為了穩(wěn)定性，原子吸收線是合成波長和發(fā)射波長的可選的但也是有 限的選擇。另外也可選擇法布里-珀羅諧振器，其中激光波長被穩(wěn)定在腔 的發(fā)射峰處。然而，該穩(wěn)定性受到標(biāo)準(zhǔn)具(etalon)長度熱膨脹的限制， 因此不能實現(xiàn)高精度(如SL/L〈(T5)的測量。
如前所述，法布里-珀羅諧振器可用于多波長干涉測量，這是因為激 光器可被穩(wěn)定在不同的諧振狀態(tài)以產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率差，從而得到穩(wěn)定的 合成波長。然而，其穩(wěn)定性受到標(biāo)準(zhǔn)具長度熱膨脹的限制。如果諧振器 采用例如超因瓦(super-invar)或zerodur材料制成，所述限制可以忽略。也 可基于在基準(zhǔn)激光器(例如，穩(wěn)定在原子吸收線上的二極管激光器)鎖 定法布里-珀羅諧振器的長度。通過此方式可以實現(xiàn)每個激光器的絕對穩(wěn) 定。因此，可以通過使用這些穩(wěn)定的光波長之一而實現(xiàn)精度為亞微米級 的絕對距離測量，從而將多波長干涉測量法與傳統(tǒng)干涉測量法結(jié)合起來。
WO2006/089864公開了一種克服源側(cè)限制的算法手段。為了擴展測 量距離的相干性長度限制，該文件公開了一種相位重構(gòu)算法，其使得能 夠在無可觀測的載波信號的情況下對干涉儀信號進行評價。將所測得的 相位響應(yīng)(即來自正交接收器的信號)與同時測到的基準(zhǔn)信號進行比較。
關(guān)于檢測和信號處理，現(xiàn)有技術(shù)探討了多種途徑。外差技術(shù)可以獲 得直接敏感于合成波長而非光波長的信號。這非常重要，因為不再要求 在光波長處的干涉測量穩(wěn)定性。
8超夕卜差檢領(lǐng)!l ( superheterodyne detection ， 例如R. D汪ndliker ， R. Thaimann禾卩D， Prongu6， " Two-wavelength laser interferometry using superheterodyne detection", Proc. SPIE 813, 9-10 (1987)或R. DSndliker, R. Thaimann禾卩D. Prongu6 ， " Two-wavelength laser interferometry using superheterodyne detection", Opt. Lett. 13,339-341 (1988)中所公開的)可 實現(xiàn)對任意合成波長的高分辨率測量，而不要求光波長處的干涉測量穩(wěn) 定性或?qū)@些波長進行光學(xué)分離。采用兩種波長同時對Michelson干涉儀 進行照射。針對各波長產(chǎn)生不同的外差頻率&和f2。這些頻率差可由聲光 調(diào)制器產(chǎn)生，并且通常為f,-40.0MHz， f2 = 40.1MHz。
Y. Salvad的 "Distance measurement by multiple-wavelength interferometry" (Thesis, Institute of Microtechniques, Neuchdtel, 1999)對現(xiàn) 有技術(shù)進行了綜述。而且該文檔還公開了一種通過光電拍頻測量實現(xiàn)對 多波長光源的絕對標(biāo)定。三波長光源包含在三種不同的頻率下工作的三 個激光二極管。其中的兩個被穩(wěn)定在作為頻率基準(zhǔn)的普通穩(wěn)定法布里-珀 羅諧振器的兩個連續(xù)諧振狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目標(biāo)是改進合成波長的生成。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供能夠在長距離測量中降低復(fù)雜性和提高精 度的生成合成波長的方法和裝置。
本發(fā)明的又一 目標(biāo)是改進干涉測量法的距離測量，特別是擴大可測 量的范圍和/或提高精度。
根據(jù)本發(fā)明，通過獨立權(quán)利要求的特征或從屬權(quán)利要求的特征實現(xiàn) 這些目標(biāo)。
本發(fā)明分別涉及生成合成波長的方法，具體地說是測量距離的雙波 長或多波長干涉測量法，以及生成合成波長的裝置，具體地說是測量絕 對距離的多波長干涉測量裝置。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，所采用的激光源至少 提供連續(xù)偏移的第一邊帶。結(jié)合載波頻率或另一邊帶頻率，可以生成合 成波長。由于頻率之間的頻譜距離可以調(diào)諧(即可變)，用于干涉測量的
9波長也是可變的。
本發(fā)明的多個實施方式采用了注入鎖定結(jié)構(gòu)(injection-locked setup)。 注入鎖定是一種通過向腔內(nèi)注入特定頻率的激光，從而迫使激光器在該 頻率下工作的技術(shù)。因此，采用高功率激光器作為所謂的從激光器(slave laser)可以產(chǎn)生高輸出功率。同時，由于注入了低噪聲低功率的主激光 器的輸出，因此大大降低噪聲等級。如果注入的頻率和從激光器的頻率 足夠接近，該注入能迫使從激光器以相對小的噪聲僅在注入的頻率下工 作。注入的功率越高，可允許的激光器之間的頻率偏移就越大。從激光 器的頻譜特性變得與主激光器相同。然而，從激光器的發(fā)射功率仍然可 利用其注入的電流控制。將此原理應(yīng)用到雙波長或多波長干涉測量中時， 可以得到具有高輸出功率的高度穩(wěn)定的合成波長。
用于提供兩種波長的兩個激光二極管被注入鎖定在兩個不同的頻率 上，所述頻率相對于主激光源的主頻進行限定，或從該光源得出。該主 光源的實例為強度調(diào)制激光器，可以采用其主頻和前兩個邊帶。使用帶 有集成電吸收激光器(通常稱為電吸收激光器(EAL: electro-absorption laser)的分布反饋激光器，或直接調(diào)制垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)， 可以實現(xiàn)高帶寬強度調(diào)制，并且獲得了大于10GHz的強度調(diào)制頻率。
US2003/0197917A1公開了一種此類型的生成多色調(diào)光波信號的頻率 合成器。該信號可以轉(zhuǎn)化為射頻載波或本地振蕩器信號。此結(jié)構(gòu)包括一 個多模主激光器和注入鎖定到該主激光器的兩個從激光器。該頻率合成 器還包括對一個從激光器提供反饋控制的零差鎖相環(huán)，以及對另一個從 激光器提供反饋控制的外差鎖相環(huán)。本地振蕩選擇器用于選擇從激光器 之一鎖定的光學(xué)模式，從而對外差輸出的頻率進行選擇。因此，該手段 使用了鎖模激光器的頻率梳，這意味著一組離散的頻率。
然而該結(jié)構(gòu)不能在規(guī)定的范圍內(nèi)連續(xù)地改變頻率。這種動態(tài)特性在 絕對距離測量的干涉測量領(lǐng)域中尤其如此。線性合成波長掃描可以實現(xiàn) 精確測量。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思，可以基于兩個激光二極管的光學(xué)注入鎖定而生 成合成波長，所述二個激光二極管提供的兩個波長被合并以便生成合成波長。使用主激光源的主頻和至少一個邊帶頻率來生成該波長，其中至 少一個邊帶頻率連續(xù)偏移，具體地通過調(diào)制主激光源使之連續(xù)偏移。
在第一實施方式中，使用了主頻的兩個邊帶頻率，在另一實施方式 中，注入了主頻本身和一個邊帶頻率。根據(jù)特定的結(jié)構(gòu)，主光源提供兩 個鎖定頻率，并且起到主從結(jié)構(gòu)中主激光器的作用，或者該主光源被注 入鎖定在第二激光源提供的頻率上。根據(jù)發(fā)射功率，釆用主激光源或其 他激光源來生成合成波長。
第一種結(jié)構(gòu)采用主激光源來生成兩個頻率，即主頻加上一個邊帶或 兩個邊帶。這些頻率被注入第一和第二激光源，從而使上述激光源在從 激光器模式下工作。例如，使兩個從激光器波長注入鎖定在電吸收激光
器的第一邊帶上，可以在15 GHz下直接強度調(diào)制該電吸收激光器，這意 味著在所述兩個從激光器之間生成了30 GHz的頻率差，其對應(yīng)于IO mm 的合成波長。在所述兩個從激光器的鎖定范圍內(nèi)，在幾百兆赫茲的頻率 上掃描所述頻率差，可以實現(xiàn)幾十米的絕對距離測量。
在第二實施方式中，主光源本身被注入鎖定在另一光源提供的頻率 上，其既用作第二激光源的從激光器，又用作第一激光源的主激光器。 一個特定結(jié)構(gòu)采用主光源的發(fā)射譜的邊帶，其對應(yīng)于波長人p在此波長下 作為主光源的電吸收激光器被注入鎖定。第二激光器(波長^)則被注入 鎖定在所述EAL發(fā)射譜的另一邊帶。于是在兩個光波人'和、之間產(chǎn)生30 GHz的頻率差，其對應(yīng)于10mm的合成波長。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思的另一實施方式為分布反饋激光器，其生成作為 主頻的光載波頻率和兩個邊帶頻率。通過電光調(diào)制器在一種結(jié)構(gòu)中抑制 所述主頻，并控制使得抑制調(diào)制器跟隨偏移或調(diào)諧后的頻率。
因此，只要合成波長以高于l/200的精度進行插值，就能夠?qū)嵤┚?約50微米的10mm上的絕對距離測量。通過在幾百MHz的范圍內(nèi)改變施加 在主光源上的射頻，使得從激光器保持在鎖定范圍內(nèi)以擴大單值性范圍， 就能實現(xiàn)更長距離上的絕對測量。這樣產(chǎn)生可變合成波長。解開后的干 涉測量相位與變化的合成波長之間的關(guān)系給出了絕對距離測量的第一近 似。通過在主激光器上掃描射頻而實現(xiàn)絕對距離測量，前提條件是該頻
ii率掃描處于兩個從激光器信號的鎖定范圍內(nèi)，可變合成波長在兩個從激 光器之間產(chǎn)生，其純度與射頻相同。通過在掃描過程中解開相位來計算 絕對距離。由于所述兩個從激光器的相位噪聲高度相關(guān)，可以通過超外
差檢測對大于相干長度的距離進行測量，如E. Fisher， E. Dalhoff和H. J. Tiziani的"Overcoming Coherence Length Limitation in Two Wavelength Interferometry - an Experimental Verification" (Optics Comm. 123, 465-472 (1996))屮所述?？梢栽诩s為10mm的固定合成波長下實現(xiàn)第二相位測量， 以便實現(xiàn)所需精度。該技術(shù)與雙波長或多波長干涉測量的結(jié)合可以實現(xiàn) 精度優(yōu)于50pm的數(shù)十米的距離測量。
本發(fā)明構(gòu)思具有多個優(yōu)點 合成波長高度穩(wěn)定；
合成波長隨著射頻發(fā)生器給出的相同精度而變化；
可以實現(xiàn)超出相干長度的長距離測量。


下面僅通過示例參照附圖中示意性示出的工作實例對根據(jù)本發(fā)明的 所述方法和裝置進行更加詳細的描述或說明。具體地， 圖la-b示出了本發(fā)明的邊帶頻率偏移；
圖2a-b示出了兩個被鎖定的激光二極管的調(diào)制和電流的變化；
圖3示出了生成合成波長的發(fā)明裝置的第一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖4示出了生成合成波長的發(fā)明裝置的第二實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖5示出了生成合成波長的發(fā)明裝置的第三實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖6示出了生成合成波長的發(fā)明裝置的第四實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖7示出了根據(jù)雙波長干涉測量通過超外差檢測來測量絕對距離的
本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)；
圖8示出了生成合成波長的發(fā)明裝置的第五實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，
其可以采用或不采用注入鎖定結(jié)構(gòu)；
圖9示出了主頻和邊帶頻率的頻率調(diào)制示意圖；以及 圖10示出了本發(fā)明裝置的第五實施方式的解調(diào)原理。
具體實施例方式
圖la-b示出了使邊帶頻率偏移的發(fā)明構(gòu)思。邊帶頻率的頻譜位置可以
通過調(diào)制可調(diào)諧的主光源而被改變或調(diào)諧，所述主光源能夠連續(xù)地偏移
第一及/或第二邊帶頻率。以向上掃描(upscan)為例(向下掃描(downscan) 類似)，電吸收激光器的調(diào)制頻率例如從IO GHz增加到20 GHz,如圖la 所示。接下來，電吸收激光器的光邊帶從作為主頻i)Q的載波頻率啁啾偏離 (chirped away),如圖lb所示。
圖2a-b示出了兩個被鎖定的激光二極管的調(diào)制和電流的變化。電吸收 激光器的調(diào)制頻率和施加到分布反饋激光器的電流同步變化，以使分布 反饋激光器的鎖定范圍適用于邊帶頻率。短的調(diào)諧范圍被作為從激光器 工作的分布反饋激光器的較小鎖定范圍限制為0.3 GHz的范圍。因此15 GHz的邊帶全長并非總是可用的。這對于與調(diào)諧范圍反相關(guān)的距離分辨 率來說是缺點。為了與其它方法競爭則需更大的范圍。分布反饋激光器 必須進行同步電流調(diào)諧，以跟隨電吸收激光器的邊帶頻率，并追蹤相對 小的鎖定窗口。根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思，電吸收激光器的調(diào)制頻率隨著分布
反饋激光器的電流變化同步并行地變化，這樣，由頻率f^和f2s限定的從激
光器的鎖定范圍就能跟隨邊帶頻率。這使得能夠充分擴大調(diào)諧范圍。圖 2a和圖2b示出了施加到第一從激光器(圖2a)和第二從激光器(圖2b)
的電流隨著由頻率^和f2s指示的鎖定范圍的上下偏移而變化的情況。主激
光源可以是氣體穩(wěn)定激光器，特別是乙炔穩(wěn)定分布反饋激光器(DFB)。 WO 2006/089845中公開了作為基準(zhǔn)的使用氣室的適當(dāng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使得 能夠?qū)す馄髦g的頻率差進行精確掃描。由于穩(wěn)定的頻率，該掃描可 作為基準(zhǔn)，從而實現(xiàn)絕對光頻掃描。
圖3是生成合成波長的發(fā)明裝置的第一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié) 構(gòu)包括強度調(diào)制激光器，即電吸收激光器EAL (如圖3所示)或直接調(diào)制 VCSEL，其作為由射頻發(fā)生器l調(diào)制的主激光源，從而在發(fā)射頻率的兩側(cè)
產(chǎn)生限定主頻"Q的兩個邊帶頻率D,和"2 (即第一下邊帶頻率和第一上邊帶
頻率)。兩個半導(dǎo)體激光器(例如圖中示出的分布反饋激光器DFB)作為
13第一和第二激光源發(fā)出具有第一波長^和第二波長、的激光輻射，其第一 波長^和第二波長、相結(jié)合(例如通過疊加)以形成合成波長。主光源提 供第一和第二邊帶頻率分別為D,和"2的激光輻射，并且在從主光源獲得的 頻率上第一和第二激光源被注入鎖定在第一和第二邊帶頻率上。因此， 主激光源和第一、第二激光源以主從激光器結(jié)構(gòu)相連。主激光器的信號 在分路器2中被分成兩部分，并且在通過耦合器3后通過偏振環(huán)行器PC被
注入分布反饋激光器DFB的兩個自由振蕩(free-running)的激光二極管腔 中。如果滿足下列條件，從激光二極管將會被正確地注入鎖定
(1) 自由振蕩的從激光器的發(fā)射頻率接近主激光器的邊帶頻率^和 \)2之一，通常在-500 MHz和+500 MHz之間。
(2) 注入信號與從激光器腔內(nèi)的自由振蕩從信號的功率比為一45 dB左右。
(3) 偏振控制器(PC)使相互作用最大化。
然后從激光器發(fā)射頻率具有與主激光器邊帶頻率T),和1)2相同的光學(xué)
特性(頻率、偏振及線寬)。而且，注入信號的不需要的頻率在從激光器
輸出上以大于或等于30 dB的消光比被抑制。如果兩個從激光器分別在電 吸收激光器EAL的發(fā)射譜的上下第一邊帶上被注入鎖定，并且在前述條 件下，產(chǎn)生差恰好是射頻發(fā)生器1施加到電吸收激光器EAL的射頻^F的兩 倍的頻率。該頻率差理論上與小于或等于10—7的合成波長相對不確定度所 對應(yīng)的射頻同樣純凈。通過調(diào)制主光源使邊帶頻率發(fā)生變化。
圖4是生成合成波長的發(fā)明裝置的第二實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。該實 施方式示出的部件與第一實施方式所用的相同，但具有主頻W的第二邊帶 頻率U2的激光輻射由分布反饋激光器DFB產(chǎn)生，并且作為主激光源的電吸 收激光器EAL被注入鎖定在該第二邊帶頻率i)2上。因此，主光源本身被注 入鎖定在另一光源提供的頻率上，并且既用作第二激光源的從激光器， 又用作第一激光源的主激光器。邊帶頻率D,和1)2用于生成合成波長。在頻 率"2上發(fā)光的主激光器可以是任意類型的激光器，包括例如絕對頻率穩(wěn)定
的乙炔穩(wěn)定激光器。這對于需要絕對頻率穩(wěn)定的應(yīng)用來說是非常有益的。 圖5是生成合成波長的發(fā)明裝置的第三實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，其僅
14僅采用了兩個具有分路器和隔離器4的激光源。在本實施方式中，電吸收
激光器EAL不僅被用于邊帶生成，還直接使用對應(yīng)于主頻i)o (可能十分強 烈)的載波波長Xo，從而產(chǎn)生合成波長。因此僅有一個邊帶頻率(此處為 ")用來鎖定一個分布反饋激光器DFB。在本結(jié)構(gòu)中，用于生成合成波長 的第二波長對應(yīng)于主頻，并且只需兩個激光源。
圖6是生成合成波長的發(fā)明裝置的第四實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。本實 施方式類似于第三實施方式，然而，通過作為波長去復(fù)用器的薄膜濾波 器雙信道去復(fù)用器5和環(huán)行器6連接作為主激光源的電吸收激光器EAL和 作為第一激光源的分布反饋激光器DFB，以提高輸出效率。
圖7示出了根據(jù)超外差原理來測量絕對距離的發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)。完整 的結(jié)構(gòu)包括用于生成兩個波長的注入鎖定部，以及稱為超外差千涉儀IO 的特定雙波長干涉儀。在此特定結(jié)構(gòu)中，如圖l所示的第一實施方式產(chǎn)生 可變的合成波長。作為主光源的電吸收激光器EAL通過一個耦合器2'和兩 個環(huán)行器3'連接到兩個分布反饋激光器DFB。兩個分布反饋激光器DFB
發(fā)出的兩個邊帶頻率^和U2均被偏振分光器7分為兩個部分，其中一部分
由聲光調(diào)制器8進行調(diào)制。此結(jié)構(gòu)允許產(chǎn)生具有略微不同的頻率"i和化+fi (i-l， 2)的兩個正交偏振。此后各部分通過耦合器2"再次結(jié)合，并且激 光進入偏振干涉儀，其中頻率"i (i=l, 2)經(jīng)過測量路徑被送到目標(biāo)ll， 而頻率化+fi (i=l， 2)則經(jīng)過基準(zhǔn)路徑傳送。在適當(dāng)?shù)钠衿骱笤O(shè)置的 兩個光電探測器能以下面的形式產(chǎn)生基準(zhǔn)和干涉信號-
/⑦=4 cos(2V^+ ^ /)+爿2 cos (2兀力汁02) (1)
其為針對波長、和、的兩個外差信號之和，相應(yīng)的干涉測量相位小,= 4;mL/^， 4>2 = 470117、， n為空氣折射率。振幅解調(diào)之后得到關(guān)于頻率&-f,和相位cj) = 4) 2 - 4),的信號。通過采用電子相位計測量解調(diào)干涉儀與基準(zhǔn) 信號之間的相位差來對相位進行估計。該相位在空氣中的表達式為
其中A = A , A 2/|、-g為合成波長。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是對應(yīng)于邊帶頻率 1),和"2的兩個波長具有相同的、在4)檢測中抵消的相位噪聲，從而允許在
15激光源的相干長度之外進行測量。此外，由于通過改變電吸收激光器的
調(diào)制頻率能進行波長調(diào)諧，因此可將相位小作為頻率差A(yù)V = V, - V2的函數(shù)
而進行監(jiān)測。其關(guān)系式為
4>=^^v/ ￡ (3) c
其中c為光速。因此，相位與頻率差之間的關(guān)系為線性關(guān)系，從而可 以根據(jù)單值性的擴展范圍上的斜率來確定絕對距離L。
圖8是生成合成波長的發(fā)明裝置的第五實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，其可 以采用或不采用注入鎖定結(jié)構(gòu)。第五實施方式基于與在Vn (180。相位調(diào)制 電壓，以使載波頻率基本得到抑制)下工作的電光調(diào)制器一起的分布反 饋激光器DFB，以使射頻發(fā)生器12生成頻率為v,和V2的兩個第一邊帶，用 于生成可變的合成波長；該結(jié)構(gòu)配置有干涉儀13。在該方法中，還對分 布反饋激光器DFB進行電流調(diào)諧，從而使發(fā)射波長改變幾GHz或更多，而 調(diào)制頻率也同時施加到設(shè)置在分布反饋激光器DFB后面的電光調(diào)制器14
上。因此，由在VH下工作的電光調(diào)制器生成第一邊帶頻率V,的激光輻射和 作為第二波長的具有主頻W的第二邊帶頻率V2的激光輻射，并且通過將主
光源的激光輻射耦合到具有電光調(diào)制器14的馬赫-曾德爾(Mach-Zehnder) 干涉儀結(jié)構(gòu)抑制具有主頻v。的激光輻射。將通過改變電源電流而獲得的頻 率調(diào)制fm = 1 kHz施加到激光上，并且與射頻發(fā)生器12的頻率梯度同步以 用于合成波長的生成。向電光調(diào)制器施加電壓V，從而在該結(jié)構(gòu)的輸出端 利用電光調(diào)制器14消除作為分布反饋激光器DFB的光載波的主頻vo。同 時，射頻發(fā)生器12向電光調(diào)制器14施加15GHz量級的頻率。以此方式在
輸出端獲得的光譜主要由位于光載波的兩側(cè)且在頻率上以2VRF (約
30GHz)分隔的兩個側(cè)帶構(gòu)成。其優(yōu)點是可以通過簡單地控制射頻發(fā)生 器12發(fā)出的頻率來改變光頻差，以及優(yōu)點還可以是在生成的光波之間的 頻率差具有高度穩(wěn)定性和測量值可以超出激光相干長度。另一個優(yōu)點是
激光器不必是頻率穩(wěn)定的，只需非常精確地知道兩個側(cè)帶之間的頻率差 即可。
圖9是主頻和邊帶頻率的頻率調(diào)制示意圖。施加給激光器的頻率調(diào)制 包括fm = 1 kHz的三角信號，并且與圖8所示的用于生成合成波長的射頻發(fā)生器的三角信號的頻率梯度保持同步。
在頻率fm下的電流調(diào)制能實現(xiàn)主頻VQ中的調(diào)制從t-0開始，在信號
的上升沿上，頻率的變化為vc+^w^/r。噪聲可忽略。在電光調(diào)制器的
輸出端，兩個側(cè)帶V,和V2分別以力+Zlv'f/:r和V2+Zlvl/7^化。假設(shè)頻率 VRF在時間T內(nèi)的變化量為SVrf，對于信號V,和V2的兩個調(diào)制的疊加分別 為力W =力+ (MV- . 〃順2 =V2 + (MV- "/ ^ . "r。在這禾中
條件下，T時間上的干涉測量相位為
、
——、W=——1
一 c rf
緣
以及
(4)
/i =嘗[厶卜 ]
(5)
除了取決于所要求的距離L之外，頻率f,和f2可相當(dāng)于兩個聲光調(diào)制 器所產(chǎn)生的頻率。通過信號處理對這兩個載波頻率進行分離或濾波。由 于它們來自同一激光源，因而兩者均受到相同的相位噪聲的影響，因此 可以象在超外差干涉測量中那樣得到補償。第一創(chuàng)新可能性將包括圍繞 由檢測器15提供的彼此相互接近的這些頻率的動態(tài)濾波16，然后進行振 幅解調(diào)17，接著圍繞兩個頻率的差進行濾波18，以便在合成波長處獲得 脈沖，如圖10所示，這是本發(fā)明裝置第五實施方式的解調(diào)原理。
另一種可能性是首先采用3X3耦合器對干涉測量信號進行振幅解 調(diào)，然后圍繞頻率f,和f2之間的差進行濾波。其思路是在3X3耦合器的兩 個輸入端上采集基準(zhǔn)信號和目標(biāo)信號'的強度，并且利用3X3耦合器的各 輸出端上的兩波之間存在120。的相位偏移這一事實，得到合成波長的相 位。
圖8到圖10所示的第五實施方式在使用時無需采用任何注入鎖定結(jié) 構(gòu)。然而，也可以將帶有分布反饋激光器和電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)作為主光 源，以用于類似于其他實施方式使激光源注入鎖定在邊帶頻率上。
1權(quán)利要求
1. 一種生成合成波長的方法，具體地說是用于干涉法距離測量結(jié)構(gòu)的方法，所述結(jié)構(gòu)中具有主激光源，該主激光源限定了主頻υ0和所述主頻υ0的至少第一邊帶頻率υ1，所述方法包括以下步驟提供具有所述第一邊帶頻率υ1和相應(yīng)的第一波長的激光輻射，通過結(jié)合，具體地說通過疊加，所述第一波長和由所述主激光源限定的第二波長來生成所述合成波長，其特征在于連續(xù)偏移所述第一邊帶頻率υ1，具體地說是通過調(diào)制所述主激光源來連續(xù)偏移所述第一邊帶頻率υ1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于至少一個第一激光源發(fā)出具有所述第一波長的激光輻射，并且使所 述至少一個第一激光源注入鎖定在所述第一邊帶頻率u i上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法， 其特征在于所述第二波長對應(yīng)于所述主頻u o。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法， 其特征在于生成具有所述主頻"0的第二邊帶頻率"2的激光輻射，以及使發(fā)出具有所述第二波長的激光輻射的第二激光源注入鎖定在所述第二邊帶頻率U2上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法， 其特征在于第二激光源生成具有所述主頻uQ的第二邊帶頻率"2的激光輻射作為所述第二波長，以及使所述主激光源注入鎖定在所述第二邊帶頻率02上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法， 其特征在于所述第一邊帶頻率u ,和第二邊帶頻率u 2是所述主頻"o的第一下邊 帶頻率和第一上邊帶頻率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4到6中任意一項所述的方法， 其特征在于所述第一和第二激光源為分布反饋激光器，以及 所述主激光源為強度調(diào)制激光器或垂直腔表面發(fā)射激光器， 其中所述電吸收激光器的調(diào)制頻率和施加到所述第一激光源和第二 激光源的電流同步變化，以使得所述分布反饋激光器的鎖定范圍與所述邊帶頻率u,和u2相適應(yīng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于所述主激光源產(chǎn)生具有所述第一邊帶頻率u ,的激光輻射和作為所述第二波長的具有所述主頻u q的第二邊帶頻率u 2的激光輻射，以及抑制具有所述主頻u o的激光輻射。
9. 一種雙波長或多波長干涉測量方法，其利用可變合成波長測量距 離，其中所述合成波長按照前述任意一項權(quán)利要求所述的方法生成，優(yōu) 選按照超外差原理生成。
10. —種生成合成波長的裝置，其包括主激光源，其限定主頻u Q和所述主頻u Q的具有第一波長的至少第 一邊帶頻率u,，合成波長生成部件，其用于通過結(jié)合，更具體地說通過疊加，所述 第一波長和由所述主激光源限定的第二波長，來生成所述合成波長， 其特征在于使所述主激光源連續(xù)偏移所述第一邊帶頻率u ,，更具體地說通過調(diào)制所述主激光源來連續(xù)偏移所述第一邊帶頻率u ,。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的裝置，其特征在于所述主激光源為分布反饋激光器，其中所述主激光源生成具有第一邊帶頻率u ,的激光輻射和作為所述第二波長的具有所述主頻u Q的第二邊帶頻率^的激光輻射，以及使所述主激光源的激光輻射耦合到在一個干涉儀臂中帶有電光調(diào)制 器的馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)中，其中使得所述干涉儀結(jié)構(gòu)與所述第一邊帶頻率U ,的偏移同步地工作。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置， 其特征在于所述主激光源為強度調(diào)制電吸收激光器或垂直腔表面發(fā)射激光器， 并且所述第一激光源為分布反饋激光器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10到12中任意一項所述的裝置， 其特征在于至少一個用于發(fā)出激光輻射的第一激光源發(fā)出所述第一波長，其中 所述主激光源和所述第一激光源以主從激光器結(jié)構(gòu)連接，并且所述第一 激光源被注入鎖定在所述第一邊帶頻率u ,上。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10到12中任意一項所述的裝置， 其特征在于所述主激光源和所述第一激光源通過波長去復(fù)用器(5 )和環(huán)行器(6) 連接，其中所述第二波長對應(yīng)于所述主頻uo。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10到14中任意一項所述的裝置， 其特征在于所述主激光源和用于發(fā)出具有所述第二波長的輻射的第二激光源以 主從激光器結(jié)構(gòu)連接，其中，所述第二激光源被注入鎖定在所述第二邊帶頻率U2上。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10到12中任意一項所述的裝置， 其特征在于所述主激光源和用于發(fā)出具有所述第二波長以及第二邊帶頻率u 2 的輻射的第二激光源以主從激光器結(jié)構(gòu)連接，其中，所述主激光源被注入鎖定在第二邊帶頻率U2上。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的裝置，其特征在于所述第一邊帶頻率U ,和第二邊帶頻率U 2是所述主頻U Q的第一下邊 帶頻率和第一上邊帶頻率。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15到17中任意一項所述的裝置， 其特征在于所述第二激光源為分布反饋激光器。
19. 根據(jù)權(quán)利要求10到18中任意一項所述的裝置， 其特征在于所述主激光源為氣體穩(wěn)定激光器，具體地說是乙炔穩(wěn)定分布反饋激 光器。
20. —種用于測量絕對距離的雙波長干涉測量裝置，優(yōu)選地依據(jù)超外 差原理，所述雙波長干涉測量裝置包括權(quán)利要求10到19中任意一項所 述的生成合成波長的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生成合成波長的方法，具體地說是用于干涉法距離測量結(jié)構(gòu)的方法，所述結(jié)構(gòu)具有主激光源，該主激光源限定了主頻U₀和所述主頻U₁的至少第一邊帶頻率U₁，提供具有所述第一邊帶頻率O₁和相應(yīng)的第一波長的激光輻射，其中所述第一邊帶頻率U₁被連續(xù)偏移，具體地說是通過調(diào)制所述主激光源使所述第一邊帶頻率U₁連續(xù)偏移。通過結(jié)合，具體地說是通過疊加，所述第一波長和由所述主激光源限定的第二波長，來生成所述合成波長。
文檔編號G01B9/02GK101512286SQ200780032245
公開日2009年8月19日 申請日期2007年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者伊斯·薩爾瓦德, 塞巴斯蒂安·李·弗洛克, 托馬斯·延森, 馬塞爾·羅納 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司