專(zhuān)利名稱(chēng)：生成合成波長(zhǎng)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(zhǎng)的方法，如權(quán)
利要求9所述的測(cè)量距離的雙波長(zhǎng)干涉測(cè)量方法，如權(quán)利要求10前序部分 所述的生成合成波長(zhǎng)的裝置，以及如權(quán)利要求20所述的測(cè)量絕對(duì)距離的 雙波長(zhǎng)干涉測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
在許多大地測(cè)量應(yīng)用中，采用了多種測(cè)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(huì)更高，如在距離測(cè)定和工業(yè)距離測(cè)量時(shí)， 某些情況下需要以亞毫米的分辨率測(cè)量長(zhǎng)距離。
如同傳統(tǒng)干涉測(cè)量法那樣，多波長(zhǎng)干涉測(cè)量法也屬于相干方法，它 不僅能達(dá)到所需的精度，還能通過(guò)適當(dāng)選擇不同的波長(zhǎng)而在靈敏度方面 提供較大的靈活性。以不同的光波長(zhǎng)進(jìn)行的干涉測(cè)量可以生成遠(yuǎn)大于該 光波長(zhǎng)的新的合成波長(zhǎng)，從而可以增大單值性范圍并且降低傳統(tǒng)干涉測(cè) 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(shí)質(zhì)上取決于光源的性質(zhì)和信號(hào)處理。
通常，多波長(zhǎng)干涉儀的光源應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生包含多個(gè)離散且穩(wěn)定波長(zhǎng)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(huì)限制測(cè)量的絕對(duì)精度。而且在現(xiàn)有技術(shù)中，可由多波長(zhǎng)干涉 測(cè)量法測(cè)定的最大距離受到光源的相干長(zhǎng)度的限制。此外，在粗糙表面 上的距離測(cè)量也可能會(huì)因光的散射而受到光源功率的限制。由于測(cè)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(jì) 和實(shí)現(xiàn)非常重要。
根據(jù)此原理，所謂的雙波長(zhǎng)干涉測(cè)量法(two-wavelength-
6interferometry,TWT)是適于具有高分辨率的絕對(duì)距離的測(cè)量的技術(shù)，因 為采用兩個(gè)不同的波長(zhǎng)^和^生成遠(yuǎn)大于所述光波長(zhǎng)的合成波長(zhǎng) ^^、/1^-;M，從而增大了單值性范圍。為了實(shí)現(xiàn)高精度的遠(yuǎn)距離測(cè)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(gè)要求。
首先，激光的相干長(zhǎng)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(zhǎng)和相位分辨率的結(jié)合必須足以實(shí)現(xiàn)所需精度；第三，必須 使合成波長(zhǎng)高度穩(wěn)定，距離的相對(duì)不確定度5L/L-1(T5,其中5L為分辨率， 合成波長(zhǎng)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(lái) 實(shí)現(xiàn)下列條件先前使用過(guò)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(rèn)為是能效最高且最為緊湊的 激光器。此外，可以通過(guò)改變注入電流和溫度來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射頻率?？烧{(diào)諧 激光器的好處突出，因?yàn)榭梢愿屿`活地選擇最合適的合成波長(zhǎng)。然而， 當(dāng)最合適的波長(zhǎng)選定之后，可調(diào)諧激光器在頻率上必須相對(duì)于外部基準(zhǔn) 是穩(wěn)定的。
多模激光二極管可以同時(shí)在多個(gè)離散波長(zhǎng)下振蕩，從而在激光器為 溫控激光器時(shí)提供了穩(wěn)定的合成波長(zhǎng)的范圍?？v模之間的頻率區(qū)分與諧 振器長(zhǎng)度負(fù)相關(guān)。因而，通常按此方法獲得的最大合成波長(zhǎng)的范圍在數(shù) 個(gè)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(guò)解理垂直于結(jié)平面的晶面而獲得反饋。它們被稱(chēng)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(zhǎng)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(gè)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(wú)跳模調(diào) 諧范圍(mode h叩free tuning range),這是因?yàn)檎{(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(huì)造成較大的邊模抑制(〉25dB)。這
使得能夠充分減少對(duì)線寬的功率獨(dú)立貢獻(xiàn)，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(zhǎng)干涉 測(cè)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(wú)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(diǎn)是機(jī)械空腔的復(fù)雜性。可調(diào)諧Nd:YAG激光 器對(duì)于干涉測(cè)量法也很有益。此類(lèi)激光器的相位波動(dòng)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(guò)激光二極管進(jìn)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(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度熱膨脹的限制， 因此不能實(shí)現(xiàn)高精度(如SL/L〈(T5)的測(cè)量。
如前所述，法布里-珀羅諧振器可用于多波長(zhǎng)干涉測(cè)量，這是因?yàn)榧?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(zhǎng)。然而，其穩(wěn)定性受到標(biāo)準(zhǔn)具長(zhǎng)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(zhǎng)度。通過(guò)此方式可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)激光器的絕對(duì)穩(wěn) 定。因此，可以通過(guò)使用這些穩(wěn)定的光波長(zhǎng)之一而實(shí)現(xiàn)精度為亞微米級(jí) 的絕對(duì)距離測(cè)量，從而將多波長(zhǎng)干涉測(cè)量法與傳統(tǒng)干涉測(cè)量法結(jié)合起來(lái)。
WO2006/089864公開(kāi)了一種克服源側(cè)限制的算法手段。為了擴(kuò)展測(cè) 量距離的相干性長(zhǎng)度限制，該文件公開(kāi)了一種相位重構(gòu)算法，其使得能 夠在無(wú)可觀測(cè)的載波信號(hào)的情況下對(duì)干涉儀信號(hào)進(jìn)行評(píng)價(jià)。將所測(cè)得的 相位響應(yīng)(即來(lái)自正交接收器的信號(hào))與同時(shí)測(cè)到的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較。
關(guān)于檢測(cè)和信號(hào)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(zhǎng)而非光波長(zhǎng)的信號(hào)。這非常重要，因?yàn)椴辉僖?在光波長(zhǎng)處的干涉測(cè)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(kāi)的)可 實(shí)現(xiàn)對(duì)任意合成波長(zhǎng)的高分辨率測(cè)量，而不要求光波長(zhǎng)處的干涉測(cè)量穩(wěn) 定性或?qū)@些波長(zhǎng)進(jìn)行光學(xué)分離。采用兩種波長(zhǎng)同時(shí)對(duì)Michelson干涉儀 進(jìn)行照射。針對(duì)各波長(zhǎng)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(duì)現(xiàn) 有技術(shù)進(jìn)行了綜述。而且該文檔還公開(kāi)了一種通過(guò)光電拍頻測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì) 多波長(zhǎng)光源的絕對(duì)標(biāo)定。三波長(zhǎng)光源包含在三種不同的頻率下工作的三 個(gè)激光二極管。其中的兩個(gè)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(gè)連續(xù)諧振狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是改進(jìn)合成波長(zhǎng)的生成。
本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供能夠在長(zhǎng)距離測(cè)量中降低復(fù)雜性和提高精 度的生成合成波長(zhǎng)的方法和裝置。
本發(fā)明的又一 目標(biāo)是改進(jìn)干涉測(cè)量法的距離測(cè)量，特別是擴(kuò)大可測(cè) 量的范圍和/或提高精度。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的特征或從屬權(quán)利要求的特征實(shí)現(xiàn) 這些目標(biāo)。
本發(fā)明分別涉及生成合成波長(zhǎng)的方法，具體地說(shuō)是測(cè)量距離的雙波 長(zhǎng)或多波長(zhǎng)干涉測(cè)量法，以及生成合成波長(zhǎng)的裝置，具體地說(shuō)是測(cè)量絕 對(duì)距離的多波長(zhǎng)干涉測(cè)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(zhǎng)。由于頻率之間的頻譜距離可以調(diào)諧(即可變)，用于干涉測(cè)量的
9波長(zhǎng)也是可變的。
本發(fā)明的多個(gè)實(shí)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(guò)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(shí)，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(jí)。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(duì)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(zhǎng)或多波長(zhǎng)干涉測(cè)量中時(shí)， 可以得到具有高輸出功率的高度穩(wěn)定的合成波長(zhǎng)。
用于提供兩種波長(zhǎng)的兩個(gè)激光二極管被注入鎖定在兩個(gè)不同的頻率 上，所述頻率相對(duì)于主激光源的主頻進(jìn)行限定，或從該光源得出。該主 光源的實(shí)例為強(qiáng)度調(diào)制激光器，可以采用其主頻和前兩個(gè)邊帶。使用帶 有集成電吸收激光器(通常稱(chēng)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(shí)現(xiàn)高帶寬強(qiáng)度調(diào)制，并且獲得了大于10GHz的強(qiáng)度調(diào)制頻率。
US2003/0197917A1公開(kāi)了一種此類(lèi)型的生成多色調(diào)光波信號(hào)的頻率 合成器。該信號(hào)可以轉(zhuǎn)化為射頻載波或本地振蕩器信號(hào)。此結(jié)構(gòu)包括一 個(gè)多模主激光器和注入鎖定到該主激光器的兩個(gè)從激光器。該頻率合成 器還包括對(duì)一個(gè)從激光器提供反饋控制的零差鎖相環(huán)，以及對(duì)另一個(gè)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(duì)外差輸出的頻率進(jìn)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(dòng)態(tài)特性在 絕對(duì)距離測(cè)量的干涉測(cè)量領(lǐng)域中尤其如此。線性合成波長(zhǎng)掃描可以實(shí)現(xiàn) 精確測(cè)量。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思，可以基于兩個(gè)激光二極管的光學(xué)注入鎖定而生 成合成波長(zhǎng)，所述二個(gè)激光二極管提供的兩個(gè)波長(zhǎng)被合并以便生成合成波長(zhǎng)。使用主激光源的主頻和至少一個(gè)邊帶頻率來(lái)生成該波長(zhǎng)，其中至 少一個(gè)邊帶頻率連續(xù)偏移，具體地通過(guò)調(diào)制主激光源使之連續(xù)偏移。
在第一實(shí)施方式中，使用了主頻的兩個(gè)邊帶頻率，在另一實(shí)施方式 中，注入了主頻本身和一個(gè)邊帶頻率。根據(jù)特定的結(jié)構(gòu)，主光源提供兩 個(gè)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(lái)生成合成波長(zhǎng)。
第一種結(jié)構(gòu)采用主激光源來(lái)生成兩個(gè)頻率，即主頻加上一個(gè)邊帶或 兩個(gè)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(gè)從激光器波長(zhǎng)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(qiáng)度調(diào)制該電吸收激光器，這意 味著在所述兩個(gè)從激光器之間生成了30 GHz的頻率差，其對(duì)應(yīng)于IO mm 的合成波長(zhǎng)。在所述兩個(gè)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(shí)現(xiàn)幾十米的絕對(duì)距離測(cè)量。
在第二實(shí)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(gè)特定結(jié)構(gòu)采用主光源的發(fā)射譜的邊帶，其對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)人p在此波長(zhǎng)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(zhǎng)^)則被注入 鎖定在所述EAL發(fā)射譜的另一邊帶。于是在兩個(gè)光波人'和、之間產(chǎn)生30 GHz的頻率差，其對(duì)應(yīng)于10mm的合成波長(zhǎng)。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思的另一實(shí)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(gè)邊帶頻率。通過(guò)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(zhǎng)以高于l/200的精度進(jìn)行插值，就能夠?qū)嵤┚?約50微米的10mm上的絕對(duì)距離測(cè)量。通過(guò)在幾百M(fèi)Hz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(kuò)大單值性范圍， 就能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離上的絕對(duì)測(cè)量。這樣產(chǎn)生可變合成波長(zhǎng)。解開(kāi)后的干 涉測(cè)量相位與變化的合成波長(zhǎng)之間的關(guān)系給出了絕對(duì)距離測(cè)量的第一近 似。通過(guò)在主激光器上掃描射頻而實(shí)現(xiàn)絕對(duì)距離測(cè)量，前提條件是該頻
ii率掃描處于兩個(gè)從激光器信號(hào)的鎖定范圍內(nèi)，可變合成波長(zhǎng)在兩個(gè)從激 光器之間產(chǎn)生，其純度與射頻相同。通過(guò)在掃描過(guò)程中解開(kāi)相位來(lái)計(jì)算 絕對(duì)距離。由于所述兩個(gè)從激光器的相位噪聲高度相關(guān)，可以通過(guò)超外
差檢測(cè)對(duì)大于相干長(zhǎng)度的距離進(jìn)行測(cè)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。可以在約為10mm的固定合成波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)第二相位測(cè)量， 以便實(shí)現(xiàn)所需精度。該技術(shù)與雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)干涉測(cè)量的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn) 精度優(yōu)于50pm的數(shù)十米的距離測(cè)量。
本發(fā)明構(gòu)思具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn) 合成波長(zhǎng)高度穩(wěn)定；
合成波長(zhǎng)隨著射頻發(fā)生器給出的相同精度而變化；
可以實(shí)現(xiàn)超出相干長(zhǎng)度的長(zhǎng)距離測(cè)量。


下面僅通過(guò)示例參照附圖中示意性示出的工作實(shí)例對(duì)根據(jù)本發(fā)明的 所述方法和裝置進(jìn)行更加詳細(xì)的描述或說(shuō)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(gè)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(zhǎng)的發(fā)明裝置的第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖4示出了生成合成波長(zhǎng)的發(fā)明裝置的第二實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖5示出了生成合成波長(zhǎng)的發(fā)明裝置的第三實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖6示出了生成合成波長(zhǎng)的發(fā)明裝置的第四實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖7示出了根據(jù)雙波長(zhǎng)干涉測(cè)量通過(guò)超外差檢測(cè)來(lái)測(cè)量絕對(duì)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(zhǎng)的發(fā)明裝置的第五實(shí)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(shí)施方式的解調(diào)原理。
具體實(shí)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(guò)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(lèi)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(lái)，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(gè)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(zhǎng)并非總是可用的。這對(duì)于與調(diào)諧范圍反相關(guān)的距離分辨 率來(lái)說(shuō)是缺點(diǎn)。為了與其它方法競(jìng)爭(zhēng)則需更大的范圍。分布反饋激光器 必須進(jìn)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(duì) 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?jǐn)U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(kāi)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(jìn)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(shí)現(xiàn)絕對(duì)光頻掃描。
圖3是生成合成波長(zhǎng)的發(fā)明裝置的第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié) 構(gòu)包括強(qiáng)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(gè)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(gè)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(zhǎng)^和第二波長(zhǎng)、的激光輻射，其第一 波長(zhǎng)^和第二波長(zhǎng)、相結(jié)合(例如通過(guò)疊加)以形成合成波長(zhǎng)。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(hào) 在分路器2中被分成兩部分，并且在通過(guò)耦合器3后通過(guò)偏振環(huán)行器PC被
注入分布反饋激光器DFB的兩個(gè)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(huì)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(hào)與從激光器腔內(nèi)的自由振蕩從信號(hào)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(hào)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(gè)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(zhǎng)相對(duì)不確定度所 對(duì)應(yīng)的射頻同樣純凈。通過(guò)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(zhǎng)的發(fā)明裝置的第二實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。該實(shí) 施方式示出的部件與第一實(shí)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(zhǎng)。在頻 率"2上發(fā)光的主激光器可以是任意類(lèi)型的激光器，包括例如絕對(duì)頻率穩(wěn)定
的乙炔穩(wěn)定激光器。這對(duì)于需要絕對(duì)頻率穩(wěn)定的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常有益的。 圖5是生成合成波長(zhǎng)的發(fā)明裝置的第三實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，其僅
14僅采用了兩個(gè)具有分路器和隔離器4的激光源。在本實(shí)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(duì)應(yīng)于主頻i)o (可能十分強(qiáng) 烈)的載波波長(zhǎng)Xo，從而產(chǎn)生合成波長(zhǎng)。因此僅有一個(gè)邊帶頻率(此處為 ")用來(lái)鎖定一個(gè)分布反饋激光器DFB。在本結(jié)構(gòu)中，用于生成合成波長(zhǎng) 的第二波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于主頻，并且只需兩個(gè)激光源。
圖6是生成合成波長(zhǎng)的發(fā)明裝置的第四實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí) 施方式類(lèi)似于第三實(shí)施方式，然而，通過(guò)作為波長(zhǎng)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(lái)測(cè)量絕對(duì)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(gè)波長(zhǎng)的注入鎖定部，以及稱(chēng)為超外差千涉儀IO 的特定雙波長(zhǎng)干涉儀。在此特定結(jié)構(gòu)中，如圖l所示的第一實(shí)施方式產(chǎn)生 可變的合成波長(zhǎng)。作為主光源的電吸收激光器EAL通過(guò)一個(gè)耦合器2'和兩 個(gè)環(huán)行器3'連接到兩個(gè)分布反饋激光器DFB。兩個(gè)分布反饋激光器DFB
發(fā)出的兩個(gè)邊帶頻率^和U2均被偏振分光器7分為兩個(gè)部分，其中一部分
由聲光調(diào)制器8進(jìn)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(gè)正交偏振。此后各部分通過(guò)耦合器2"再次結(jié)合，并且激 光進(jìn)入偏振干涉儀，其中頻率"i (i=l, 2)經(jīng)過(guò)測(cè)量路徑被送到目標(biāo)ll， 而頻率化+fi (i=l， 2)則經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)路徑傳送。在適當(dāng)?shù)钠衿骱笤O(shè)置的 兩個(gè)光電探測(cè)器能以下面的形式產(chǎn)生基準(zhǔn)和干涉信號(hào)-
/⑦=4 cos(2V^+ ^ /)+爿2 cos (2兀力汁02) (1)
其為針對(duì)波長(zhǎng)、和、的兩個(gè)外差信號(hào)之和，相應(yīng)的干涉測(cè)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(hào)。通過(guò)采用電子相位計(jì)測(cè)量解調(diào)干涉儀與基準(zhǔn) 信號(hào)之間的相位差來(lái)對(duì)相位進(jìn)行估計(jì)。該相位在空氣中的表達(dá)式為
其中A = A , A 2/|、-g為合成波長(zhǎng)。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)應(yīng)于邊帶頻率 1),和"2的兩個(gè)波長(zhǎng)具有相同的、在4)檢測(cè)中抵消的相位噪聲，從而允許在
15激光源的相干長(zhǎng)度之外進(jìn)行測(cè)量。此外，由于通過(guò)改變電吸收激光器的
調(diào)制頻率能進(jìn)行波長(zhǎng)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(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(kuò)展范圍上的斜率來(lái)確定絕對(duì)距離L。
圖8是生成合成波長(zhǎng)的發(fā)明裝置的第五實(shí)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(shí)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(gè)第一邊帶，用 于生成可變的合成波長(zhǎng)；該結(jié)構(gòu)配置有干涉儀13。在該方法中，還對(duì)分 布反饋激光器DFB進(jìn)行電流調(diào)諧，從而使發(fā)射波長(zhǎng)改變幾GHz或更多，而 調(diào)制頻率也同時(shí)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(zhǎng)的具有主頻W的第二邊帶頻率V2的激光輻射，并且通過(guò)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?tīng)?Mach-Zehnder) 干涉儀結(jié)構(gòu)抑制具有主頻v。的激光輻射。將通過(guò)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(zhǎng)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(shí)，射頻發(fā)生器12向電光調(diào)制器14施加15GHz量級(jí)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(gè)側(cè)帶構(gòu)成。其優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)簡(jiǎn)單地控制射頻發(fā)生 器12發(fā)出的頻率來(lái)改變光頻差，以及優(yōu)點(diǎn)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(cè)量值可以超出激光相干長(zhǎng)度。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是
激光器不必是頻率穩(wěn)定的，只需非常精確地知道兩個(gè)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(hào)，并且與圖8所示的用于生成合成波長(zhǎng)的射頻發(fā)生器的三角信號(hào)的頻率梯度保持同步。
在頻率fm下的電流調(diào)制能實(shí)現(xiàn)主頻VQ中的調(diào)制從t-0開(kāi)始，在信號(hào)
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(gè)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(shí)間T內(nèi)的變化量為SVrf，對(duì)于信號(hào)V,和V2的兩個(gè)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(shí)間上的干涉測(cè)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(gè)聲光調(diào)制 器所產(chǎn)生的頻率。通過(guò)信號(hào)處理對(duì)這兩個(gè)載波頻率進(jìn)行分離或?yàn)V波。由 于它們來(lái)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(cè)量中那樣得到補(bǔ)償。第一創(chuàng)新可能性將包括圍繞 由檢測(cè)器15提供的彼此相互接近的這些頻率的動(dòng)態(tài)濾波16，然后進(jìn)行振 幅解調(diào)17，接著圍繞兩個(gè)頻率的差進(jìn)行濾波18，以便在合成波長(zhǎng)處獲得 脈沖，如圖10所示，這是本發(fā)明裝置第五實(shí)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(duì)干涉測(cè)量信號(hào)進(jìn)行振幅解 調(diào)，然后圍繞頻率f,和f2之間的差進(jìn)行濾波。其思路是在3X3耦合器的兩 個(gè)輸入端上采集基準(zhǔn)信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)'的強(qiáng)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(shí)，得到合成波長(zhǎng)的相 位。
圖8到圖10所示的第五實(shí)施方式在使用時(shí)無(wú)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(lèi)似于其他實(shí)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(zhǎng)的方法，具體地說(shuō)是用于干涉法距離測(cè)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(zhǎng)的激光輻射，通過(guò)結(jié)合，具體地說(shuō)通過(guò)疊加，所述第一波長(zhǎng)和由所述主激光源限定的第二波長(zhǎng)來(lái)生成所述合成波長(zhǎng)，其特征在于連續(xù)偏移所述第一邊帶頻率υ1，具體地說(shuō)是通過(guò)調(diào)制所述主激光源來(lái)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(gè)第一激光源發(fā)出具有所述第一波長(zhǎng)的激光輻射，并且使所 述至少一個(gè)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(zhǎng)對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(xiàng)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(qiáng)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(zhǎng)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(zhǎng)或多波長(zhǎng)干涉測(cè)量方法，其利用可變合成波長(zhǎng)測(cè)量距 離，其中所述合成波長(zhǎng)按照前述任意一項(xiàng)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(zhǎng)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(zhǎng)的至少第 一邊帶頻率u,，合成波長(zhǎng)生成部件，其用于通過(guò)結(jié)合，更具體地說(shuō)通過(guò)疊加，所述 第一波長(zhǎng)和由所述主激光源限定的第二波長(zhǎng)，來(lái)生成所述合成波長(zhǎng)， 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(shuō)通過(guò)調(diào)制所述主激光源來(lái)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(zhǎng)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(gè)干涉儀臂中帶有電光調(diào)制 器的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x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(qiáng)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(xiàng)所述的裝置， 其特征在于至少一個(gè)用于發(fā)出激光輻射的第一激光源發(fā)出所述第一波長(zhǎng)，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(xiàng)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(guò)波長(zhǎng)去復(fù)用器(5 )和環(huán)行器(6) 連接，其中所述第二波長(zhǎng)對(duì)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(xiàng)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(zhǎng)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(xiàng)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(zhǎng)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(xiàng)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(xiàng)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(shuō)是乙炔穩(wěn)定分布反饋激 光器。
20. —種用于測(cè)量絕對(duì)距離的雙波長(zhǎng)干涉測(cè)量裝置，優(yōu)選地依據(jù)超外 差原理，所述雙波長(zhǎng)干涉測(cè)量裝置包括權(quán)利要求10到19中任意一項(xiàng)所 述的生成合成波長(zhǎng)的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生成合成波長(zhǎng)的方法，具體地說(shuō)是用于干涉法距離測(cè)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(zhǎng)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(shuō)是通過(guò)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(guò)結(jié)合，具體地說(shuō)是通過(guò)疊加，所述第一波長(zhǎng)和由所述主激光源限定的第二波長(zhǎng)，來(lái)生成所述合成波長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G01B9/02GK101512286SQ200780032245
公開(kāi)日2009年8月19日 申請(qǐng)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(qǐng)人:萊卡地球系統(tǒng)公開(kāi)股份有限公司