窄譜光干涉測速系統及其優化設計

袁濤+陳抱雪+劉林

摘要： 提出并優化設計了一種結合光波導諧振技術的窄譜干涉的測速（或測長）技術及其系統，該技術兼有白光干涉的絕對測量和單色光干涉響應多普勒頻移的特點。工作光波由分布式反饋激光器經雙環石英波導諧振后提供，兩支同源窄帶光經多普勒頻移后疊加干涉，干涉結果包含了速度信息。優化設計采用了多目標優化SPEA2算法，數值仿真結果顯示，系統可以達到0.01 mm/s速度變動的測試響應。

關鍵詞： 光波導技術； 環形波導諧振； 窄譜干涉； Pareto進化算法； 多普勒頻移

中圖分類號： TN 252 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.016

文章編號： 1005-5630（2016）05-0461-05

引 言

隨著“中國制造2025”國家戰略的推進，智能制造技術已成為重要的創新焦點。智能制造的發展重點關注八類核心技術及其關聯設備，包括工業現場的新型傳感技術及其系統[1-2]。有關機床精密加工的實時測長，涉及的精密光學傳感監測技術包括雙頻單色光的外差干涉和白光干涉。雙頻單色光干涉采用譜線極細的氣體激光器，該激光器體積大、光路穩定性要求很高。作為絕對測量的白光干涉[3]的相干長度在微米量級，實測的動態范圍過小。為了改善光源體積和動態范圍問題，本工作研究一種新的方法，提出并優化設計一種結合光波導諧振技術的窄譜干涉的測速（或測長）技術及其系統，工作光波由分布式反饋激光經雙環石英波導諧振后提供，光源系統結構緊湊穩定，相干長度可達米量級。優化設計及其數值仿真結果顯示，本系統可以達到0.01 mm/s速度變動的測試響應。

1 測速系統結構和工作原理

窄譜干涉介于單色光干涉和白光干涉之間，兼有白光干涉的絕對測量、良好的穩定性、高精度[4]和單色光干涉響應多普勒頻移的特點。測試系統的基本結構如圖1所示，一定譜寬的中心波長為1 310 nm半導體激光經光纖耦合進入雙環波導諧振器，雙環諧振器除了兩個諧振腔的直徑略有差異以外，其它光路完全對稱。選擇1 310 nm波段的半導體激光的光譜，使得兩個諧振腔形成譜寬為δv的單峰輸出，與環1和2環對應的諧振峰的中心頻率分別為ν—1和ν—2。這兩支出射光經光纖陣列對接耦合分別進入左右兩根單模光纖光路，兩根光纖的出射端均置有準直透鏡GL。一路光纖的出射光經反射鏡和三個半反鏡HM后通往探測器，反射鏡固定在機床的移動刀具的夾具座上。另一路光纖的出射光經反射鏡和三個半反鏡HM后，兩支光波合流。一側光路的溫控儀提供熱光效應，用于微調兩支光波的工作點光程差。

圖6給出了優化情況與非優化情況的數值結果的比較，優化系統的光強對速度變化的敏感性遠高于非優化的情況，前者是后者的22倍以上。圖7顯示了光強測量對光源譜寬變動的優化降敏效果，橫坐標表示光源譜寬變動量，縱坐標是對應的歸一化光強變動量的絕對值，進刀速度選擇機器的精密切削檔的標稱值為0.08 mm/s。圖7顯示，隨著光源譜寬變動量從0～240 MHz變動時，優化情況的歸一化光強的變動量有一個從緩慢增加再緩慢減小的特點，譜寬變動量為光源譜寬標稱值的40%附近有光強最大變動量5%。對于非優化情況，同樣點位的光強變動量達25%，是優化情況的5倍。另外，與優化情況對譜寬變動呈現明顯不同的降敏效果，非優化情況的歸一化光強的偏差隨光源譜寬變動的增加呈線性增大的特點，當光源譜寬變動高達標稱值的100%（240 MHz）時，對應的光強變動達到了47%，接近優化情況光強變動量的47倍。測試系統設計參考的光源是AGX公司的尾纖輸出DFB激光模塊（ALM3HPU2），中心波長在1 305～1 314 nm范圍內可選，帶寬是1.1 GHz（譜寬約0.006 nm），輸出光功率是15 dBm。石英波導諧振器的單個諧振環的插入損耗的實測值在1 dB左右，對于標稱0.08 mm/s的精密切削檔，進刀速度變動0.01 mm/s對應的光強變化約為-55 dBm，可以采用基于ΣΔ技術 [9-10]設計A/D轉換電路方式[11]的光功率計進行光功率檢測，根據文獻[12]報道，這種設計方式設計的光功率計可以響應的光功率變動達到-70 dBm。

3 結 論

本工作提出并優化設計了一種結合光波導諧振技術的窄譜干涉的測速（或測長）技術及其系統，該技術兼有白光干涉的絕對測量特點和單色光干涉響應多普勒頻移的特點。工作光波由分布式反饋激光器經雙環石英波導諧振后提供，兩支同源窄帶光經多普勒頻移后疊加干涉，干涉結果包含了速度信息。優化設計采用了多目標優化SPEA2算法，數值仿真結果顯示，設計系統具有較低的理論測量誤差和較高的靈敏度，為進一步實現多普勒測速系統的小型化提供了參考。

參考文獻：

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