光纤色散相位补偿高分辨率激光频率扫描干涉测量

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.21(2015)219501基于光纤色散相位补偿的高分辨率激光频率扫描干涉测量研究许新科刘国栋刘炳国陈凤东庄志涛甘雨y(哈尔滨工业大学电气工程及其自动化学院,哈尔滨150001)(2015年5月11日收到;2015年6月28日收到修改稿)为了实现更高分辨率的激光频率扫描干涉测量,增大光源的扫频范围以及减小扫描频率的非线性成为关键.采用外腔式大带宽扫频光源结合光纤辅助干涉仪构建的外部时钟频率采样非线性校正是目前较为常用的方法.本研究发现随着扫频带宽和测量范围的增加,光纤辅助干涉仪与测量光路中存在的色散失配导致频谱出现严

2、重展宽,极大的降低了测量的分辨率.本文建立了辅助干涉仪和测量干涉仪色散失配影响的理论模型,利用该模型分析了扫频带宽和测量范围与测量分辨率的变化关系,与实验结果相一致,并进而提出了基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法,有效地提高了测量的分辨率,在2.53m处实现了接近理论值的64.5m的测量分辨率.该色散失配模型及补偿方法为提高大尺寸激光频率扫描干涉仪的测量分辨率及测距范围提供了参考.关键词:干涉仪,激光频率扫描干涉仪,激光测距,光纤色散PACS:95.75.Kk,42.79.Qx,42.60.Fc,81.05.NiDOI:10.7498/aps.64.2195011.5

3、m处实现了94m的测量分辨率[10].宽带扫频光源在光学频域反射计(opticalfrequencydomain1引言reflectometry,OFDR)中得到应用,在调频带宽40激光干涉测量技术[14]具有非接触测量、测量nm的条件下,在35m光纤端面获得了22m的测量分辨率[11].相干断层层析(opticalcoherence精度高、低信噪比探测等特点,其中高分辨率激光频率扫描干涉测量技术具有探测漫反射目标、测量tomography,OCT)测量技术自1991年引入以来得分辨率高等优点,在表面形貌测量、计量领域中得到大量研究,主要用于对生物组织及材料的测量,到

4、广泛应用[58].激光频率扫描干涉测量方法首先一般测量范围在毫米或厘米级,在调频带宽十几在电流注入调频半导体激光器中得到广泛应用,在THz条件下,测量分辨率可以达到几m[12].调频范围几十到上百GHz的条件下,测量分辨率对于高分辨率激光频率扫描干涉测量系统,色可以达到毫米级.增大调频带宽可以提高频率扫描散失配是限制进一步提高测量分辨率的重要因素,干涉测量系统的测量分辨率,通过向垂直腔面发射色散效应将导致测量信号峰值半高全宽(fullwidth激光器注入电流,获得了830GHz的调频带宽,并athalfmaximum,FWHM)展宽,测量分辨率下降,实现了250m的

5、测量分辨率[9].近年来随着宽带因此,需要对色散进行补偿.对于大尺寸宽带调频外腔调频激光器的出现,进一步促进了高分辨率频测量系统,伺服反馈回路形成的拍频随光纤色散发率扫描干涉测量技术的发展.在大尺寸高分辨率生变化,导致调频斜率发生变化,进而引起测量信测量方面,通过调制激光器产生1.6THz的带宽,在号频谱展宽,光纤色散效应不仅降低了测量分辨率国家自然科学基金(批准号:51275120,61275096)资助的课题.†通信作者.E-mail:ganyu@hit.edu.cn©2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iph

6、y.ac.cn219501-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.21(2015)219501和测距精度,而且限制了测距范围的进一步提高,为解决色散影响,可在参考干涉仪中同步引入啁啾2理论频率抵消色散影响[13].对于OFDR测量系统,当分析激光频率扫描干涉仪的测量原理.采用锯校正拍频非线性的辅助干涉仪光纤和测量干涉仪齿波对激光器进行线性调频,由激光器出射的光分的被测光纤色散系数相同时,色散影响可以相互抵成两路,一路为本振光,另一路为测量光.激光器消[14],而当两者之间的色散系数不相同时,则色散出射的本振光角频率!L(t)为影响无法抵消,将导致测量干涉

7、仪拍频随调频带宽发生变化[14;15],测量信号拍频谱峰发生展宽,为补!L(t)=2(f0+t);(1)偿色散影响,定义一个尺度因子并与相位导数相其中,f0为激光调频起始频率,为调频斜率,t为乘,通过闭环反馈系统不断调节尺度因子,当满足调频时间.本振光信号SL为阈值后,完成色散补偿.在OCT测量系统中,测量[()]12范围通常较小,且辅助干涉仪光纤长度较短,因此,SL/expj2f0t+2t:(2)辅助干涉仪光纤色散对测量结果影响可以忽略,导测量光到达被测目标并沿原路返回后与本振致测量分辨率下降的主要因素是被测组织色