袁濤+陳抱雪+劉林

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

關(guān)鍵詞： 光波導(dǎo)技術(shù)； 環(huán)形波導(dǎo)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(biāo)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(zhàn)略的推進，智能制造技術(shù)已成為重要的創(chuàng)新焦點。智能制造的發(fā)展重點關(guān)注八類核心技術(shù)及其關(guān)聯(lián)設(shè)備，包括工業(yè)現(xiàn)場的新型傳感技術(shù)及其系統(tǒng)[1-2]。有關(guān)機床精密加工的實時測長，涉及的精密光學(xué)傳感監(jiān)測技術(shù)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(xì)的氣體激光器，該激光器體積大、光路穩(wěn)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(tài)范圍過小。為了改善光源體積和動態(tài)范圍問題，本工作研究一種新的方法，提出并優(yōu)化設(shè)計一種結(jié)合光波導(dǎo)諧振技術(shù)的窄譜干涉的測速（或測長）技術(shù)及其系統(tǒng)，工作光波由分布式反饋激光經(jīng)雙環(huán)石英波導(dǎo)諧振后提供，光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，相干長度可達米量級。優(yōu)化設(shè)計及其數(shù)值仿真結(jié)果顯示，本系統(tǒng)可以達到0.01 mm/s速度變動的測試響應(yīng)。

1 測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(wěn)定性、高精度[4]和單色光干涉響應(yīng)多普勒頻移的特點。測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，一定譜寬的中心波長為1 310 nm半導(dǎo)體激光經(jīng)光纖耦合進入雙環(huán)波導(dǎo)諧振器，雙環(huán)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(dǎo)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(huán)1和2環(huán)對應(yīng)的諧振峰的中心頻率分別為ν—1和ν—2。這兩支出射光經(jīng)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(zhǔn)直透鏡GL。一路光纖的出射光經(jīng)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(jīng)反射鏡和三個半反鏡HM后，兩支光波合流。一側(cè)光路的溫控儀提供熱光效應(yīng)，用于微調(diào)兩支光波的工作點光程差。

圖6給出了優(yōu)化情況與非優(yōu)化情況的數(shù)值結(jié)果的比較，優(yōu)化系統(tǒng)的光強對速度變化的敏感性遠高于非優(yōu)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(yōu)化降敏效果，橫坐標(biāo)表示光源譜寬變動量，縱坐標(biāo)是對應(yīng)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(biāo)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(yōu)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(biāo)稱值的40%附近有光強最大變動量5%。對于非優(yōu)化情況，同樣點位的光強變動量達25%，是優(yōu)化情況的5倍。另外，與優(yōu)化情況對譜寬變動呈現(xiàn)明顯不同的降敏效果，非優(yōu)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(dāng)光源譜寬變動高達標(biāo)稱值的100%（240 MHz）時，對應(yīng)的光強變動達到了47%，接近優(yōu)化情況光強變動量的47倍。測試系統(tǒng)設(shè)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(nèi)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(dǎo)諧振器的單個諧振環(huán)的插入損耗的實測值在1 dB左右，對于標(biāo)稱0.08 mm/s的精密切削檔，進刀速度變動0.01 mm/s對應(yīng)的光強變化約為-55 dBm，可以采用基于ΣΔ技術(shù) [9-10]設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換電路方式[11]的光功率計進行光功率檢測，根據(jù)文獻[12]報道，這種設(shè)計方式設(shè)計的光功率計可以響應(yīng)的光功率變動達到-70 dBm。

3 結(jié) 論

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

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