微腔芯片型激光自混合距离传感方法技术

本发明专利技术涉及激光自混合传感技术领域，现有的激光自混合振动距离传感系统难以实现高精度、高探测灵敏度的传感测量且结构难以做到真正意义的微型化，无法与现代通讯系统的芯片做到很好的集成，无法大规模集成开发和应用。针对上述问题，本发明专利技术提供一种微腔芯片型激光自混合距离传感方法及系统，该方法基于激光自混合干涉测量原理和光学微腔调谐原理，利用光学微腔构建激光自混合传感系统，实现了高精度，高灵敏度的传感测量，同时因系统具有微型化的优点，更加适合于大规模芯片制造加工，更加适合于狭小场合、复杂环境下的现场测量，并且能够与目前光纤通讯中的商用系统充分结合，低成本，高效地实现远程及特殊应用场合传感及数据处理。

【技术实现步骤摘要】
微腔芯片型激光自混合距离传感方法
本专利技术涉及激光自混合传感
，具体为一种微腔芯片型激光自混合距离传感方法及系统。
技术介绍
激光自混合干涉测量技术是指在激光应用系统中，激光器的出射光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器的谐振腔内，反馈光携带了外部物体表面元的状态信息，与激光腔内的原输出光混合放大，引起激光器输出功率和输出频率的变化，最后通过对输出功率或输出频率的解调分析，得到被测物体速度、位移、振动、形貌或温度等物理量的现代光学传感测试技术。在激光自混合干涉系统中，激光器不仅仅作为系统光源，同时也作为探测被测物体表面信息的敏感元件，从而简化了激光干涉系统的结构，更加易于准直，光路简单、紧凑，节约成本。激光自混合干涉测量技术因其天然的单光路特性，具有测量范围宽、精度高、使用方便、结构紧凑小巧和适合现场测量等优点，从而被广泛应用于距离传感测量领域。但目前已有的激光自混合距离传感系统依然存在以下问题：1.激光自混合距离传感器件仍然是基于空间光器件和传统光纤器件，无法做到真正意义的小型化，无法充分体现激光自混合距离传感系统相对其他传感系统(如外差干涉传感系统)的优越性。2.激光自混合传感信号高度依赖于激光器腔内载流子的能级寿命，而激光器一般由于腔体结构、谐振腔腔长度及腔内损耗的限制，无法获得较长的能级寿命，造成激光自混合距离传感系统难以实现高精度、高探测灵敏度的传感测量。3.由于本身的系统特性，在分布式传感实现过程中存在一定限制，难以与通讯系统的芯片做到很好的集成，无法大规模集成开发和应用。随着光学微加工技术和微器件制作技术的不断发展，微腔激光器相对于其他类型激光器的优势越来越明显，微腔激光器具有体积小、能耗低、品质系数高和可实现大规模集成等优点，因此具有广泛的应用前景。本专利技术拟利用微腔激光器的优点，以微腔激光器为基础，利用激光自混合干涉测量原理，实现物体的距离传感测量，目前关于此方法的技术方案尚未有任何报道。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供一种微腔芯片型激光自混合距离传感方法及系统。为实现以上技术目的，本专利技术的技术方案是：一种微腔芯片型激光自混合距离传感方法，泵浦光耦合进入光学微腔，光学微腔对腔内的信号光进行放大、谐振和选频后耦合输出，输出的信号出射到待测目标表面后返回，携带有待测目标信息的反馈信号光重新耦合进入光学微腔，与光学微腔内原有的信号光混合并最终输出，同时利用热电效应对光学微腔进行调谐，使得光学微腔最终输出信号光的功率发生变化，通过对最终输出信号光的功率变化进行检测并解调分析，得出待测目标的距离信息。该传感方法具有以下优点：1.采用光学微腔器件，实现了激光自混合传感技术的微型化、网络化和芯片化；2.采用微腔激光器，克服了传统激光自混合系统光源难以与芯片技术相结合的缺点；3.采用光学微腔耦合，耦合效率高，解决了传统激光自混合系统无法将激光高效率耦合入光纤的难点；4.最大程度压缩了传感系统的光耦合部分，耦合结构更为紧凑；5.整个系统结构紧凑，光路灵活多变，测量精度高，探测灵敏度高；6.系统结构微型化，更加适合于大规模芯片制造加工，更加适合于狭小场合、复杂环境下的现场测量；7.可与目前光纤通讯中的商用系统充分结合，低成本、高效地实现远程及特殊应用场合的传感及数据处理。作为优选，泵浦光和携带有待测目标信息的反馈信号光从光学微腔的同一位置耦合进入光学微腔；同一位置耦合，耦合结构简单。作为优选，泵浦光和携带有待测目标信息的反馈信号光从光学微腔的不同位置耦合进入光学微腔；不同位置耦合，传感系统的光耦合部分调节更加灵活多变。为实现上述传感方法，本专利技术提供一种微腔芯片型激光自混合距离传感系统，技术方案包括两种：第一种技术方案为：一种微腔芯片型激光自混合距离传感系统，包括泵浦光源、第一波分复用器、耦合器件、对激光具有增益效果的光学微腔、第二波分复用器、光环形器、耦合器、光电探测器和温控装置；所述泵浦光源的输出端与第一波分复用器的第一输入端相连；所述第一波分复用器的输出端和第二波分复用器的输入端通过耦合器件与光学微腔耦合；所述第二波分复用器的第一输出端与光环形器的第一端口相连；所述光环形器的第二端口出射信号光到待测目标并接收由待测目标反馈的信号光，第三端口与耦合器的输入端相连；所述耦合器的第一输出端与光电探测器的输入端相连，第二输出端与第一波分复用器的第二输入端相连；所述光学微腔位于温控装置的温控范围内。该传感系统具有以下优点：1.采用光学微腔器件，实现了激光自混合传感技术的微型化、网络化和芯片化；2.采用微腔激光器，克服了传统激光自混合系统光源难以与芯片技术相结合的缺点；3.采用光学微腔耦合，耦合效率高，解决了传统激光自混合系统无法将激光高效率耦合入光纤的难点；4.利用光环形器保证反馈信号光注入的方向，以满足光学微腔内光路的单项运转，并消除熔接点散射以及端面的无用反射光反方向注入光学微腔所带来的干扰；5.最大程度压缩了传感系统的光耦合部分，耦合结构更为紧凑；6.整个系统结构紧凑，光路灵活多变，测量精度高，探测灵敏度高；7.系统结构微型化，更加适合于大规模芯片制造加工，更加适合于狭小场合、复杂环境下的现场测量；8.可与目前光纤通讯中的商用系统充分结合，低成本、高效地实现远程及特殊应用场合的传感及数据处理。第二种技术方案为：一种微腔芯片型激光自混合距离传感系统，包括泵浦光源、第一波分复用器、2个耦合器件、光学微腔、第二波分复用器、光环形器、光电探测器和温控装置；所述泵浦光源的输出端和第一波分复用器的输入端通过其中一个耦合器件与光学微腔的一侧耦合；所述第一波分复用器的第一输出端与光环形器的第一端口相连；所述光环形器的第二端口出射信号光到待测目标并接收由待测目标反馈的信号光；所述光环形器的第三端口和第二波分复用器的输入端通过另一个耦合器件与光学微腔的另一侧耦合；所述第二波分复用器的第一输出端与光电探测器的输入端相连；所述光学微腔位于温控装置的温控范围内。该传感系统具有以下优点：除具有第一种技术方案的优点外，与第一种技术方案相比：结构更为简单，光学微腔耦合位置有两个，耦合部分调节更加灵活多变。上述两种传感系统中：作为优选，所述光学微腔为掺杂有有源增益物质的光学微腔，相应地所述泵浦光源产生980nm泵浦光或者1480nm泵浦光；采用有源光学微腔结构，利用增益物质实现光学微腔对泵浦光的放大、谐振和选频。作为优选，所述光学微腔为无源微腔，相应地所述泵浦光源产生的泵浦光的光功率满足泵浦光耦合进入光学微腔后能够产生拉曼效应；采用无源光学微腔结构，利用拉曼效应实现光学微腔对泵浦光的放大、谐振和选频。作为优选，所述耦合器件为光纤锥、一端斜抛光的光纤、波导和棱镜的任意一种；多种耦合方式可选，便于不同场合的应用。作为优选，所述光学微腔的结构为微环、微球、微盘、微柱、微芯圆环和变形腔的任意一种；多种结构可选，便于不同场合的应用。作为改进，所述光学微腔内表面有镀层，所述镀层为金属材料镀层或其他材料镀层；增加镀层，改善光学微腔的物理特性，增加其热传导效率，提高温控装置对其控制的精度。附图说明图1是本专利技术理论模型示意图；图2是本专利技术实施例1的结构示意图；图3是本专利技术实施例1中光纤锥与光学微腔耦合示意图；图4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微腔芯片型激光自混合距离传感方法，其特征在于：泵浦光耦合进入光学微腔，光学微腔对腔内的信号光进行放大、谐振和选频后耦合输出，输出的信号出射到待测目标表面后返回，携带有待测目标信息的反馈信号光重新耦合进入光学微腔，与光学微腔内原有的信号光混合并最终输出，同时利用热电效应对光学微腔进行调谐，使得光学微腔最终输出信号光的功率发生变化，通过对最终输出信号光的功率变化进行检测并解调分析，得出待测目标的距离信息。

【技术特征摘要】
1.一种微腔芯片型激光自混合距离传感方法，其特征在于：泵浦光耦合进入光学微腔，光学微腔对腔内的信号光进行放大、谐振和选频后耦合输出，输出的信号出射到待测目标表面后返回，携带有待测目标信息的反馈信号光重新耦合进入光学微腔，与光学微腔内原有的信号光混合并最终输出，同时利用热电效应对光学微腔进行调谐，使得光学微腔最终输出信号光的功率发生变化，通过对最终输出信号光的功率变化进行检测并解调分析，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕亮，曹志刚，俞本立，向荣，王德辉，周俊峰，桂华侨，刘建国，王焕钦，张道信，赵云坤，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34