Xapaктеристики ннжекционного лазера сильно изменяются, если даже небольшая часть излучения, вышедшего из лазера, после отражения от внешнего отражателя возвращается обратно в активную область. Это свойство инжекционных лазеров, называемое внешней оптической обращен связью, обнаружено сравнительно давно [1,2] и исследовалось во многих работах [3]. При достаточной когерентности излучения лазера выходная мощность становится функцией длины волны излучения и расстояния до мишени в результате интерференции излучения, отраженного от собственно-го зеркала лазера и от внешнего отражателя (мишени). Если обратная связь слабая, то изменения выходной мощности описываются функцией cos(4πL/λ), где λ - длина волны излучения лазера и L - расстояние до мишени. Во многих работах [4-7] показана принципиальная возможность создания датчиков расстояния, перемещения и скорости, использующих эту зависимость

Основная идея метода состоит в следующем. Наложением на постоянный уровень тока накачки треугольного сигнала небольшой амплитуды вводится модуляция длины волны излучения лазера. В результате изменения выходной мощное ги становятся суммой несущего треугольного сигнала и синусоидального полезного сигналa с инверсией фазы в вершинах треугольника. Информация о перемещении мишени получается с помощью синхронного детектора фазы. Синхронно с сигналом модуляции он производит выборка и сравнение амплитуд полезного сигнала в двух точках, отстоящих друг oт друга примерно на четверть периода. Амплитуды сигнала сравниваются между собой и с соответствующими значениями за предыдущий период модуляции, как предложено в [8]. На выходe детектора формируются счетные импульсы, соответствующие величине и знаку изменения фазы. Использование метода синхронного детектирования фазы сигнала позволило расширить

Схема датчика и сигналы в контрольных точках, поясняющие ее работу, показаны на рис. 1 (с.88). Датчик состоит из оптического и электронного блоков. В датчике использован инжекционный лазер 2 типа ИЛПН-780, устойчиво генерирующий одну продольную моду. Ток накачки и температура лазера (для типичного образца 65 mА и 16°С) поддерживались постоянными с помощью стабилизатора 9. Длина волны излучения лазера модулировалась введением треугольного сигнала от генератора 10 в ток накачки лазера (амплитуда модуляции - 1.2 мА, частота - 50 кГц). С помощью поляризационного фильтра 4 устанавливался режим слабой обратной связи. Излучение лазера фокусировалось микрообъективом 3 (F=20мм, NA=0.2) на поверхность мишени 5. Часть отраженного света (≈10^-4) возвращалась обратно в активную область лазера. В результате интерференции наблюдались периодические изменения выходной мощности. Они регистрировались встроенным фотодиодом 1 с задней грани лазера. После преобразования фототока в напряжение полезный сигнал усиливался селективным усилителем 7 в полосе частот 200-500 кГц и затем преобразовывался в цифровую форму компаратором 8.

Здесь приведем только наиболее важные характеристики датчика: диапазон, точность и быстродействие.

Дискретность измерений (величина, на которую должна сместиться мишень, чтобы показания датчика изменились на один отсчет) равна λ₀/8≈0.1 мкм и ограничена конструкцией синхрон-ного детектора фазы. Случайная ошибка в экспериментах равнялась ±0.2 мкм и определялась, в основном, температурной стабильностью длины волны излучения. При необходимости дискретностъ и точность измерений могут быть увеличены.

Метод измерений накладывает ограничите на скорость перемещения мишени. Так как детектор фазы работает синхронно с сигналом модуляции, то для нормальной работы датчика скорость Перемещения не должна превышать величины V_max == F∙ λ₀ ∙τ/ (4), где F- частота модуляции тока накачки, λ₀ - средняя длина волны излучеяия, τ - задержка между двумя стробирующими импульсами, Т - период сигнала. При частоте модуляции 50 кГц и отношении τ /T≈l/5 максимальная скорость перемещения, при которой возможны измерения, равна 2 мм/сек. Более высокое быстродействие можно получить, увеличив частоту модуляции тока накачки.

Следует также отметить две особенности работы датчика. Во-первых, измерения с мишенями, имеющими шероховатую поверхность, возможны только при перемещении вдоль оптической оси. Поворот или перемещение мишени перпендикулярно оптической оси приводят к периодическому падению амплитуды сигнала до уровня шумов. Во-вторых, при работе датчика с мишенями, имеющими большой коэффициент отражения, необходимо огра-ничивать возвращающуюся мощность, т.к. сильная обратная связь приводит к неустойчивой генерации собственной моды лазера [10] и, следовательно, к неработоспособности датчика.

Возможности датчика перемещения иллюстрируют эксперименты, результаты которых представлены на рис.2 (с.89). Точность и стабильность измерений демонстрирует эксперимент по измерению коэффициента линейного расширения меди. На рисунке 2а показана зависимость изменения длины медного стержня (диаметр 6 мм, длина 100 мм) при изменении его температуры относительно комнатной. Определенный по этим данным коэффициент линейного расширения меди равен (1,65 ± 0,02)* 10^-5 °С^-1, что совпадает с табличным значением. Быстродействие датчика иллюстрирует рисунок 2б, где показана динамика перемещения металлической пластины, укрепленной на платформе шагового двигателя (ШД). Графики демонстрируют увеличение амплитуды колебаний пластины по мере удаления точки фокусировки зондирующего луча от места крепления пластины. Для верхней кривой высота точки фокусировки зондирующего луча над платформой ШД равна 50 мм, для нижней - 5 мм. Левая половина графиков отображает удаление мишени под действием пружины ШД, правая - приближение под действием штока ШД. На вставках показаны увеличенные участки 2мкм х 50 мс.

1. Lang R., Kobayashi К. // IEEE J .Quantum Electron. 1980. V. 16. P. 347.

4. Dandrige A., Miles R.O. Giallorenz, Т.О.// Electron. Lett. 1980. V. 5. Yoshmo Т.. Nara M., Mnatzakanian S. // Appl. Opt. 1987. V. 5. P.

6. Beheim G., Fritsch K., Appl. opt. 1986. V. 9.Р.1439 7.Donati S., Giuliani G., Merlo S. // IEEE J. Quantum Electron. 1995.