双波长固态激光器自混合振动测量方法研究

《Photonics》：Investigation of a Dual-Wavelength Solid-State Laser Self-Mixing Vibration Measurement Method

　　

为了克服传统激光自混合测量系统中高分辨率与结构复杂性之间的矛盾，研究人员提出并研究了共轴双波长固态激光器自混合技术。采用LD泵浦Nd:YVO₄晶体并倍频，产生1064 nm和532 nm两个波长的激光，构建了共轴双波长激光自混合测量系统。通过调整平行玻璃板的入射角，在两个波长之间产生90°相位差。由此，建立了一组正交信号，用于判别目标位移方向。实验表明，该测量系统能够适应不同的振动波形，频率测量上限可达7 kHz。该系统在位移测量中表现出高精度，在峰峰值振幅为5000 nm时，均方根位移噪声为8.64 nm，累积误差为33.66 nm，短期分辨率优于2 nm。

**双波长固态激光器自混合振动测量方法研究论文解读**

**1. 研究背景与问题提出**

激光自混合效应自1963年被发现以来，因其非接触、结构紧凑、低成本、高灵敏度等优势，在精密测量、机械制造、生物医学和光纤传感等领域得到广泛应用。然而，传统单频固态激光器自混合测量系统为了实现位移方向判别和目标运动信息解调，通常需要在光路中引入电光晶体进行相位调制或声光晶体进行频率调制。此外，为抑制噪声并提高灵敏度，常采用复用和差分等方法。这些方案不可避免地增加了系统复杂度，对小型化和集成化构成障碍，且额外光学元件的引入可能损害系统固有的测量精度和稳定性。因此，如何在保持高分辨率的同时降低系统结构复杂性，成为该领域的关键挑战。

**2. 研究内容与主要结论**

针对上述矛盾，研究人员提出一种双波长固态激光器自混合技术，并构建了共轴双波长激光自混合振动测量系统。该系统采用LD泵浦Nd:YVO₄晶体，通过KTP晶体倍频产生1064 nm和532 nm两个波长，无需电光晶体调制即可通过双波长自混合信号构建正交信号，从而判别目标位移方向。实验结果表明，该系统可适应不同振动波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波），频率测量上限达7 kHz，在峰峰值振幅5000 nm时，均方根位移噪声为8.64 nm，累积误差为33.66 nm，短期分辨率优于2 nm。该研究为高精度、低复杂度的振动测量提供了新方案，相关论文发表在《Photonics》。

**3. 关键技术方法**

研究人员采用的主要关键技术方法包括：双波长固态激光器设计（使用LD泵浦Nd:YVO₄增益晶体和KTP倍频晶体，构成复合光学晶体，实现1064 nm和532 nm共轴输出）；通过平行玻璃板旋转调整入射角，在双波长自混合信号间引入90°相位差，构建正交信号以判别位移方向；采用频率域相位解包裹技术处理信号，应对不同反馈强度下的波形畸变。系统使用两个硅雪崩光电二极管模块进行光电转换，数据采集卡采样率设为1 MHz。实验目标为置于压电陶瓷平移台上的反射镜（R≈93%），距离激光器约0.3 m。

**4. 研究结果与结论**

**3.1 实验系统搭建**
研究人员搭建了如图4所示的光路结构，采用自研双波长固态激光器（1064 nm输出5.20 mW，532 nm输出0.34 mW），复合光学晶体尺寸0.8 mm×0.8 mm×2.5 mm，KTP晶体倍频转换系数达30%。激光器在低温和低驱动电流下工作（16°C，驱动电流0.16–0.20 A），确保两个波长均以单纵模输出。实验使用反射镜作为目标，通过压电陶瓷平移台驱动，闭环位移分辨率1 nm。

**3.2 实验结果与讨论**
- **正弦波振动测量**：压电陶瓷以5 Hz、峰峰值4000 nm的正弦运动驱动，双波长原始自混合信号显示532 nm信号频率为1064 nm的两倍，符合理论。经处理后的信号具有90°相位差，形成正交信号，重建位移曲线与预设曲线一致（光学反馈系数C≈0.3）。
- **弱漫反射适应性**：以塑料片为目标，压电陶瓷以5 Hz、峰峰值50 nm运动，原始信号幅度显著下降，重建位移虽与预设值大致吻合，但已出现部分失真，归因于信噪比恶化。
- **系统校准与误差分析**：使用双频激光干涉仪（SJ6000，精度±0.5 ppm，分辨率1 nm）对压电陶瓷平移台进行校准，线性拟合斜率0.993。系统误差来源包括：激光源功率漂移、光学与电子元件非理想特性（如波长泄漏、暗电流噪声）、校准过程中压电陶瓷的非线性与迟滞、环境干扰引起的相位漂移。
- **振幅扫描实验**：压电陶瓷以5 Hz、峰峰值50 nm至5000 nm（步长50 nm）进行扫描，系统测量值与校准值高度吻合，线性拟合R²=0.9996，平均测量误差3.93 nm，RMS位移噪声8.64 nm，峰峰值5000 nm时累积误差33.66 nm。
- **不同波形适应性**：系统分别对5 Hz、峰峰值2000 nm的方波、三角波和锯齿波进行测量，重建位移与预设值平均误差分别为7.2 nm、4.9 nm和6.4 nm，表明系统无波形特定限制。
- **频率适应性**：以扬声器为目标，测试20 Hz、1.5 kHz和7 kHz驱动频率，系统测得的频率分别为20.04 Hz、1.507 kHz和7.002 kHz，说明系统具有良好的频率适应性，7 kHz上限针对声学窃听和语音恢复应用，非系统实际带宽。
- **位移分辨率**：压电陶瓷以5 Hz、峰峰值10 nm正弦振动，系统重建出清晰的10 nm振动波形，波动在±2 nm内，表明最小可分辨位移低于10 nm，短期分辨率优于2 nm。

**5. 讨论与结论总结**

研究人员设计的双波长固态激光器自混合振动测量系统（SVMS）具有紧凑、可集成、高灵敏度和强稳定性等优点。通过共路双波长自混合配置，利用两个波长的正交信号实现位移方向判别，无需电光晶体调制，从而克服了传统自混合系统高分辨率与结构复杂性之间的矛盾。系统支持最高7 kHz的振动测量，在峰峰值5000 nm时RMS位移噪声8.64 nm，累积误差33.66 nm，短期分辨率优于2 nm。结论证实了该系统在精密振动计量中的可行性。未来工作将聚焦于：优化自研双波长固态激光器，通过选择合适电流和温度设定点均衡两个波长输出功率并调整信噪比以增强环境适应性；开发高功率单模双波长固态激光器及其自混合系统，以扩展至漫反射等非合作目标；采用三通道双差分光路结构抑制噪声漂移，提高系统长期热稳定性。