弹光调制检测技术研究范文

1弹光调制干涉图最大光程差的检测技术

由前面分析可知，为了实现PEM－FTS的稳定工作和准确地光谱重建，需要检测干涉图的最大光程差。已知弹光调制干涉信号为。基于式（6），可得弹光调制干涉仪产生的窄带激光干涉图和复色光干涉图，如图1所示。从图1可以看出，一个调制周期内产生两幅干涉图，且干涉图的零光程差点与驱动信号有相位延迟，但是由图1（a）不能确定复色光干涉图的最大光程差。而图1（b）是激光干涉信号，其最光程差可通过计算一幅干涉图内疏密变化的正弦波的振荡次数来获取。在光谱探测中，被测信号通常为复色光，为了实现复色光干涉图的最大光程差检测，可基于弹光调制干涉仪、激光光源、高速探测器等，搭建参考系统，使激光源与被测光源有相同的相位延迟，以致于激光干涉图的最大光程差与被测信号干涉图的最大光程差相同，如图2所示，通过测量激光干涉图的最大光程差以获取被测信号干涉图的最大光程差。为了获取式（8）中，一幅激光干涉图的过零次数n，可借助于弹光调制器的驱动信号确定过零计数的起始和终止时刻。因此，在系统设计中，采用双路高速比较器ADCMP551将激光干涉图和驱动信号转换为方波信号，基于FPGA编程实现对半个调制周期内，激光信号的过零次数进行计数，如图3所示。

2仿真与实验

2.1实验条件搭建的激光光谱测试平台如图4所示。在该平台中，采用课题组研制的多次反射式弹光调制器，常温下其谐振频率为49．8kHz，在1000V高压驱动信号下，产生干涉图的光谱分辨率最高可达14．3cm－1；670．8nm的激光器作为参考光源，高速探测器PDA10A实现激光干涉图的检测，探测器检测的干涉图和驱动信号分别经高速比较器ADCMP551转换为方波信号，并由FPGA完成计数功能。

2.2谐振频率偏移引入的干涉图最大光程差的变化为了分析弹光调制器谐振频率温度漂移、驱动信号等对最大光程差的影响。基于搭建的平台，在驱动电压相同的情况下，对弹光调制器的频率漂移、光程差进行检测，其结果如表1所示。从表1可以看出，当驱动信号的频率与弹光调制器PEM固有频率相同时，干涉图有最大光程差；但随着PEM的振荡和热损耗的增加，引入的频率偏移增加，降低了PEM的谐振状态，最大光程差减小，且在工作3h后，弹光调制器基本达到了热平衡，谐振频率偏移了14Hz，最大光程差衰减了26％，已不能满足测量要求。因此，为提高PEM的调制效率和最大光程差，有必要对驱动信号的频率和幅值进行调制，以改善PEM的谐振状态。同时，需检测最大光程差。

2.3最大光程差的检测基于式（8）实现干涉图最大光程差的检测，需完成对半个调制周期内，激光干涉图过零次数的计数。因此，采用双通道高速比较电路，分别将驱动信号和激光干涉信号转换为方波信号。基于FPGA编程实现在驱动方波信号的上升沿开始对激光干涉信号计数，在其下降沿停止计数，并且在计数时，对激光方波信号的上升沿和下降沿都计数，使得最大光程差检测误差≤0．5λref。为了进一步提高测量精度，可采用波长更短的激光为参考光源或多次测量平均计算方式实现。图5是采用频率和幅值双闭环控制技术对弹光调制器进行稳定控制［9，10］，以670．8nm的激光为参考光源，采用上述方法检测最大光程差，实现了对530K的红外黑体的光谱复原，其峰值波长偏差小于2nm，满足项目要求。

3结论

弹光调制器作为弹光调制干涉仪的核心部件，其谐振频率温度偏移比较严重，且其干涉图的最大光程差是不确定参数，与驱动电压、谐振状态、环境温度等因素有关。为了提高弹光调制器的稳定性和复原光谱的准确性，基于热力学理论，建立了弹光调制器的频率温度模型，分析了最大光程差的变化关系；并以激光为参考光源、搭建参考光路，通过对参考激光干涉图过零计数的方式，实现了对最大光程差的检测。准确复原了红外黑体的光谱，其峰值波长误差小于2nm。

作者：张敏娟 王志斌 李晓 李晋华 王艳超 单位：中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 中北大学电子测试技术国家重点实验室 中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心