專利名稱：絕對距離測量設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及絕對距離測量設備，尤其涉及一種使用激光二極管波長依賴于外腔反饋控制的絕對距離測量設備。
背景技術：
可調(diào)諧外腔二極管激光器(ECDL)廣泛用于基于光的測試和測量設備并且越來越多地用于波分復用(WDM)式的光學語音和數(shù)據(jù)通信設備。所述的調(diào)諧是通過將過濾波長和改變定義外腔范圍的兩個末端反射器之間的光程相結(jié)合而完成的。外腔是由一個外部反饋反射器和距離該外部反射器較遠的激光器芯片晶面一起構(gòu)成的。
二極管激光器也已經(jīng)用作干涉儀，通過允許由測量目標表面所反射和反向散射的光重新進入激光二極管，使得激光二極管輸出的波長和振幅隨著到測量目標表面的距離改變而被調(diào)制。在這種情況下，是以“自混合”的方式操縱激光的，其中來自外部測量目標表面反射的反饋與通常發(fā)生在單個激光二極管內(nèi)的激光二極管晶面反射的運行相干涉。這常常稱之為自混合。所產(chǎn)生的信號可由激光增益介質(zhì)放大，并且提供隨外腔長度變化而周期性改變的信號。
已經(jīng)制造出了基于自混合原理的絕對距離測量系統(tǒng)，通過對激光二極管波長施加一調(diào)制或者對從激光二極管到外部測量目標表面的距離施加一調(diào)制，并且通過分析自混合信號與所施加的調(diào)制之間的關系，以確定絕對距離的測量。

發(fā)明內(nèi)容
基于自混合原理的絕對距離測量系統(tǒng)可通過例如三角函數(shù)來調(diào)制激光二極管輸出波長。通過內(nèi)部反射光和外部反射光之間的自混合干涉效應，從目標表面向后反射的光引起了激光輸出功率的強烈變化，如被調(diào)制的激光波長的函數(shù)那樣。通過測量激光輸出信號中干涉峰值的出現(xiàn)，如激光波長變化的函數(shù)那樣，可推斷出到目標的距離。
或者，通過將激光二極管或靶設置在例如壓電執(zhí)行器或揚聲器上以使到靶的距離高頻抖動，就可獲得絕對測量。其次，通過測量激光輸出功率中干涉峰的出現(xiàn)，作為到靶變化的距離和已知波長的函數(shù)，就可推斷出到靶的距離。
但是，為了獲得絕對距離測量，必須調(diào)制到靶的距離或激光的波長。調(diào)制到靶的距離或激光的波長所需的附加部件會增加基于激光二極管自混合效應的絕對距離測量設備的成本和復雜程度。此外，這些自混合類型范圍探測器的精確度隨激光器標稱波長的變化而變差，這可能是由環(huán)境溫度、自加熱等等引入的。溫度變化也可導致模式跳變，這也會使測量精度變差。
本文，討論了使用一具有色散聚焦元件的諧振外腔激光器來確定到測量目標表面的絕對距離的系統(tǒng)和方法。色散聚焦元件將光線聚焦到一焦點上，而從焦點到色散聚焦元件的距離則取決于光波長。色散元件設置在諧振外腔內(nèi)、即在半導體激光增益介質(zhì)和目標表面之間。目標表面構(gòu)成諧振外腔的一個末端，由較遠的半導體增益介質(zhì)的晶面構(gòu)成諧振外腔的另一個末端。使用色散聚焦元件來聚焦可能具有多波長成分的光線，但只有光線中的某一波長成分可精準地聚焦到目標表面上。這個被聚焦到目標表面上的光波長是最能有效地作為反饋信號而耦合或反射到激光增益介質(zhì)波導中的波長。因此，反饋信號主要包含由色散元件準確聚焦到目標表面上的光波長。通過降低激光器在自注入的主要波長處的增益閾值，這個反饋信號就會強烈地影響和控制激光增益介質(zhì)的輸出波長。在受激輻射的整個過程中，增益介質(zhì)內(nèi)的高增益和強烈的模式競爭致使激光器輸出波長與色散元件和目標表面之間的絕對距離相對應，從而提供了一種目標表面和色散元件之間的絕對距離的測量方法。
在此處，與目標表面最近的那個激光二極管晶面可互換地稱之為近側(cè)晶面或腔內(nèi)晶面。半導體激光增益介質(zhì)在其近側(cè)晶面上可具有一“防反射”(AR)涂層，該近側(cè)晶面光學上耦合部諧振外腔。這可抑制或充分地減少單個激光腔內(nèi)的近側(cè)晶面反饋，而這種近側(cè)晶面反饋可能另外與所期望的外腔反饋相競爭而導致光譜模式的不穩(wěn)定性。在此處，與目標表面最遠的那個激光二極管晶面可互換地稱之為遠側(cè)晶面或后方晶面。在激光增益介質(zhì)的遠側(cè)晶面上可提供局部透射反射的涂層，以使諧振腔發(fā)出或漏出可由探測器測量其波長的輻射，從而確定到目標的絕對距離。
外腔激光器可包括用于從存在于外腔中的多個潛在模式中選擇一單縱模的標準具。當高斯焦深足夠長的時候，不止一個縱模可在高斯焦深內(nèi)達到一充分的聚焦。標準具設計為從這些光學縱模中選擇出一個，來適應于激光增益介質(zhì)的放大。
標準具在設置的時候可以不和激光增益介質(zhì)的光軸相垂直。在這種方式中，可引導雜散反射離開增益介質(zhì)的光軸，從而避免激光器運行的關聯(lián)干擾。


參照下圖，詳細描述了各種示例性的實施例，其中圖1說明了一種使用具有色散元件外腔的絕對距離測量設備的波長確定部分；圖2說明了一種以菲涅爾波帶片的形式呈現(xiàn)的示例性的色散元件；圖3說明了與圖2的菲涅爾波帶片有關的參數(shù)；圖4說明了由色散元件所聚焦的高斯光束的光腰，以及高斯焦深；圖5是從光分束器獲得測量信號的示例性示意圖；圖6是從激光增益介質(zhì)的后方晶面處獲得測量信號的示例性示意圖；圖7是使用標準具來選擇單縱模的示例性示意圖；圖8是將反射光的光譜同標準具的精細結(jié)構(gòu)相比較的示例性示意圖；圖9說明了在外部目標具有不同反射率數(shù)值的情況下外腔增益閾值與單個激光二極管的增益閾值的相對比值隨波長而變化的示例性行為；圖10說明了在達到絕對距離測量設備的穩(wěn)定單模運行中目標表面所要求的反射率與激光增益介質(zhì)的腔內(nèi)晶面反射率相對比的示例性范圍。
具體實施例方式
圖1說明了自注入激光二極管絕對距離測量設備(測量設備)5的第一個示例性實施例的波長確定部分，它包括激光增益介質(zhì)10。激光增益介質(zhì)10的范圍是由遠側(cè)末端晶面12和近側(cè)腔內(nèi)晶面14來定義。激光增益介質(zhì)10以發(fā)散光束模式發(fā)出輻射。準直透鏡20將發(fā)散光束模式校準成充分平行的光線，然后色散聚焦元件30將該平行光線聚焦到目標表面40上的一點。色散聚焦元件具有將不同波長的光聚焦到不同焦平面上的特性，這些不同焦平面的位置取決于光的波長。目標表面位于適合激光二極管增益帶寬內(nèi)至少一個波長的校正焦深處。
激光增益介質(zhì)10定義了由激光器的波導結(jié)構(gòu)所確定的準入錐，在該錐內(nèi)從目標表面40反射的光通過近側(cè)晶面重新進入或耦合到激光增益介質(zhì)10中。來自目標表面上焦點光斑的反射(后向散射)光進入準入錐16。當所耦合的反射光達到足夠大的強度充分降低激光增益時，增益介質(zhì)10就會通過受激輻射來放大反射或后向散射的光。如前面提到的，腔內(nèi)晶面14的表面上的AR涂層抑制或充分地消除單個激光腔內(nèi)的內(nèi)部反射反饋。如此，激光二極管所輸出的波長取決于最有效地從外腔反射或耦合的波長，而這個波長就是被聚焦到目標表面40所在的平面處的波長。如此，激光二極管的輸出波長與色散聚焦元件30和目標表面40之間的絕對距離相對應。
如圖1所示，測量設備5將其諸多元件排列在由激光增益介質(zhì)10和色散聚焦元件30的軸線所定義的光軸之上。外腔長度Lext由激光增益介質(zhì)10的遠側(cè)晶面12和目標表面40一起構(gòu)成。因此，腔體可根據(jù)Δλ＝λ2/2Lext支持縱模間隔Δλ。對于具有大約10毫米(mm)光程長度的腔體和大約1550納米的波長來說，縱模間隔大約是0.12納米。具有最低增益閾值(最少損耗)的模式將會由于增益介質(zhì)中強烈的模式競爭而支配性地控制激光波長。
測量設備5可使用任何常規(guī)類型的激光增益介質(zhì)10，比如像(A1，Ga)InP、AlGaAs或InGaAs這樣的多量子阱或量子點異質(zhì)結(jié)構(gòu)。激光增益介質(zhì)10可以是法布理一玻羅型邊發(fā)射或VCSEL單空間模式半導體放大器，發(fā)射比如600-1500納米范圍的波長。美國新墨西哥州阿爾伯克基(Albuquerque)市Zia激光器公司生產(chǎn)一種具有中心波長為1200納米、增益曲線寬度超過200納米的InGaAs量子點外腔激光二極管。這些參數(shù)適用于本設備的各種應用，盡管本設備并非如此局限。各種其它標稱的波長和增益曲線寬度在各種應用中都是可用的。包括色散聚焦元件30的色散特性在內(nèi)的光學系統(tǒng)設計與波長探測分辨率相結(jié)合，一般會可確定設備的測量分辨率；以及激光增益曲線的寬度可確定設備的絕對測量范圍。
激光二極管的波導結(jié)構(gòu)典型地引起一束高度發(fā)散的輸出光束，其發(fā)散角在10至40度之間。此外，輸出光束可能是非圓形的或者橢圓的，沿著橢圓的一個軸具有一個發(fā)散角并且沿著另一個軸具有另一個發(fā)散角。聚焦這樣的橢圓形光束將導致散光，其中橢圓光束將會在兩個不同的深度達到焦點，因此會產(chǎn)生幾微米的深度偏差。設置在激光增益介質(zhì)10和準直透鏡20之間的非球面透鏡、柔性柱狀透鏡或一對變形棱鏡、或任何其它合適的目前已知或以后開發(fā)的方法，都可被用于將這種光束散光效應減小到一期望的水平。
色散聚焦元件(30)可以是任何將光線聚焦到一焦平面上的光學元件，該焦平面所在的距離取決于該光線的波長。色散折射透鏡元件和衍射光學元件是此類色散聚焦元件的例子，其中色散聚焦元件30和焦點之間的距離是輻射波長的函數(shù)。這種關系由色散常數(shù)KL來描述，其中對于色散聚焦元件30而言，KL等于焦距的變化除以波長的變化。KL可以是例如5-10um/nm的量級，盡管本設備并不將色散常數(shù)值局限于任何特定范圍。此外，當折射鏡提供色散聚焦元件30時，KL可以是正值，以及當衍射光學元件提供色散聚焦元件30時，KL可以是負值。
衍射光學元件是通過使各個波長的光線在沿光軸上的某些各個點處構(gòu)成干涉來達到聚焦的色散元件。此類衍射光學元件中一個公知的例子是菲涅耳波帶片。菲涅耳波帶片是呈放射狀對稱的光學元件，由透光區(qū)域和非透光區(qū)域交替構(gòu)成。圖2顯示了一典型的菲涅耳波帶片中心圓環(huán)的示例性示意圖。
菲涅耳波帶片上透光和非透光環(huán)帶的徑向尺寸由幾何學與三角學的因子決定，使得從波帶片透射出的光在該菲涅耳波帶片的光軸31上的某一點處構(gòu)成干涉。圖3顯示了一典型菲涅耳波帶片的透射中心區(qū)域和環(huán)繞的遮光帶，其中一平面波的光線32在菲涅耳波帶片上不透光環(huán)帶33的外緣的一點34處被衍射，并且傳播了一距離ρ到達光軸31上的一點36處。如果在兩個不同光程上傳播的光線之間的相差是從點光源32所發(fā)出的光波長的整數(shù)倍，則它們構(gòu)成干涉。這個條件在數(shù)學上可以表示為ρ-ρ0＝mλ (1)其中m＝1，2……(m為整數(shù))。
對于半徑a1的中心孔徑，由rn＝n1/2 a1給出每一個接連的在有光區(qū)域和黑暗區(qū)域之間的“nth”環(huán)形邊界的半徑。通常，菲涅耳波帶片的環(huán)帶數(shù)越大，在焦點光斑處光強越高并且場深越小。因而，包括若干環(huán)帶的菲涅耳波帶片一般在許多應用中都是令人期望的，并且環(huán)帶的期望數(shù)目可由仿真或?qū)嶒灈Q定和/或確定。來自這樣一個菲涅耳波帶片33的光線可被顯示為達到一焦點fm(λ)處，其中fm(λ)由以下方程給出fm(λ)＝α12/(mλ) (2)因而，菲涅耳波帶片33的焦距取決于輻射波長λ。因此，合適的菲涅耳波帶片是可以用來當作色散元件30的一種元件類型。
在自注入激光二極管絕對距離測量設備5中用作色散元件的波帶片可由任何目前已知的或以后開發(fā)的方法來制造。一種經(jīng)濟的衍射波帶片類型是由常規(guī)的“在玻璃上鍍鉻薄膜”的等技術制造的。在Dobson等人發(fā)射的論文“用于彩色共焦成像的衍射透鏡”(Applied Optics，vol.36，No.20，1997年7月10日，pp4744-4748)中描述了另一種在自注入激光二極管絕對距離測量設備5中用作色散元件的衍射波帶片，該論文以其整體引用在此作為參考。在這篇參考文獻中，該衍射波帶片是一個四個相位級衍射透鏡，其中的衍射透鏡是使用電子束平版印刷術從石英晶片開始加工以及隨后以氫氟酸浴方式的化學腐蝕而得到的。
其它類型的衍射光學元件也同樣是從眾所周知，例如多元件的透鏡組，其中具有不同光學性質(zhì)的多層材料層疊制在一起。根據(jù)定制來設計和制造的衍射光學透鏡和/或透鏡陣列是可以從多家廠商獲得的，比如位于美國北卡羅萊納州的charlotte市David Taylor大道9815號的Digital Optics Corporation公司。衍射光學透鏡設計技術同樣在“微光學元件、系統(tǒng)和應用”(MICRO-OPTICSELEMENTS，SYSTEMS AND APPLICATION，Hans PeterHezig，Taylor & Francis編著，倫敦，1970年)和“用于衍射光學元件計算機設計的方法”(Methods for Computer Design of Diffractive Optical Elements，Victor A.Soifer編著，Jonhn Wiley and Son公司出版，紐約，2002年)兩書中有敘述。
由色散聚焦元件30所產(chǎn)生的焦點光斑可由高斯焦深(GDOF)來描述，其中高斯焦深可定義為在其上相干波前的相位不會有多于輻射波長四分之一的差量。圖4說明了高斯焦深。
圖4說明了到達焦點的一光束，該光束是作為從像圖2和圖3中所示的菲涅耳波帶片33那樣的色散聚焦元件30中透射的結(jié)果。為了圖像清晰，焦點區(qū)域被高度放大并且色散聚焦元件30并沒有在圖4中顯示出來。圖4中所說明的光束具有兩個波長成分λ1和λ2。第一個波長成分λ1的包絡42在離色散聚焦元件30的距離為z1處可最佳地聚焦。在高斯焦深的中心內(nèi)光束的寬度由光腰或光斑尺寸ω1來描述，其中ω1與波長λ1和高斯焦深有以下關系GDOF=2πω12/λ1=2λ2π(z1(λ1)ωL(z1(λ1)))2≈λ1NA]]>
(3)其中ωL是在色散聚焦元件30處的光束半徑(如圖1所示)，以及NA是色散聚焦元件30的數(shù)值孔徑，由孔徑直徑除以焦距來定義。離色散聚焦元件30的距離為z1處有最小焦點ω1，圖4中在該處等相面46是垂直的(平面的)。
光束的第二個波長成分的包絡44在圖4中用虛線表示。具有波長λ2的第二個波長成分在離色散聚焦元件30的距離為z2＝z1+Δz處可最佳地聚焦，并且離第一個波長λ1的最佳聚焦點的距離為Δz。根據(jù)上面的方程(2)，兩個最佳聚焦光斑之間的距離Δz取決于光束成分中的兩個波長λ1和λ2，并且還取決于色散聚焦元件30的色散常數(shù)。
因為色散聚焦元件30將不同波長的光線聚焦到不同焦平面上，所以標稱的高斯焦深將會包括對應于不同波長的光譜的最佳焦點，正如在圖4中以實線與虛線示意性地顯示λ1和λ2那樣。因此焦深是影響設備的深度分辨率(測量分辨率)的主要方面。特別地，與色散常數(shù)KL相結(jié)合的焦深可與波長不確定性有關，也被稱為分辨率帶寬ΔλCD，其中ΔλCD與從目標表面40反射回來并且耦合進入激光波導增益介質(zhì)10的光線的半高全寬(FWHM)相對應。這個關系簡單表示為ΔλCD＝GDOF/KL (4)根據(jù)方程(4)，從目標表面40反射回來并且耦合進入激光波導增益介質(zhì)10的光線的分辨率帶寬與高斯焦深成正比，并且與色散常數(shù)KL成反比。因此，為使該設備具有可能達到的最高分辨率(最小的波長不確定性)，期望所反射的帶寬最窄，這意味著要有很大的色散常數(shù)KL以及很小的高斯焦深(GDOF)。獲得較小的高斯焦深需要很大的數(shù)值孔徑NA，因為根據(jù)方程(3)高斯焦深與數(shù)值孔徑有關。在一些多層衍射光學元件(DOE)中，可達到的數(shù)值孔徑受到陰影效應(shadowing effects)所限制，其中隨后沿著光程出現(xiàn)的、衍射光學元件所具有不透光特性的垂懸物遮擋了之前沿著光程出現(xiàn)的、由DOE特性所偏轉(zhuǎn)的光線的路程，從而減小了元件的透光率并且模糊了焦點光斑。通過使用折射類型的色散聚焦元件30或通過構(gòu)成一“復合”色散聚焦元件30都可達到較大的數(shù)值孔徑，其中“復合”色散聚焦元件30包括與一個或多個常規(guī)透鏡相結(jié)合的色散衍射光學元件，用以接收從色散衍射光學元件輸出的光束或光斑并且將其再放大以提供一較大的數(shù)值孔徑。在前面所包含的Dobson et al.的文章中，描述了一種適用于使用多透鏡的此類“復合”色散聚焦元件30的可能的結(jié)構(gòu)。
下面的表1，總結(jié)了可以在自注入絕對距離測量設備的設計中使用的一組可能的參數(shù)。

表格1達到目標表面40上焦點處的波長會被目標表面40反射，并且往回傳播穿過光學系統(tǒng)，并且穿過腔內(nèi)晶面14進入激光增益介質(zhì)10。增益介質(zhì)只接收落在準入圓錐16內(nèi)并且落在增益介質(zhì)的波導孔徑內(nèi)的光線。波導結(jié)構(gòu)因而就像一個空間濾波器那樣，傾向于主要準入從目標表面返回的、可最佳地聚焦的光線。在準入圓錐16外，光線的軌跡偏離光軸太多以至于無法進入光學增益介質(zhì)10中。在圖1中概略地顯示了準入圓錐16。
外腔激光器的增益閾值在準入圓錐內(nèi)返回的波長分布處變小了，使得激光振蕩發(fā)生在最能有效往回耦和進入增益介質(zhì)10內(nèi)的波長處。在這種情況下，光被激光增益介質(zhì)10所放大，使得激光器以主要波長發(fā)出相干輻射，其中主要波長與被色散元件30最佳地聚焦到目標表面40上的波長相對應。這個輻射波長可由任何常規(guī)的、目前已知的或以后開發(fā)的技術來測量。
圖5顯示了一示例性的波長測量器件60，根據(jù)前面的描述該器件可用于測量從絕對距離測量設備6發(fā)出的輻射波長。波長測量器件60接收從光分束器50偏轉(zhuǎn)過來的光線，該光分束器50設置在絕對距離測量設備6的外腔之內(nèi)，并且引導平行光線到一聚焦透鏡55(可選擇的)上，該聚焦透鏡將光線匯聚到波長測量器件60的入射孔徑上。波長測量器件60可以是比如波頻計、分光計或波長敏感的光電二極管。加州Westlake村莊Corsa路5700號的PacificSilicon Sensors公司出品合適的商用波長敏感光電二極管。然后波長測量器件60輸出一可表征所偏轉(zhuǎn)的光線波長的信號，而該波長又依次表征色散聚焦元件30和目標表面40之間的距離。但是，光分束器50減小了從外腔反饋到激光增益介質(zhì)10內(nèi)的光線的光功率，并且因此可使?jié)撛诘男旁氡群妥鳛榻Y(jié)果的絕對距離測量設備6所產(chǎn)生的測量性能惡化。
圖6顯示了可設置用于從激光增益介質(zhì)10的后方晶面12處接收光線的波長測量器件90。如前面那樣，波長測量器件90可以是比如波頻計、分光計或波長敏感的光電二極管。在后方晶面12上的反射涂層可以是部分透射的，以發(fā)出可探測到的輻射量。來自后方晶面12的發(fā)散光線(輻射)可由準直透鏡70將其準直并且可由一輸入聚焦透鏡80將其聚焦到波長測量器件90的輸入中。這種配置的優(yōu)點在于所取樣的光線是在穿過激光增益介質(zhì)之后從激光器外腔發(fā)射出來的，而不是在光線穿過增益介質(zhì)之前從外腔中提取出來的，因經(jīng)沒有減小從波長確定外腔反饋進入激光增益介質(zhì)內(nèi)的、主要的測量信號光的光功率。
或者，可以使用任何其它目前已知的或?qū)黹_發(fā)的、對于給定的應用提供合適的精確度的波長測量裝置。例如，在文章“與半導體光放大器集成在一起的寬幅可調(diào)諧采樣光柵分步反饋激光器中的波長監(jiān)控”(WavelengthMonitoring in Widely Tunable Sampled-Grating DBR Lasers Integrated withSemiconductor Optical Amplifiers，L.Majeewski，J.Barton，L.A.Coldren，Y.Akulova，G.Fish，Proc.CLEO/QELS 2002，paper no.CWK4，LongBeach，CA，(May19-24，2002)美國光學學會)中描述了一種用于在寬幅可調(diào)諧激光器中監(jiān)控發(fā)射波長的方法，其中寬幅可調(diào)諧激光器與半導體光放大器一起集成在單片集成電路上。這篇文章以其整體引用在此作為參考。盡管所述方法與之前所揭示的波長測量方法相比不夠精確，但是本方法仍然提供了價格與性能的折衷，這在某些應用中是具有優(yōu)勢的。在使用該論文所描述的IC結(jié)構(gòu)時，該方法利用了IC的SOA部分中透明電流和IC的激光器部分的激光發(fā)射波長之間的依賴關系。透明電流大約是激光波長的線性函數(shù)，但是也可使用更高階的函數(shù)或查詢表格在參照精密外腔波長探測器的情況下相對精確地校準該透明電流，其中的查詢表格與許多在校準裝置中使用精密實驗室波長儀來精確測量的波長相對應。此后，在運行中，可使用各種已知的精密電流測量電路來測量透明電流，如果期望的話，該電路也可集成到所述的IC上；并且所述波長也可從所測量的透明電流中譯解出來。為了消除由于溫度效應可能引發(fā)的錯誤，可使用已知的激光二極管溫度穩(wěn)定技術?；蛘?，可使用與校準表格相結(jié)合的溫度檢測元件，該表格將設備溫度與波長對透明電流的關系的溫度依賴修正相聯(lián)系。當這種裝置用于波長監(jiān)控時，與之前所揭示的配置形成對比，就不再需要外部波頻計或相關的光學部件，并且獲得降低成本和設備的小型化。
如上所述關于測量設備5的運行，色散聚焦元件30可具有大小為KL的色散常量，使得設備可支持兩個或多個縱模，這些縱模與到達標稱的高斯焦深內(nèi)一焦點處的波長相對應。例如，使用表格1中所表明的參數(shù)，高斯焦深為25納米，所以根據(jù)方程(4)，分辨率帶寬為2.5納米，然而模式間距僅為0.12納米。因此，在分辨率帶寬中潛在地包括了多個模式。但是，因為二極管激光器的增益非常高，模式競爭將會強烈得偏好于具有最低增益閾值的模式，即該模式所具有的波長最佳地聚焦到目標表面上，并且因此具有最少的損耗和/或從外腔往回耦和進入激光增益介質(zhì)10內(nèi)的最大的功率。理想情況下，可最佳地聚焦的波長將會因此支配性地或完全地決定激光諧振波長，而該波長將會依次表征相應焦點的距離，即到目標表面的測量距離，同時具有高分辨率和精確度。一般地，因為二極管激光器的增益非常高，作為結(jié)果的激光諧振的線寬將會比分辨率帶寬小很多，并且也比縱模間距小。在這種情況下，測量精確度可能主要受波長探測方法或其它像目標表面粗糙度這樣的因素所限制，而不是外腔激光器系統(tǒng)運行中所固有的因素。
在許多情況下，波長探測方法將會包括在一段時間內(nèi)對一波長相關信號求積分。在這種情況下，所探測到的表現(xiàn)是激光波長可具有由于對變化的信號求積分而導致的被增寬的帶寬，其中變化的信號來自于多種潛在的原因，比如模式跳躍、由于振動和/或目標表面的振動而導致的腔長變化等等。不管這些原因，在許多情況下，作為結(jié)果的“寬幅的”波長探測信號是以在目標表面最具代表性的位置處可最佳地聚焦的波長為中心的。通過使用信號采集和分析技術，測量分辨率可仍然被確定在優(yōu)于表觀波長探測信號的帶寬的水平上，其中該技術可有效決定中心波長、“矩心”或所探測到的激光波長功率譜的平均值。例如，測量分辨率可達到大約與激光腔模式間隔相對應的水平，比如與前面討論過的一組設計參數(shù)范例的大約0.12納米波長變化相對應。當KL＝10μm/nm時，這與絕對距離測量設備大約1.2μm的分辨率相對應。
作為可供選擇的辦法以使激光測量設備可支持有些不可預見的模式跳躍，可在測量設備的外腔中插入標準具。為了可靠地選擇多個落在分辨率帶寬ΔλCD內(nèi)的潛在模式中的一個，標準具只允許某些波長通過，使得設備將會僅在梳狀的離散波長處諧振，其中ΔλCD以發(fā)生在設備測量范圍內(nèi)的一波長為中心。圖7顯示了包含標準具100用于以下述方式抑制不想要的模式的測量設備8。標準具100可位于外腔中的準直透鏡20和色散元件30之間。設置標準具100時可提供一微小的入射角，以避免往回反射的光進入激光器腔體，那將擾亂測量設備8中激光增益介質(zhì)10的預期運行。
當使用例如表格1所列的參數(shù)時，在圖8中定性地說明了測量設備5-7的運行。圖8顯示了激光增益介質(zhì)10的增益譜110，該增益譜可疊放在所支持的外腔激光器縱向腔體模式波長120的譜線之上。參考數(shù)字121表征兩個相鄰縱模。為了便于討論，將所支持的縱向腔體模式波長120理想化。通常，由于將某些可變性引入到運行中的外腔長度上的表面粗糙度和/或振動的緣故，附加的所支持的波長將會典型地存在于實際的設備中。根據(jù)前述的操作原理，參考數(shù)字130表征往回耦和進入激光增益介質(zhì)的光反饋譜線。光反饋譜線130的分辨率帶寬為ΔλCD，其中如前述那樣，ΔλCD是由色散常數(shù)KL和高斯焦深根據(jù)方程(4)決定的。在圖8中同樣顯示了由標準具100所允許通過的一代表性的梳狀離散波長135。對于在圖8中所示的例子，沒有標準具，大約6個或更多潛在的縱模落在了分辨率帶寬ΔλCD之內(nèi)。
在兩個外腔模式具有相似的反饋級的情形中，像圖8所示的一對模式122那樣，可觀察到多模行為。但是，如果需要或期望的話，可使用腔內(nèi)標準具100來抑制多模行為。通過只允許激光諧振發(fā)生在梳狀離散波長135中的某一波長處，標準具可有效地減少或消除不可預見的多模行為。插入具有精細結(jié)構(gòu)f和自由光譜范圍(FSR)這兩個參數(shù)的標準具可改善反饋光信號的選擇性。為了選擇一單縱模，標準具的自由光譜范圍和精細結(jié)構(gòu)f應該滿足下式FSRf≤2·ΔλEXT---(5)]]>
其中自由光譜范圍由下式給出FSR=λ22nt≥12ΔλCD---(6)]]>其中t是沿光線方向的有效厚度并且n是標準具的折射率。挑選標準具厚度t使得其自由光譜范圍大于光反饋譜130分辨率帶寬的一半，如方程(6)所表述的那樣。對于表格1中所列的參數(shù)，這與小于大約1毫米的光學厚度相對應。標準具可參照激光光束傾斜一個1-2度的角，使得其表面反射掉的光將不會往回耦和進入激光增益介質(zhì)10。標準具光譜通帶可設計為足夠的寬以能夠使光反饋譜130內(nèi)所支持的波長通過，并且還要足夠的窄以抑制光反饋譜130內(nèi)其它的外腔邊側(cè)模式，如方程(5)所表達的那樣。標準具的精細結(jié)構(gòu)f是由標準具自由光譜范圍除以所期望的標準具透射線寬而給出的。過濾相鄰外腔模式的條件為標準具精細結(jié)構(gòu)f設定了一較低的限制。
方程(5)中的因子2涉及兩次穿越標準具100。為使激光器以單模方式運行我們有這樣的條件標準具100的通帶寬必須等于或小于外腔模式間距的兩倍，或者對于這里所用的一組設計參數(shù)范例來說就是0.24納米。從方程(6)計算出FSR＝1.25nm，我們必須使精細結(jié)構(gòu)f至少大于5。因此，使用標準具100時，激光器可以僅僅在具有某一波長的模式上諧振，該波長由標準具所透射并且最接近于光反饋曲線130的峰值。當使用標準具100時，因為標準具所透射的僅僅是由數(shù)值ΔλET(圖8中定性地顯示)間隔的離散波長，所以僅僅當離目標表面的距離改變了一個與波長變化ΔλET相對應的累積量值時，測量設備8的距離測量才會從一個離散的測量值變化到另一個離散的測量值，其中的ΔλET在一般的條件下典型地至少為縱向腔體模式間隔的數(shù)倍。因而，通常，測量設備8的潛在測量分辨率和精確度將會低于測量設備5、6和7所提供的潛在分辨率和精確度。但是，測量設備8可提供更穩(wěn)定或更可預知的運行，以及足夠適用于大量應用的分辨率和精確度。
對于絕對距離測量設備5而言，一重要的設計考慮是激光增益介質(zhì)10的腔內(nèi)晶面14的反射率。通常，這個反射率應該盡可能地低，以使相對于僅在激光二極管增益介質(zhì)10的晶面12與14之間所傳播的光線而言在外部激光腔體內(nèi)所傳播的光線的貢獻最大化。如果腔內(nèi)晶面14的反射率大于相對于目標表面40的反射率而言的某一臨界值，外部腔體會失去對諧振波長的控制并且器件變得不可運行。對于腔內(nèi)晶面14對目標表面40的反射率的穩(wěn)定性標準的詳細處理，可在Zorabedian等人發(fā)表的論文“光柵調(diào)節(jié)的外腔半導體激光器中的雙穩(wěn)性”(Bistability in Grating-Tuned External-Cavity SemiconductorLasers，IEEE Journal of Quantum Electronics，vol.QE-23，No.11，11月1987年)中發(fā)現(xiàn)，這篇論文以其整體引用在此作為參考。
如果r0是激光腔后方晶面12的振幅反射系數(shù)，并且reff是由腔內(nèi)晶面14和目標表面40構(gòu)成的復合外腔的前方有效反射系數(shù)，那么對于外腔激光器的諧振條件由下式給出r0e(g-αm)lDeiωτreff=1---(7)]]>其中g是激光增益，αm是模式損耗，lD是激光二極管長度，ω是激光頻率，τ＝2nlD/c是激光二極管往返傳播時間，r0是激光二極管后方晶面12的振幅反射系數(shù)，并且reff是激光二極管的外腔目標表面40和內(nèi)部腔內(nèi)晶面14的有效振幅反射系數(shù)。reff可定義如下reff=ri+ηreeiωτe1+riηreeiωτe---(8)]]>其中ri和re分別是內(nèi)部的激光器腔內(nèi)晶面14和外腔目標表面40的振幅反射系數(shù)，η是外腔往回耦和進入激光二極管的強度耦和系數(shù)，并且τe＝2Lext/c是外腔的往返傳播時間。通過將方程(7)中的往返增益的幅度作為等于1就可發(fā)現(xiàn)增益閾值。在這種情況下，g=αm-1lDIn(r0|reff|)---(9)]]>如果具有反饋的最大閾值增益大于具有零反饋的閾值增益，那么激光器將不再由外腔所控制。定義Δg為具有外部反饋的增益閾值gext和不具有外部反饋的增益閾值gi之間的差別，Δg＝gext-gi＝-In(|reff|/ri)(10)假定對于單個激光二極管和外腔激光二極管而言模式損耗是等價的，則當有效外腔反射系數(shù)reff小于激光增益介質(zhì)10的內(nèi)部腔內(nèi)晶面14的反射系數(shù)ri時，從方程(10)可看到外腔失去了對激光諧振的控制。因此，外腔失去對激光諧振的控制的條件是當Δg＞0。
具有外部反饋的增益閾值gext和不具有外部反饋的增益閾值gi之間的增益閾值差別Δg也通過折射率與半導體載流子濃度相關。載流子濃度隨頻率的函數(shù)變化，并且因此如同頻率的函數(shù)那樣可通過折射率影響增益變化。這種關系可表達為n＝n0+α(c/2ω)Δg(11)其中n0是單個激光器在閾值處的折射率，并且α定義為在折射率中真實的與想像的變化的比值。α經(jīng)常被稱之為線寬增強因子，因為由于載流子濃度變化而導致激光線寬上的增寬效應。
到目標表面40的距離決定往回耦和進入激光波導中的光反饋譜的中心波長。如上面討論的那樣，在光反饋譜的帶寬內(nèi)，可存在許多外腔模式。諧振將會在具有最低增益閾值的模式的波長上發(fā)生，該波長在目標反射所產(chǎn)生的光反饋譜的峰值附近。這是由于模式競爭才發(fā)生的。但是，由于具有近側(cè)激光晶面的剩余反射率的外腔干涉的緣故，根據(jù)方程(8)reff的值隨著反射光的頻率ω而變化。因此，如由方程(10)所描述的增益曲線將會顯示經(jīng)歷一組作為反饋頻率的函數(shù)的最大和最小值的諧振行為。這一行為正如圖9此說明的那樣，它顯示了與外腔激光器波長的穩(wěn)定性有關，從而與本文所揭示的測量設備的工作性能有關的重要關系。
圖9顯示了隨波長而變化的閾值增益的計算行為，其中畫出了增益閾值對波長單位的圖，該波長單位與單個激光二極管芯片自由光譜范圍相對應。x軸上的單位以弧度表示，使得增益在沿x軸上每6.28個單位就經(jīng)歷一個周期。曲線的最小值(即最低的閾值增益)代表這樣一些波長，使得由外腔(目標表面40)所形成的波的相位與激光增益介質(zhì)10近側(cè)腔內(nèi)晶面14所反射的波的相位在增益介質(zhì)中構(gòu)成干涉。圖9中所示的三條曲線與用于絕對距離測量設備5的目標表面40的有效反射率Rts的三個不同數(shù)值相對應。最低的曲線對應的數(shù)值為1×10-2，中間的曲線為4×10-3，以及最上面的曲線為1×10-3。增益介質(zhì)10的腔內(nèi)晶面14的反射率在每種情況下都是1.5×10-4。
對于α＝0，如前述的那樣，通過外部反射波和內(nèi)部反射波相干涉的連續(xù)最大值和最小值來調(diào)節(jié)反饋頻率，與此相隨的是增益的正弦調(diào)制。這將會導致與增益閾值對波長中的變化相對應的、均衡的、完美正弦的信號(未顯示)。但是，對于線寬增強因子為非零值的情況，觀察到一種不同的行為。對于圖9所示的三條曲線，線寬增強因子α的數(shù)值為-5。對于這樣的非零α值，每一個解的頻率被增益依賴的半導體相移在參照α＝0的基礎上“拉動一下”，該相移是由方程(11)所給出的折射率的變化所引起的。程度最大的拉動是在諧振的外部反饋(閾值最小值)的頻率和單個激光二極管在沒有外部反饋情況下的縱模的頻率之間。程度最小的拉動是在反諧振的外部反饋(閾值最大之)的頻率和單個激光二極管在沒有外部反饋情況下的諸多縱模的中間頻率之間。這種拉動效應導致了圖9所示的增益閾值輪廓中的傾斜，遠離了完美對稱的正弦模式。
隨著通過增加目標表面反射率Rts來增加反饋振幅的數(shù)值，根據(jù)方程(9)閾值增益減小了并且傾斜變得不顯著了。圖9中最低的曲線與目標反射率1×10-2相對應，其傾斜相對較小，僅接近在閾值最大值和閾值最小值之間產(chǎn)生一垂線那一點。目標反射率為此值時，激光器將會展現(xiàn)穩(wěn)定、單模的運行。在與Rts＝4×10-3相對應的下一個曲線中，傾斜超出了垂直，使得對于一給定頻率可存在兩個或更多的增益閾值。因此，由于腔內(nèi)晶面14所反射的波和目標表面40所反射的波相干涉而在增益中引起充分大的變化，增益輪廓變?yōu)榘夹蔚?，產(chǎn)生了具有多閾值的頻率帶。在與最低的目標反射率1×10-3相對應的最上面一條曲線中，增益輪廓進入到零以上，使得目標反射率在這樣低的數(shù)值的情況下，外腔失去了對諧振的控制。
如在圖9中所看到的那樣，假定的隱含參數(shù)是線寬增強因子α為-5以及腔內(nèi)晶面14反射率Ri為1.5×10-4，對于目標表面40的反射率Rts的數(shù)值小于大約1×10-2的情況，增益輪廓變?yōu)榘夹蔚?。于是，為使激光二極管絕對距離測量設備5以單穩(wěn)態(tài)的模式運行，1×10-2是這組假定的參數(shù)中目標表面反射率Rts的臨界值。增益輪廓變?yōu)榘夹螘r所對應的目標反射率的數(shù)值取決于腔內(nèi)晶面反射率。對應一組給定的設計參數(shù)，目標反射率的臨界值一般與腔內(nèi)晶面反射率的數(shù)值成一定比例。因而，在仍然維持激光二極管絕對距離測量設備5的穩(wěn)定運行的同時，允許較低的目標反射率的一種方法是減小腔內(nèi)晶面的反射率。
圖10是這些與目標表面40的反射率Rts相比較的腔內(nèi)晶面14的反射率Ri的臨介數(shù)值圖。根據(jù)方程(10)，增益閾值將取決于包括目標表面40的外腔的有效反射率與激光增益介質(zhì)10的腔內(nèi)晶面14的反射率相比較的比值。圖10顯示了絕對距離測量設備將會以穩(wěn)定、單模輸出的方式來運行的數(shù)值。圖中三條線與線增強因子α的不同數(shù)值相對應。這些線基于目標表面的反射率Rts與激光增益介質(zhì)10的腔內(nèi)晶面14的反射率Ri相比較的比值，把穩(wěn)定行為區(qū)域和具有像圖9所示的“凹形的”行為這樣的非穩(wěn)定行為區(qū)域分離開。如圖中所看到的那樣，最大的穩(wěn)定行為區(qū)域與線增強因子α最小的絕對值相對應。
上述針對限定的線寬增強因子α的情況所作的處理，相對于腔內(nèi)晶面14的反射率而言為目標表面40的反射率的可接收數(shù)值設定了范圍。例如，根據(jù)圖10，如果激光增益介質(zhì)10的腔內(nèi)晶面14的反射率為5×10-4，在線寬增強因子為-7的情況下，目標表面必須具有超過為使絕對距離測量設備穩(wěn)定運行的反射率大約5％的反射率。對于線寬增強因子為-5的情況，目標反射率可低至2.5％并且絕對距離測量設備5仍將以穩(wěn)定模式運行。對于線寬因子僅為-3的情況，目標反射率可低至1％并且絕對距離測量設備仍將以穩(wěn)定模式運行。線寬增強因子α的數(shù)值強烈取決于激光二極管的結(jié)構(gòu)并且也受到激光器注入電流和激光增益帶寬邊緣附近的運行的影響。如實踐的內(nèi)容那樣，提供可操作的線寬增強因子α的激光二極管是可以獲得或可以制造的，并且為了保證測量設備5運行的穩(wěn)定性，最容易指定的和/或可變的或可控制的主要因素就是腔內(nèi)晶面14的反射率。
位于美國加州郵編為90620的Buena地區(qū)Equador路5765號的SacherLasertechnik有限公司和位于德國D-35037 Marburg Hannah Arendt Straβe 3-7的Sacher Lasertechnik GmbH所提供商用設備具有低至5×10-4或更低的腔內(nèi)晶面反射率。在Sacher的美國專利第6297006號中揭示了用于制造具有如此反射率的腔內(nèi)晶面的方法，該方法以其整體包含在此作為參考。此外，Braun等人發(fā)表的論文“用于半導體激光器晶面的寬帶多層‘防反射’涂層”(OpticalLetter，vol.20 no.10，5月15日，1995)以其整體包含在此作為參考，它描述了Al2O3，Si和SiO2的三層“防反射”涂層，該涂層可使激光二極管晶面在激光器運行于1550納米處90納米帶寬之上僅具有1×10-6的反射率。對于發(fā)光為1310納米的InGaAsP激光器，已達到3×10-6的晶面反射率和30納米的帶寬。三種材料的折射率分別為1.57，3.54和1.44。三層的薄膜厚度分別為0.278λ，0.099λ和0.054λ。多層涂層已經(jīng)應用于1550納米InGaAsP二極管激光器。這種“防反射”涂層可為絕對距離材料設備5的結(jié)構(gòu)提供適當?shù)男阅堋?br> 通常，根據(jù)圖9和10所示的數(shù)據(jù)，在比腔內(nèi)晶面14的反射率大10倍或100倍的范圍內(nèi)的有效目標表面40反射率是足夠允許激光二極管絕對距離測量設備穩(wěn)定運行的。許多粗加工的軋制薄板的自然反射率在0.3-0.8的范圍中，那就是腔內(nèi)晶面14反射率所處的范圍1×10-3的300多倍。為達到有效目標表面40的反射率和腔內(nèi)晶面14的反射率之間的比值大約100倍，所期望的腔內(nèi)晶面14的反射率大約為3×10-3或更少。如果期望相對廣泛的多種目標表面都可靠地運行，則所期望的腔內(nèi)晶面14的反射率大約為1×10-3或更少；以及如果期望相對更廣泛的多種目標表面都更可靠地運行，則所期望的腔內(nèi)晶面14的反射率大約為5×10-4或更低。精加工和/或拋光的表面的反射率甚至更高。從而，甚至允許在外腔中有各種其它光功率損耗，可提供測量設備5、6、7或8，它能為廣泛的各種目標表面提供穩(wěn)定的運行。
結(jié)合上述的示例性實施例已經(jīng)描述了本發(fā)明，同時很明顯的是對于本領域的技術人員而言許多替代、修正和改變將會是顯然的。因此，如上面所闡明的本發(fā)明的示例性實施例旨在說明而非限制。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可作出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種距離測量裝置，其特征在于，它包括一聚焦元件，將光線聚焦到焦平面上，從所述聚焦元件到各個焦平面的距離取決于光的各個波長，使得當目標表面位于所述的各個距離處時光的各個波長可從所述目標表面上焦點光斑處會反射；和一增益介質(zhì)，設置用于放大由所述目標表面上焦點光斑所反射的光的各個波長。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括所述增益介質(zhì)的腔內(nèi)晶面和后方晶面；以及在所述后方晶面和所述目標表面之間形成的諧振腔。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，還包括一波長檢測器件，設置用于檢測由所述增益介質(zhì)所放大光的各個波長并且提供與所述光各個波長相對應的信號，其中所述各個波長與所述各個距離相對應使得所述信號可表征所述各個距離。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，還包括用于將所述諧振腔中來回傳播的光線引導至所述波長檢測器件中的光分束器。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，在所述增益介質(zhì)的后方晶面之后設置所述波長檢測器件。
6.如權(quán)利要求3所述的裝置，還包括準直透鏡和成像透鏡，設置它們是用于接收具有將被檢測的波長的光線以及在所述波長檢測器件的入口處匯聚那束光。
7.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述波長檢測器件是分光計、波頻計和波長靈敏的光電二極管中的一種。
8.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述波長檢測器件包括一半導體光放大器，設置它可使得其透明電流依賴于所述的激光可發(fā)射的波長。
9.如權(quán)利要求2所述的裝置，還包括設置在所述諧振腔內(nèi)的標準具。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述標準具是以不與由所述諧振腔所定義的光軸相垂直的角度設置的。
11.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述增益介質(zhì)的腔內(nèi)晶面上覆有一反射率小于大約3×10-3的“防反射”涂層。
12.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述增益介質(zhì)的腔內(nèi)晶面上覆有一反射率小于大約1×10-3的“防反射”涂層。
13.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述增益介質(zhì)的腔內(nèi)晶面上覆有一反射率小于大約5×10-4的“防反射”涂層。
14.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述激光增益介質(zhì)的腔內(nèi)晶面的反射率至少要比所述目標表面的反射率低大約10倍。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括在所述增益介質(zhì)和所述聚焦透鏡之間設置一光學元件，它用于校正由所述增益介質(zhì)放大并朝著所述目標表面發(fā)射的非圓形光束。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括在所述增益介質(zhì)和所述聚焦元件之間設置準直透鏡。
17.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述聚焦元件是衍射光學元件。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述衍射光學元件是波帶片。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述增益介質(zhì)具有一大于大約-7的線寬增強因子。
20.一種距離測量裝置，其特征在于，包括一聚焦元件，用于將光線聚焦到焦平面上，其中從所述聚焦元件到焦平面的距離取決于所述光線的波長，使得當目標表面位于離所述聚焦元件某一相應距離時，從所述目標表面上焦點光斑處反射的光線具有與所述的相應距離相對應的各個主要波長；以及一增益介質(zhì)，設置它是為了接收從所述焦點光斑處所反射的光線的相應主要波長，使得它放大所述相應主要波長的光線以提供定義明確、可表征從所述聚焦元件到所述目標表面之間相應距離的光波長。
21.一種距離測量裝置，其特征在于，它包括一發(fā)出光線的光放大增益介質(zhì)；以及一聚焦元件，它從所述增益介質(zhì)接收光線并且在離所述聚焦元件相應的各個距離處聚焦每一個相應的光波長；其中放在離所述聚焦元件一相應距離處的目標表面將相應的、聚焦的各個光波長反射回所述增益介質(zhì)，使得該光波長就是由所述增益介質(zhì)所接收的主要波長；所述增益介質(zhì)優(yōu)先放大和發(fā)射所接收到的主要光波長以提供定義明確的光波長；以及所述定義明確的光波長可表征從所述聚焦元件到所述目標表面之間的相應距離。
22.一種距離測量裝置，其特征在于，包括用于將光線聚焦到焦平面上的裝置，其中焦平面的位置取決于所述光線的波長并與其相對應，使得當目標表面位于相應的各個焦平面上時可從所述目標表面上焦點光斑處反射相應的光波長；以及用于放大從所述目標表面上焦點光斑處所反射的各個光波長的裝置。
23.如權(quán)利要求22所述的距離測量裝置，其特征在于，它還包括用于測量被放大的光波長的裝置；用于準直被放大的光線的裝置；用于矯正被放大的光線的非圓形光束形態(tài)的裝置；以及用于選擇被放大的光線的一單縱模。
24.一種距離測量方法包括將具有一個或多個波長的光線聚焦到至少一個焦平面上，其中每一個焦平面的位置與所述光線中的某一波長相對應；當目標表面位于與各個光波長相對應的各個焦平面上時，從所述目標表面上焦點光斑處反射所述的各個光波長；以及通過使用增益介質(zhì)放大從所述目標表面上焦點光斑處所反射的各個光波長。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括僅在一準入錐體內(nèi)接收從所述目標表面所反射的光線；在激光增益介質(zhì)中放大所接收到的光線；從所述激光增益介質(zhì)中提取所述放大的光線；以及測量所提取出的光線波長。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括準直來自所述增益介質(zhì)的光線。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括在所述目標表面和所述增益介質(zhì)之間設置一標準具。
28.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述聚焦的步驟還包括在所述目標表面和所述增益介質(zhì)之間設置一衍射光學元件。
29.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括使用具有反射率為3×10-3或更小的“防反射”涂層的增益介質(zhì)腔內(nèi)晶面。
30.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括使用具有局部透射反射涂層的增益介質(zhì)后方晶面。
全文摘要
本發(fā)明涉及絕對距離測量設備，尤其涉及一種使用激光二極管波長依賴于外腔反饋控制的絕對距離測量設備。外腔激光器具有一個在目標表面和位于離該目標表面最遠處的激光二極管晶面之間所形成的外腔。將一色散元件設置在外腔中并且聚焦來自激光二極管的光，使得某一波長可聚焦在目標表面上的焦點光斑處。從目標表面上的焦點光斑處所反射的光是往回耦合進入激光波導內(nèi)的主要波長，該激光波導可提供一確定激光二極管諧振波長的反饋信號。激光二極管因此輸出定義明確、與色散元件和目標表面之間的距離相對應的光波長。
文檔編號G01S17/00GK1734287SQ20051008451
公開日2006年2月15日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者D·W·賽斯克 申請人:株式會社三豐