一种自混合传感器中VCSEL的优化设计.docx

一种自混合传感器中VCSEL（垂直腔面发射激光器）的优化设计是提高传感器性能的关键。自混合传感器利用激光器内部的自混合效应，即外部反馈光与原信号混合，改变激光器输出特性，用于精确测量如距离、速度和位移。在传统的激光设计中，自混合通常被视为需要消除的噪声源，但在某些应用中，它被巧妙地利用以提升测量精度。 本文主要探讨如何通过优化VCSEL的外围设计来最大化自混合信号，这是目前尚未有深入研究的领域。文中提到，量子阱的数量、布拉格反射镜的数目以及探测器的位置是影响自混合效果的重要因素。通过改变这些参数，可以调整激光器的输出特性，进而增强自混合信号。 作者指出，降低输出镜的反射率可以强化自混合效应，但也会带来损耗问题。为解决这一矛盾，文章提出改进增益材料和调整反射镜反射率的策略，以优化自混合信号。实验表明，顶镜和底镜的输出光信号强度存在显著差异，说明仅关注一个镜面的优化可能并不理想。 仿真系统建立了一个微外腔，激光器和悬臂梁之间形成一个可变长度的腔体，悬臂梁的振动导致腔体长度变化，从而影响反馈光的相位。通过测量超过阈值的输出功率，可以获取微小振动的信息，实现高精度测量。调制深度或可见度被定义为衡量传感器灵敏度和固有信噪比的指标，是研究的主要对象。 标准的VCSEL结构由多个量子阱组成，嵌入在一个具有高反射率的布拉格反射镜之间。选择特定材质是因为它们的高增益特性和易于制造透明底层。论文详细描述了激光器的物理参数，包括矩阵乘法计算的有效反射率、三镜腔反馈模型的光传输、激光速率方程以及输出功率和注入电流的载流子密度。 实验结果显示，对于低透射率的VCSELs，优化量子阱和反射镜参数可以显著影响自混合信号的能见度，并且电流的变化直接影响能见度，这为进一步改进传感器性能提供了指导。 该文深入探讨了自混合传感器中VCSEL的优化设计，提出了新的设计思路和优化方法，为提高传感器的测量精度和稳定性提供了理论依据。这一研究对于发展高精度的光学测量技术具有重要意义，特别是在微米和纳米级别的测量应用中。