在相移干涉仪中实现相位偏移的方法很多[1～3] ,其中压电晶体法和光电晶体法在传统相移干涉仪中应用较多1～3] ,它们都需要有专门的器件置于干涉光路中实现相移。而改变波长法,不需要对干涉光路进行改造,只要求有可调谐相干光源即可。它所用的光源一般是可调外腔式染料激光器及可调谐半导体激光器,前者结构复杂、成本高;而后者结构简单、价格低,可通过直接改变LD的注入电流来改变波长。所以半导体激光器相移干涉仪已有不少应用研究[4,5] 。但是在改变LD注入电流时,其输出光强也同时改变。这对于相移干涉仪显然是不利的,于是就得设法消除减少这种光强变化对测量结果的影响[6 ] 。本文提出一种新方法,利用改变LD温度来改变波长实现步进相移,并运用五幅任意步距算法解算被测相位[6] 。温度调制改变波长的同时能够保持输出光功率恒定。
理论分析
1.变波长步进相移测量的原理
步进相移相位测量技术是在干涉信号的正弦特性基础上,通过使可控的附加相位等间距地变化,利用在多个点上探测到的强度值来解算出被测相位。干涉场的光强可以表示为:
其中,是第n次相移的干涉图中(x,y)点的光强;是平均光强;是条纹调制度;ΔΦ(x,y)是被测相位,即干涉图中被测点处的两波面的相位差;δn(x,y)是可控的附加相位调制项。当改变波长实现步进相移时,
δ(x,y) =- 2πL(x,y)Δλ/λ 2 (2)
这里,λ是干涉光束波长;Δλ是波长的变化;L(x,y)是两干涉光束的光程差。通过改变波长使δn(x,y)以π/2步进变化,就可以利用三幅、四幅和五幅算法计算出被测相位。当利用五幅任意步距步进相移算法时,δ n(x,y)只要等间距步进即可,不要求其为确定值。相位求解表达式为:
2. LD波长—温度调制
在半导体激光器相移干涉仪中,利用改变注入电流来改变波长的同时,光强也被调制,使In(x,y)失去正弦特性。这对于任何步进相移算法都是严重的误差源。而对于一般的LD,典型的波长—电流调制率为0.01nm/mA,而光功率—电流调制率为0.3mW/mA,可见改变电流对光强的影响很大。
影响LD波长的因素除了注入电流外,还有LD的温度,其典型值为0.1nm/℃,且其波长—温度曲线具有很好的线性。如果使LD温度可控制地变化,而其输出功率保持恒定,我们就能得到光强稳定而波长被调制的理想光源。
还有重要的一点是:LD波长改变过程中不能出现模跳,这要依赖于LD的特性,一般能达到0.3nm的无模跳变化范围。假设λ=780nm,步进四次,得到五幅强度记录,则每次步进,波长改变0.3nm/4=0.075nm,相应温度要改变0.75℃;如果令相移步距δ=π/2,那么根据公式(2)可计算出光程差L(x,y)=2.028mm,也就是说:当两干涉光束的光程差等于2.028mm时,通过温度调制波长能够成功地实现步距为π/2的步进相移。而这对于半导体激光干涉仪来说不成问题,因为半导体激光的相干长度理论上能达到10m以上。适当加大两干涉光束的光程差,能够减小波长的改变,减小温度的变化,从而更大程度地减少可能出现的模跳。为了保持光功率恒定,在LD的驱动电路中加入自动功率控制单元(APC),由LD内置的探测器将光强变化反馈至控制电路,通过调节LD注入电流保持LD输出光功率恒定。APC的加入使波长—温度调制率略有减小。
实验研究
实验采用泰曼格林干涉仪,被测对象是一金属圆片;数据采集装置由黑白CCD摄象机、8位图象采集卡和PC机组成,采集的图象大小为512×512像素;半导体激光器是SHARP LT027MD,其工作功率7mW,中心波长787nm,它的谱线窄,波长—温度曲线的无模跳范围宽。LT027MD在自动功率控制(APC)电路控制下以P0=7mW工作,它被安装在温控装置的热沉上,加热/制冷元件是利用帕尔贴效应的半导体制冷器。由于LD的热容量较小,整个温控系统,包括LD、APC控制电路被集成封装在一个很小的圆筒中。经测定,温度20～25℃,波长变化0.352nm,无模跳产生,且线性理想。控温精度是0.01℃,对应的波长控制精度应为0.0007nm。整个系统在计算机控制下工作。
由前面的理论分析,适当选择初始光程差和移相步距(如δ=π/2),由公式(2)求得相应的波长变化,进而得到温度改变,反过来,控制温度以定值步进即可完成步进相移测量。
实际中考虑到温度控制的滞后较大,而且要使移相步距为确定值也有一定困难。所以采用五幅任意步距步进相移算法,记录五幅干涉图象即可。并且为了减小采样时间,在进行步进相移时,LD从恒温模式转为制冷模式,即在采样过程中制冷器始终工作,以期得到大的温度变化率。
实验过程如下:
1.将LD温度控制在25℃,此时LD中心波长787nm,调节干涉仪,在监视器上看到清晰稳定的干涉条纹;适当设定初始光程差,根据公式(2)确定温度的步进间距ΔT,将其输入计算机。
2.数据采集开始,在计算机控制下,记录第一幅干涉图,然后LD温控系统进入制冷模式,LD的温度迅速下降,在监视器上可看到干涉条纹平稳移动。计算机实时检测温度信号,一旦达到步进间距ΔT,即记录第二幅干涉图。依次记录第三、四幅干涉图,断开制冷器。步进相移数据采集完毕。整个数据采集过程在5s内完成。
图3 展开后的相位图
3.计算机根据公式(3)计算出原始相图,并对这包含有2π跳变的相图进行相位展开,得到被测表面的真正的相图,进一步重构出被测对象的三维形貌,完成对干涉条纹的定量分析。实验结果如图1～4所示。图1是记录的第一幅干涉图I0;图2是利用五幅任意步距算法计算出的原始相图,它包含有2π的相位跳变;
图3是相位展开后的相图,没有了2π的跳变;
图4是由展开后相图恢复出的被测金属圆片的表面形貌。它的Z轴代表干涉条纹的数目,这里一个条纹代表二分之一波长,即787nm/2=393.5nm,从图4可看出金属片表面的形状,其最大高度差大约是8×393.5nm=3.148μm。
结 论
通过理论分析和实验研究,得到验证:利用改变LD温度来改变波长实现步进相移测量,是一种实用、有效的干涉条纹定量分析技术。它不需要附加的移相器,只在原来LD控温恒定的基础上实现可控步进,它使LD相移干涉仪结构简单、工作可靠。并且可以将它应用到其他的非动态干涉计量场合。
参考文献
[1] M.P.Kothiyal,Appl.Opt,1985,24,4439
[2] P.L.Wizinowich,Appl.Opt,1990,29,3271
[3] S.Toyooka,SEM,1990,158
[4] B. Franze et al.,J.Mod.Optic,1998,45,861
[5] Ji-Yuan Liu et al.,Opt.Rev,1996,3,287
[6] G.Stoilov et al.,Optics and Lasers in Engineering,1997,28,61
