摘要:利用半导体激光器作为相干照明光源，通过改变半导体激光器温度来改变其波长，实现了步进相移干涉计量。在理论分析和实验研究的基础上建立了半导体激光器温控调频相移干涉仪系统，该相移干涉体积小，结构简单，且工作可靠。
1引言
由于相移干涉仪(PSI)能够快速高精度地获取被测表面形状的相图，它在光学测试与计量领域得到了越来越广泛的应用。传统相移干涉仪中一般是在参考光路中附加相移器，在不同的移相量下记录3幅或3幅以上的干涉图，通过基于三角函数的相位解算算法得出被测表面的初相图[1]。实现相位偏移的方法很多，有压电晶体法、光电晶体法、改变波长法、偏振移相法[2]、多普勒频移法[3]液晶法[4]等。其中压电晶体法和光电晶体法在相移干涉仪中应用较多，它们都需要有专门的装置置于干涉光路中实现相移，使干涉仪结构复杂而改变波长法，不需在光路中附加相移器，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(Laser Diode)，前者结构复杂、成本高[5];而后者则结构简单、价格低，所以半导体激光器相移干涉仪已有不少应用研究[6,7]，这些应用中都是通过直接改变LD的注入电流来改变波长。但是根据LD特性，在改变LD注入电流的同时，不仅其发出波长改变，其输出光强也同时改变，这就使干涉信号失去了正弦特性，给初相位解算带来误差，于是就得设法消除或减少这种光强变化对测量结果的影响[7,8]
本文提出一种新方法，利用改变LD的温度来改变波长实现步进相移，并运用5幅任意步距算法解算被测相位[9]。温度调制改变波长的同时能够保持输出光功率恒定，与前者比，有明显的优点。作者在理论分析和实验研究的基础上建立了LD一PSI系统，测试结果证实了其可靠性与实用性。
2理论分析
2.1改变波长法步进相移测量基本原理
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。干涉场的光强为
2.2LD波长一温度调制
在半导体激光器相移干涉仪中，一般利用改变注入电流来改变波长实现步进相移，它存在不可避免的弱点:波长被调制的同时，光强也被调制，即式(1)中的I。(x，y)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。且对于一般的LD典型波长一电流调制率为0.01nm/mA，光功率一电流调制率为0.3mw/mA，可见改变电流对光强的影响很大。即使采取一定的技术手段，仍难于消除由它引起的测量误差。
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/℃，且其波长一温度曲线具有很好的线性，如果使LD温度可控制地变化，而使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。这是利用温控实现步进相移的关键
一般LD温控调频能达到0.3nm的无模跳变化范围，假设λ为780nm;步进4次，则每次步进波长改变0.075nm，相应温度要改变0.75“C;如果令相移步距δ=π/2，那么根据式(2)可讨一算出光程差L(x，y)=2.028mm。也就是说，当两干涉光束的光程差为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。而这对于光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沦上能达到10 m。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的加入使波长一温度调制率略有减小。
3系统构成
LDPSI以泰曼一格林干涉仪为主体，光源为自制的LD温控调频激光头[10]、干涉图采集与处理由黑白CCD摄像机、8位图像采集卡和PC机组成，图像大小为512 X 512像素，图像采集速度为25幅/秒一30幅/秒。系统框图如图1所示。其中LD头是本系统关键部分，它的结构示于图2。半导体激光器是SHARP LT027MD，其工作功率为7mW，中心波长787 nm，它的谱线窄，波长一温度曲线的无模跳范围宽[11]. LT027MD在自动功率控制(APC)电路控制下以额定功率工作，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，整个温控系统被集成封装在一个小的圆筒中。由计算机通过相应的接口电路运用数字PID算法进行LD温度控制。实验测定，温度从20 0C^- 25 0C，波长变化0.352 nm，无模跳产生，且线性理想。温控不确定度是0. 05 0C，对应的波长控制不确定度应为0. 003 5 nm。
4实验研究
应用本系统对一金属膜片进行了测量，测量时，整个系统在计算机控制下工作.首先使LD头工作于25℃的稳定状态，调整干涉仪得到清晰的干涉条纹，根据式(2)调整至适当的光程差并确定合适的步进温度Δt山.然后记录第一格千涉图.启动致冷器.计算机监侧LD踢度每变化Δt.就记录一幅干涉图。这样退度步进4次记录5幅干涉图。相移计量完毕。程序进入相图解算模式。程序自动对记录的5幅条纹图像按上述5幅任意步距算法解算相位，井完成相位展开和绘出被测表面的三维图像.图3~6G是侧t结果.图6的z抽代表千涉条纹的数目，一个条纹代表1/2波长，即787 nm/2=393. 5 nm.可看出被侧表面的形状，其最大高度差大约是8× 0. 393 5≈3. 15(μm)。
5结论
通过理论分析和实验研究、得到验证:本文所建立的LDPSI是一种实用.有效的移相干涉计量分析系统。‘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]BRUNINGJH，HERRIOTTI)R，GAI-LAGHERJEetal·I):gltalwavefrontn、ea-stlrll、9Int;、rforon、eterfortestingoptlealsur-facosan〔1lonsos[J二.Applopt，1974，13(15):2693~2703.
[2]KORHIYALMP.ShoarLng，nterferometerforphaseshlfringInterferometrywithpolarlza-t‘onphaseshlfter[J〕.ApplOpt，1955，24(20):4439~4441.
[3]wIZINOWICHpL.phasesh:ft，nginterfer-ometryInthePreseneeofvibration:anewal-gor‘thmandsystem「Jj.Applopt，一990，29(23):3271~3275.
[4]TOYOOKAS，D，g，talspeekleshearographyus，ngal:quid一erystalphaseshifter「J]·SEM.1990，21:158~162.
[5]TIZIANIHJ，FRANZEB，HAIBLEP.Wave-longthshlftspeekle一nterferometryforabso-luteprofllometryus一ngamode一hopfreeexter-nalCav，tyd:odelaser〔J].JModOpt:C，1997，44(9):1485~1496.
[6]FRANzEB，TIZIANIHJ·Multiplewave-lengthsxnoblique一ineideneeinterferometerforroughsurfaeemeasurementusinglaserd;odes〔J〕.JModoptic，1998，45(6):861~872.
[7]LluJY，YANMAGUCHI·Aetivephase-shlfting一nterferometerusingcurrentmodula-t;onofalaserdiode[Jj.optRev，1996，3(4):287~292.
[8]ONODERARibum，ISHllYukihiro·phase-extraetionanalysisoflaser一diodePhase一shift-一ginterferometrythat15insensltivetochangesinlaserpower[J].JoptSoeAmA，1996，13(2):139~146.
[9]sTOILoVG，DRAGOSTINvT·phase一step-piinterferometr夕:five一framealgorithmwithanarbitrarystep[J〕.optiesandLasersinEngineering，1997，28(l):61一69·
[10]Sharp，Semiconduetordatabook:Laser压ode[S〕，1995，36~37·
本文作者：侯立周 强锡富
