摘要:半导体激光端点干涉测长法是利用半导体激光频率调制特性的一种在长度的两个端点干涉测量长度的新方法。本文介绍基于这种测长方法研制的半导体激光端点测长干涉仪实验系统的基本原理、构成、定标方法和测量结果。
引 言
半导体激光端点干涉测长法是利用半导体激光频率调制特性的一种测量长度的新方法。这种方法区别于其它传统干涉测长法的独特点是,只需要在长度的两个端点位置分别进行测量,就可以得到这两个端点位置之间的长度。这种方法的测量原理在文献[1]中有详细阐述,本文介绍基于这种测长方法研制的半导体激光端点测长干涉仪的实验系统。
1 基本测量原理
半导体激光端点干涉测长法的基本原理是,在以半导体激光为光源的两臂不等长的迈克尔逊型干涉仪中,在长臂上的两个不同位置分别测量光程差,再计算两个光程差之差而得到这两个不同位置之间的长度。在每个位置测量光程差时,都利用半导体激光的线性调频特性,使两束干涉光的位相差发生变化,通过测量线性调频过程中位相差的改变量而得到光程差。在半导体激光线性调频过程中,两束干涉光的位相差的改变量ΔΦ可用下式表示[1]
式中ν为半导体激光的基准频率,Δν为激光频率的线性调制量,c为光速,2n(R-L)为两束干涉光的光程差,其中n为空气折射率,R和L为干涉仪长臂和短臂的长度。在干涉仪长臂上的两个不同位置a和b处(见图2),以相同的线性频率调制量Δν,分别进行调频过程中的位相差改变量测量,就可以得到求a和b两个位置间的长度l
2 实验系统的构成
半导体激光端点测长干涉仪实验系统,包括半导体激光器及其线性调制电源和恒温控制装置,干涉仪光路系统,拍频信号探测及其位相计数和细分电路,微机接口和控制软件等。
图1是实验系统的构成框图。
2.1 半导体激光器及其调制电源和恒温控制
半导体激光器要求单模性好、稳定性好、功率合适。实验中采用了单模半导体激光器(SHARP:LT021MD),其输出激光基准波长为780nm,最大输出功率为15mW。半导体激光器由调制电源供电并使输出激光频率成线性变化,由恒温控制装置保持其工作温度恒定。
半导体激光器的调制电源由直流基准电源迭加锯齿波调制电源构成。直流基准电源对半导体激光器提供基准电流,使其以基准频率工作;调制电源对基准电流作小范围改变。使激光频率在基准频率附近作小范围变化。这个频率变化必须使用在同一振荡模式内的频率连续变化,因此频率变化范围应以不产生“跳模”为限。采用锯齿波调制电源,利用锯齿波的斜边对半导体激光器电流实行线性调制,利用锯齿波的幅度控制调制范围。实验中用的半导体激光器的基准电流I=75mA,最大调制电流ΔI=15mA,调制周期T=0.01s。半导体激光器的恒温控制装置由温度传感器、半导体致冷器件的控制电路等组成。温度传感器探测激光器的工作温度,再与预置工作温度进行比较,如果探测温度高于预置温度,则由控制电路驱动致冷器件吸收激光器热量,使其温度降低;反之,如果探测温度低于预置温度,则驱动致冷器件对激光器加热,使其温度升高。实验中采用AD590精密温度传感器和日本CP1.4-11-10L半导体致冷器件。
半导体激光器、温度传感器和半导体致冷器件三者安装在一起,固定在一个恒温小盒内,形成激光器头部。
2.2 干涉仪光路
实验系统采用的干涉仪光路为一迈克尔逊干涉仪结构,如图2所示。
干涉仪光路由半导体激光器、准直透镜、分束棱镜、反射角锥棱镜M1和M2以及光电探测器等构成。反射镜M1位置固定,反射镜M2在干涉仪长臂上取不同位置,用于测量长度。
半导体激光器输出的调频激光经过准直透镜由发散光束变成准直光束,在分束棱镜上被分成两束,分别经反射镜M1和M2反射后,有相对延时的两光束到达光电探测器产生干涉,输出拍频干涉信号。从光电探测器探得的拍频信号,经后面的计数电路计数,并送入微机处理和显示测量结果。
为避免光路的反射光返回激光器内干扰激光频率,反射镜M1和M2的入射光束和反射光束之间有一定间隔距离,实验中约为5mm。如图2所示,用半导体激光端点干涉测长法,在反射镜M2位于a和b两处时分别测量,利用公式(2)就可得到位置a和b之间的距离l。
2.3 拍频信号探测和位相计数电路
实验系统的干涉仪拍频信号由光电探测器(使用型号为美国OPF-420)进行探测,经转换电路成为方波信号供给计数器电路。长度公式(2)中位相差的改变量Δ,是通过光电探测器后的位相计数器电路计出拍频信号的改变数目N而得到的,有
位相计数电路对测量过程中的拍频信号变化数目进行计数。为了提高测量精度,计数电路不仅要计出拍频信号的整数数目,还要计出整数部分前后两端的尾数数目,即要有位相细分计数电路。细分电路采用了一个10MHz的高频脉冲信号源,对拍频信号进行细分。通过计出一个拍频信号周期内包含的细分脉冲数目,以及拍频信号前后尾数部分内分别包含的细分脉冲数目,来计算拍频信号的前后尾数值。实验电路采用了两块8254-2高速计数器,来达到这些计数目的,所有计数器的工作由计数控制电路控制它们的计数开始和结束。
2.4 微机接口电路和控制软件
整个测量系统由一台微机控制,通过一块接口电路板把微机与控制电路和计数电路相连接。接口电路使用的I/O口地址为300H～30FH,其中
300H～307H 为两块8254-2计数器地址
308H～30BH 用于计数状态检测
30CH～30FH 用于计数开始、复位等
微机的控制软件具有各计数器通道初始化;判断开始信号;进行自动计数;判断结束信号;判断各计数器计数结果是否有效,并提供有关错误信息;计算并显示测量结果等功能。控制软件用QBASIC语言编写。
3 系统定位及实验结果
3.1 测量系统的定标
对于长度测量公式(4)中的k=c/2nΔν的值,因为实验室没有测量频率变化的仪器,故采用双频激光干涉仪定标来确定系数k。
具体做法是,用双频激光干涉仪(HP5528)和半导体激光端点测长干涉仪实验系统同时测量一段长度ls,由双频激光干涉仪读出ls值,由端点测长干涉仪实验系统读出(Nb-Na)值,则通过计算k=ls/(Nb-Na)就可得到系数k。得到系数k值后,只要不改变频率调制参数Δν,这一k值就可用于半导体激光端点测长干涉仪公式(4)中。
3.2 实验结果
各单元技术都通过了实验,达到了设计目的。其中,半导体激光器的工作温度控制精度优于±0.05℃。整个实验系统通过了总体联调,具体反复做了测量实验,用实际实验结果验证了在参考文献[1]中提出的“半导体激光端点干涉测长法”的理论推导。本实验系统的长度测量精度为10-4至10-5mm/mm。
为了提高测量精度,还需要进一步采取一些措施,如选用性能更好更稳定的半导体激光器,优化控制电路,优选电子和光学元器件,对温度、湿度、气压等环境因素的影响进行补偿校正等,这有待于在另外的实用化研究课题中加以改进。
结束语
半导体激光端点测长干涉仪实验系统的建立,为进一步研制实用化干涉仪打下了基础。半导体激光端点测长干涉仪可在一定的应用范围内(如各种微电子设备的工件台精密定位等)代替一般采用的单频或双频激光干涉仪,并具有体积小、重量轻、寿命长、价格低等优点。
参考文献
1 侯德胜.半导体激光端点干涉测长法原理探讨[J].光电工程,1997,24(4):1-5
基金项目:中国科学院光电技术研究所所长基金和微细加工光学技术国家重点实验室基金资助项目。
作者简介:侯德胜(1947-),男(汉族),山西浮山人,中国科学院光电技术研究所副研究员,硕士生导师,从事激光技术应用研究。
