高功率穩(wěn)頻激光光源

對干涉測量的重要性

激光光源波長的精度和穩(wěn)定性，是各類基于干涉原理計(jì)量方案的精度基礎(chǔ)。在菲索式激光干涉儀中，相干性更好的激光光源，可以用于更長光程的干涉腔，這在某些應(yīng)用場合至關(guān)重要。

ZYGO菲索式干涉儀，具備QPSI抗振移相采樣，以及Dynaphase動(dòng)態(tài)采樣模式。這些模式都需要在對干涉條紋單幀采樣中，大幅減小快門時(shí)間，以在一瞬間“凝固”不斷變化的條紋圖案。

50Hz刷新頻率下，攝像頭標(biāo)準(zhǔn)模式的快門時(shí)間為20毫秒，而瞬態(tài)模式下快門要求*少達(dá)到100微秒的級別，相差了100倍。

在各類瞬態(tài)模式下，需要更高功率的穩(wěn)頻激光光源，配合良好設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，才能在微秒級別快門下，獲得足夠信噪比的干涉條紋信號。這是新一代高分辨率菲索式激光干涉儀，采用新的高功率穩(wěn)頻激光的主要原因。

氦氖激光管基于不同的設(shè)計(jì)，會(huì)有一個(gè)特定的增益曲線，如上圖。這一增益曲線，能選擇激光管內(nèi)特定頻率或波長的激光，保持正反饋震蕩輸出。每一個(gè)特定頻率或波長，對應(yīng)于激光管震蕩腔內(nèi)一個(gè)可能的震蕩模式。

如上圖的增益曲線下的三條實(shí)線，就代表三個(gè)模式，對應(yīng)三個(gè)波長或頻率有微小差異的激光震蕩輸出。這種多模輸出的激光光源，其相干性也會(huì)下降，在特定腔長的位置，干涉條紋的對比度會(huì)變?nèi)酢?/p>

更嚴(yán)重的問題是，受環(huán)境尤其是溫度影響，普通氦氖激光管的增益曲線還會(huì)漂移，造成激光管輸出的激光波長也會(huì)發(fā)生漂移，嚴(yán)重的時(shí)候激光管里的模式多少也發(fā)生變化，造成干涉條紋的直流光強(qiáng)和條紋對比度都不穩(wěn)定。

ZYGO干涉儀所用到的高功率穩(wěn)頻氦氖激光管，都是自己設(shè)計(jì)制造的；采用了更長的激光管，并專門設(shè)計(jì)了腔鏡面形，所充氣體成分，從而可以得到更高功率的穩(wěn)定輸出。*重要的，ZYGO的穩(wěn)頻激光管還包括一套自適應(yīng)的主動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)環(huán)境變化，調(diào)整激光震蕩腔腔長，以鎖定增益曲線以及對應(yīng)的模式。*終，通過偏振器件，選取單一模式或頻率的激光，穩(wěn)定輸出。

ZYGO當(dāng)前所有型號菲索式式激光干涉儀，都采用穩(wěn)頻高功率激光光源。輸出功率4mw，比上一代光源提高一倍，并且保證單模穩(wěn)頻輸出，所有能量都可以用于干涉計(jì)量。該激光管穩(wěn)定可靠，保修三年，預(yù)期使用壽命100,000小時(shí)，這意味著24小時(shí)使用，可預(yù)期壽命在十年以上。

如圖，2mw普通非穩(wěn)頻氦氖激光管，與4mw穩(wěn)頻激光管輸出功率穩(wěn)定性的比較。

在18小時(shí)內(nèi)，外界溫度自23.5到25.5攝氏度的變化過程中，非穩(wěn)頻激光輸出功率在0.5mw至1mw之間大幅波動(dòng)，而穩(wěn)頻激光管保持3mw幾乎沒有波動(dòng)。

在瞬態(tài)測量模式下，如果能使用越小的快門時(shí)間，就能得到良好對比度的干涉條紋，那說明當(dāng)前包括穩(wěn)頻激光管，照明，成像的光學(xué)系統(tǒng)的性能越好，能提供更強(qiáng)的干涉光強(qiáng)。

這里條紋對比度良好的具體標(biāo)準(zhǔn)是，干涉條紋圖中開始有像素達(dá)到光強(qiáng)飽和。達(dá)到飽和不僅取決于穩(wěn)頻激光管功率，還和以下因素相關(guān)：

·     測試更高反射率的參考鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡，反射的激光越強(qiáng)，攝像頭更容易飽和。

·     分辨率越低，多個(gè)像素合并后感光的區(qū)域越大，也容易達(dá)到飽和。

上圖展示了ZYGO Dynafiz動(dòng)態(tài)干涉儀在不同分辨率(1.2k*1.2K或600*600)，反射率不同的參考鏡及標(biāo)準(zhǔn)鏡條件下，能達(dá)到飽和的*小快門時(shí)間。

大多數(shù)攝像頭快門速度都可以達(dá)到10-12微秒這一數(shù)量級，但并不代表系統(tǒng)可以在任何情況下都能使用*快快門，而不用擔(dān)心是否有足夠的條紋對比度及信噪比。上圖給出在不同應(yīng)用條件下快門設(shè)置的參考：

·     1.2K分辨率模式下，4%反射率標(biāo)準(zhǔn)鏡和參考鏡，需要快門時(shí)間達(dá)到100微秒，才開始有像素光強(qiáng)飽和。

·     600*600分辨率模式下，4%反射率標(biāo)準(zhǔn)鏡和參考鏡，快門27微秒，就開始有像素光強(qiáng)飽和。

·     1.2K分辨率模式下，高反射率標(biāo)準(zhǔn)鏡及參考鏡，僅需要快門時(shí)間27微秒，就達(dá)到飽和。

·     600*600分辨率模式下，高反射率標(biāo)準(zhǔn)鏡及參考鏡，快門時(shí)間12微秒就可以了。