鄧 勇,郭龍秋,馬志強(qiáng),江 奕

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南通 226019)

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·激光應(yīng)用技術(shù)·

Nd∶YVO4激光回饋干涉儀

鄧 勇,郭龍秋,馬志強(qiáng),江 奕

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南通 226019)

目前研制的Nd∶YAG激光回饋干涉儀的激光器偏振態(tài)易發(fā)生變化。與Nd∶YAG晶體相比,Nd∶YVO4晶體輸出的單縱模線偏振光更穩(wěn)定,弛豫振蕩的中心頻率更高,從而增大移頻頻率,提高測(cè)速精度。因此設(shè)計(jì)制作了Nd∶YVO4激光回饋干涉儀樣機(jī),并采用具有外觸發(fā)功能的數(shù)字相位計(jì),經(jīng)過(guò)激光器功率穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和比對(duì)實(shí)驗(yàn),得到激光回饋干涉儀樣機(jī)目前的指標(biāo):激光器3 h內(nèi)的功率變動(dòng)值為1.89%,干涉儀400 mm測(cè)量范圍內(nèi)的線性度為7.0625×10-6,標(biāo)準(zhǔn)差為0.936 μm。

Nd∶YAG；Nd∶YVO4；單縱模；線偏振光；數(shù)字相位計(jì)

1 引 言

清華大學(xué)張松博士[1-3]采用Nd∶YAG激光器[4]研制的激光回饋干涉儀能夠測(cè)量壓電陶瓷[5]、MEMS元器件以及高透射物體液面[6]等被測(cè)目標(biāo)的位移,但是激光器功率較小,只有幾毫瓦,且測(cè)量范圍有限,兩次經(jīng)過(guò)聲光移頻器發(fā)生衍射后,測(cè)量光的功率會(huì)降低25%。盡管隨著LD的泵浦功率的增大,測(cè)量光的功率會(huì)增大,弛豫振蕩的中心頻率也會(huì)增大；但是Nd∶YAG激光器輸出光的偏振態(tài)會(huì)發(fā)生變化,不夠穩(wěn)定,不利于進(jìn)行遠(yuǎn)距離的測(cè)量。

與Nd∶YAG晶體相比[7-8],Nd∶YVO4晶體具有如下特點(diǎn):在808 nm處的吸收峰的線寬為Nd∶YAG晶體的3倍,適于LD泵浦；在1064 nm處具有較大的受激發(fā)射截面,在a軸方向Nd∶YVO4受激發(fā)射截面約為Nd∶YAG的4倍；屬于單軸晶體,僅發(fā)射線性偏振光。

鑒于此,設(shè)計(jì)研制了基于Nd∶YVO4激光器的激光回饋干涉儀樣機(jī),研制出的回饋干涉儀激光器功率達(dá)三十多毫瓦；進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí),與Nd∶YAG激光回饋干涉儀[1]相比,量程擴(kuò)大到400 mm左右；同時(shí)干涉儀采用具有外觸發(fā)功能的高測(cè)速數(shù)字相位計(jì),便于與其他設(shè)備組建新的系統(tǒng),便于進(jìn)一步拓展回饋干涉儀的應(yīng)用。

2 原 理

2.1 激光回饋干涉儀的工作原理

圖1為激光回饋干涉儀的系統(tǒng)原理圖[9],圖中LD為泵浦源,GRIN為自聚焦透鏡,BS為分光鏡,AOM1,AOM2為聲光移頻器,L為透鏡,Mr為參考鏡,T為被測(cè)目標(biāo),PIN為探測(cè)器,RF1,RF2為聲光移頻器的驅(qū)動(dòng)電源,FM為混頻器,FD為倍頻器,SF為濾波器,SC為適配器,PM為相位計(jì),PC為計(jì)算機(jī),SRE為參考電信號(hào),SRO為參考光信號(hào),SME為測(cè)量電信號(hào),SMO為測(cè)量光信號(hào)。其中實(shí)心箭頭為測(cè)量光,空心箭頭為參考光。

圖1 激光回饋干涉儀測(cè)量原理圖

如圖1所示,LD輸出波長(zhǎng)為808 nm的光經(jīng)光纖、自聚焦透鏡耦合后,使Nd∶YVO4晶體產(chǎn)生波長(zhǎng)為1064 nm的近紅外光,通過(guò)BS分成兩路光,一路光反射進(jìn)入PIN探測(cè)器,一路光透射經(jīng)過(guò)AOM1后分成兩束,頻率分別為ω和ω-Ω1(Ω1為AOM1的驅(qū)動(dòng)頻率)；這兩束光經(jīng)過(guò)AOM2后又分成四束光,頻率分別為ω、ω-Ω1、ω+Ω2、ω-Ω(Ω2為AOM2的驅(qū)動(dòng)頻率,Ω=Ω1-Ω2)。頻率為ω-Ω的光經(jīng)透鏡、參考鏡,到達(dá)待測(cè)目標(biāo)后沿原路返回至Nd∶YVO4激光器中形成調(diào)制頻率為2Ω的測(cè)量光回饋信號(hào)；頻率為ω的光經(jīng)透鏡,到達(dá)參考鏡后沿與測(cè)量光相平行的光路返回至Nd∶YVO4激光器中形成調(diào)制頻率為Ω的參考光回饋信號(hào),參考光與測(cè)量光呈準(zhǔn)共路關(guān)系。

在Nd∶YVO4激光回饋干涉儀中存在兩種光:參考光和測(cè)量光。同時(shí)算出測(cè)量光與參考光的相位變化,計(jì)算兩者之差能準(zhǔn)確計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的位移。參考光由參考鏡產(chǎn)生,它被聲光移頻器移頻一次,相應(yīng)的移頻量為Ω,從而產(chǎn)生調(diào)制頻率為Ω的正弦信號(hào):

(1)

測(cè)量光由待測(cè)目標(biāo)反射產(chǎn)生,它被聲光移頻器移頻兩次,相應(yīng)的移頻量為2Ω,從而產(chǎn)生調(diào)制頻率為2Ω的正弦信號(hào):

(2)

其中,△Ir和△Im分別為參考光和測(cè)量光的功率調(diào)制信號(hào);κr和κm分別為參考光和測(cè)量光的外腔反射系數(shù);φ0r和φ0m分別為參考光和測(cè)量光信號(hào)的初始固定相位;φr和φm分別為參考光和測(cè)量光的外腔相位變化。因此Nd∶YVO4激光回饋干涉儀待測(cè)目標(biāo)的位移△L的計(jì)算公式為:

(3)

式中,λ0為真空中Nd∶YVO4激光器輸出的波長(zhǎng)值;n為測(cè)量環(huán)境中空氣的折射率。

2.2 高分辨測(cè)量原理

由式(3)可知,Nd∶YVO4激光回饋干涉儀計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性是由測(cè)量光、參考光的相位及測(cè)量環(huán)境決定的,分辨率是由外部設(shè)備檢測(cè)得到的相位分辨率決定的。因此,在該干涉儀中采用了具有外觸發(fā)功能的高測(cè)速數(shù)字相位計(jì)(PT-1313Bs-1E),該相位計(jì)的工作原理是基于脈沖填充和時(shí)間平均,完全采用數(shù)字電路,特殊設(shè)計(jì)的鑒相電路可以避免毛刺干擾和提高時(shí)間特性。與鎖相不同,其分辨率可以通過(guò)改變采樣速度來(lái)加以提高。該相位計(jì)的時(shí)鐘頻率為1280 MHz,外觸發(fā)最高采樣頻率為100 kHz。根據(jù)其設(shè)計(jì)原理,理論上的測(cè)位移分辨率可用下述公式進(jìn)行計(jì)算:

(4)

式中,fsignal為信號(hào)頻率;fsampling為采樣速率;fclock為時(shí)鐘頻率;λ為Nd∶YVO4激光器的出光波長(zhǎng)值。在Nd∶YVO4激光回饋干涉儀中,fsignal=2 MHz,fsampling=100 kHz,fclock=1280 MHz,λ=1064 nm,所以理論上測(cè)位移的最高分辨率為0.186 nm。至此,采用上述的高測(cè)速數(shù)字相位計(jì)在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)Nd∶YVO4激光回饋干涉儀的高分辨測(cè)量。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及操作軟件

如圖2(a)所示,為設(shè)計(jì)制造的Nd∶YVO4激光回饋干涉儀樣機(jī),其封裝外形是一個(gè)梯形盒子,表面采用導(dǎo)電處理工藝,用于屏蔽外部電場(chǎng)、磁場(chǎng)的干擾。圖2(b)為基于MFC開(kāi)發(fā)的測(cè)量軟件界面,其中包括位移顯示,測(cè)量環(huán)境的氣溫、氣壓、濕度,被測(cè)目標(biāo)的溫度及膨脹系數(shù)設(shè)置,同時(shí)提供開(kāi)始讀數(shù)、停止讀數(shù)、保存數(shù)據(jù)、復(fù)位、外觸發(fā)模式的功能。

圖2 Nd∶YVO4激光回饋干涉儀樣機(jī)及操作界面

3.2 Nd∶YVO4激光器功率穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為了激光器出光功率的穩(wěn)定性給出一個(gè)定量的結(jié)果,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,測(cè)量了3 h內(nèi)Nd∶YVO4激光器功率的變化曲線,如圖3所示。其中最大功率Pmax=31.3 mW,最小功率Pmax=31.9 mW,平均功率Pmean=31.73 mW,由此計(jì)算出3 h內(nèi)激光器功率的最大相對(duì)變動(dòng)值為:

根據(jù)上述結(jié)果可以看出,激光器功率是比較穩(wěn)定的,滿足激光回饋干涉儀的測(cè)量要求。

圖3 激光器功率穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

3.3 比對(duì)實(shí)驗(yàn)

將Nd∶YVO4激光回饋干涉儀與Agilent 5299A雙頻激光干涉儀按如圖4所示方式相對(duì)放置,它們的共同目標(biāo)是導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)平臺(tái),并將雙方的靶鏡固定于平臺(tái)上,Agilent 5299A雙頻激光干涉儀的靶鏡為角錐棱鏡,Nd∶YVO4激光回饋干涉儀的靶鏡為平面高反鏡。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),保證Nd∶YVO4激光回饋干涉儀的測(cè)量光與Agilent 5299A雙頻激光干涉儀的測(cè)量光同軸,以消除實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)誤差。

圖4 比對(duì)實(shí)驗(yàn)

設(shè)定一維平移臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)以脈沖數(shù)為1000的步距運(yùn)動(dòng),同時(shí)記錄下二者的示數(shù),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,其中Xi為Agilent 5299A雙頻激光干涉儀的測(cè)量結(jié)果,Yi為Nd∶YVO4激光回饋干涉儀的測(cè)量結(jié)果,并對(duì)數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行擬合,擬合后的曲線如圖5所示,擬合直線為:Yi=Xi+0.001345。并通過(guò)計(jì)算得出激光回饋干涉儀的線性度為7.0625×10-6,標(biāo)準(zhǔn)差為0.936 μm。

圖5 比對(duì)結(jié)果

4 結(jié) 論

研制出的激光回饋干涉儀樣機(jī)激光器3 h內(nèi)的功率變動(dòng)值為1.89%,在400 mm的測(cè)量范圍內(nèi)線性度為7.0625×10-6,標(biāo)準(zhǔn)差為0.936 μm,能夠滿足一定的測(cè)量要求。但研制的樣機(jī)激光器是采用LD直接泵浦的,測(cè)量時(shí)激光器的頻率會(huì)發(fā)生漂動(dòng),會(huì)導(dǎo)致激光回饋干涉儀的測(cè)量不夠精確,將來(lái)采用具有穩(wěn)頻裝置的Nd∶YVO4激光器,對(duì)提高儀器的測(cè)量精度具有重要作用。

表1 LFI與Agilent 5299A比對(duì)結(jié)果

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Nd∶YVO4laser feedback interferometer

DENG Yong,GUO Long-qiu,MA Zhi-qiang,JIANG Yi

(School of Mechanical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,China)

At present,laser polarization state of Nd∶YAG laser feedback interferometer is easy to change.Compared with Nd∶YAG crystal,a single longitudinal mode linearly polarized light of Nd∶YVO4crystal is more stable,and the center frequency of relaxation oscillation is higher,thus velocity measurement accuracy increases with the increase of shift frequency.Nd∶YVO4laser feedback interferometer prototype is designed and manufactured,and a digital phase meter with external trigger function is used.After the optical power stability experiment and comparative experiment,the indexes of the laser feedback interferometer are obtained.The laser power fluctuation is 1.89% within 3 h,linearity is 7.0625×10-6within the 400 mm measuring range and standard deviation is 0.936 μm.

Nd∶YAG；Nd∶YVO4；single longitudinal mode；linearly polarized light；digital phase meter

1001-5078(2015)10-1180-04

科技部國(guó)家重大儀器專項(xiàng)(No.2011YQ04013603)；南通大學(xué)研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(No.YKC13012)資助。

鄧 勇(1965-),男,副教授,主要從事測(cè)試技術(shù)及儀器方面的研究工作。E-mail:dengy@ntu.edu.cn

2014-12-10;

2015-03-23

TN248

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.10.007