馬文斌，張海慶

(1.貴州民族大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025； 2.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021)

0 引言

激光器波片屬于典型偏振光學(xué)元件之一，可以對(duì)特定波長(zhǎng)的光波產(chǎn)生一定的相位延遲，被廣泛地應(yīng)用在許多與偏振有關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)中[1-2]。相位延遲是激光器波片最重要的參數(shù)指標(biāo)，而波片的加工精度和測(cè)量精度直接影響著波片應(yīng)用系統(tǒng)的質(zhì)量。對(duì)激光器波片相位延遲的影響因素很多，如受環(huán)境溫度、受薄板厚度影響的加工均勻性和應(yīng)力雙折射等。其中，參量大小對(duì)激光器可靠性能的影響很大，應(yīng)用系統(tǒng)質(zhì)量也有很大影響。利用晶體雙折射特性的激光波片作為相位延遲器件，通過(guò)偏振器在特定波長(zhǎng)上對(duì)光進(jìn)行有效的偏振調(diào)節(jié)[3-4]。

相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者對(duì)相位延遲測(cè)量進(jìn)行了研究，并取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)基于彈光調(diào)制與數(shù)字鎖相技術(shù)的波片測(cè)量系統(tǒng)。利用彈光調(diào)制器調(diào)制檢測(cè)激光，采用基于FPGA的數(shù)字鎖相技術(shù)，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行提取，解調(diào)波片相位延遲量和快軸方位角，實(shí)現(xiàn)波片測(cè)量。該方法能夠有效優(yōu)化重復(fù)度，但相位延遲測(cè)量精度較低。文獻(xiàn)[6]提出基于雙彈光差頻調(diào)制的中紅外相位延遲精確測(cè)量方法，采用硒化鋅型彈光調(diào)制器的差頻降低系統(tǒng)，對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)制，生成相位延遲低頻調(diào)制信號(hào)，根據(jù)調(diào)制后差頻幅值，計(jì)算波片相位延遲，實(shí)現(xiàn)相位延遲測(cè)量。該方法能夠有效抑制光強(qiáng)波動(dòng)，但偏振器的方位角容易對(duì)激光強(qiáng)度造成很大影響。為此，設(shè)計(jì)了基于光纖多波長(zhǎng)激光器的相位延遲高精度測(cè)量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

以光纖激光為光源，將偏振波片置于光纖激光外腔中，可使兩個(gè)正相交的諧波產(chǎn)生相位差，實(shí)現(xiàn)對(duì)相位延遲的測(cè)量。通過(guò)在多波長(zhǎng)光纖激光器中，放置能在兩個(gè)方向折射光的波片，可將起偏器分裂成兩個(gè)不同物理長(zhǎng)度的起偏器腔，每個(gè)腔內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生偏振頻率，由此測(cè)量相位延遲。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)圖1所示，光纖多波長(zhǎng)激光光路被垂直對(duì)齊，由上而下分為強(qiáng)光探測(cè)器、激光探測(cè)器、頻差探測(cè)器和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的測(cè)量程序[7-9]。采用工作波長(zhǎng)為632.8 nm的半腔光纖多波長(zhǎng)激光器，諧振腔由一只或兩只鏡片組成，反射面安裝在壓電陶瓷表面，以激光器軸方向?qū)η婚L(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)；在光纖激光室開(kāi)口安裝波片支架，將待測(cè)波片與偏置波片分開(kāi)放置；將溫度傳感器安裝在晶片框架附近，實(shí)時(shí)記錄溫度，用于檢測(cè)和補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)晶片測(cè)量的影響；利用數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)記錄測(cè)量過(guò)程中光強(qiáng)變化曲線，快速確定頻差測(cè)量工作點(diǎn)；頻率計(jì)數(shù)器就是兩種正交偏振型的頻差檢測(cè)器，可以對(duì)工作點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量[10]。利用微機(jī)程序接收光強(qiáng)和頻差信號(hào)，通過(guò)改變壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓、控制光纖多波長(zhǎng)激光腔長(zhǎng)度等方法，能夠自動(dòng)測(cè)量波片，并根據(jù)波片不同的相位延時(shí)進(jìn)行計(jì)算，得到最終的測(cè)量結(jié)果。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于光纖多波長(zhǎng)激光器的相位延遲高精密測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由光源器件、伺服電機(jī)、光電探測(cè)器和人造偏振片組成。其中，光源器件采用532 nm半導(dǎo)體激光器，伺服電機(jī)將轉(zhuǎn)子作為驅(qū)動(dòng)裝置，利用永磁體特性驅(qū)動(dòng)U/V/W三相電磁場(chǎng)，并使用SGX5528光電探測(cè)器，選取聚乙烯醇薄膜拉伸型人造偏振薄膜，完成系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在多波長(zhǎng)光纖激光器進(jìn)入該系統(tǒng)后，當(dāng)入射光功率超過(guò)一定閾值時(shí)，被介質(zhì)吸收，使介質(zhì)密度呈現(xiàn)周期性變化，從而形成光柵折射率?；诠饫w散射現(xiàn)象的多波長(zhǎng)激光器相位延遲高精密測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

在圖2所示的精密測(cè)量系統(tǒng)中，采用光纖耦合器轉(zhuǎn)角的大小，利用光電探測(cè)器采集監(jiān)測(cè)信息并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中[11-12]?；诙嗖ㄩL(zhǎng)激光源，運(yùn)用半導(dǎo)體激光器，測(cè)量監(jiān)測(cè)信息，以提高數(shù)據(jù)測(cè)量的可靠性。利用光纖起偏器，改善偏振態(tài)消光比，結(jié)合補(bǔ)償器，調(diào)整激光偏振狀態(tài)，能夠?qū)鈱W(xué)器件產(chǎn)生的小相移進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)。將偏振片加入檢測(cè)器中，可根據(jù)偏光片的偏振角來(lái)計(jì)算待測(cè)樣品的相位延遲時(shí)間，即待測(cè)偏光片的偏振角。利用成像透鏡，分析偏振性能，使用光電探測(cè)器，將光能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)電勢(shì)差的檢測(cè)。采用單色儀分析光譜并對(duì)光譜特性進(jìn)行測(cè)量，再應(yīng)用探測(cè)器，記錄光譜線的位置和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)相位延遲的高精密測(cè)量。

2.1 光源器件

根據(jù)系統(tǒng)的多波長(zhǎng)波片結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和測(cè)試初期就采用了多波長(zhǎng)激光源，而不需要進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。因此，采用532 nm半導(dǎo)體激光器，它具有高功率、高質(zhì)量、低噪聲、多波長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高數(shù)據(jù)測(cè)量的可靠性。該激光器的激光參數(shù)的穩(wěn)定性和一致性較好，不受功率、批量和工作溫度的影響。

2.2 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)的精度決定于編碼器精度，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)

由圖3可知，脈沖器是伺服電機(jī)的定位功能，每次收到脈沖器時(shí)，就轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖器相應(yīng)的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)位移。脈沖與伺服馬達(dá)經(jīng)反復(fù)一次旋轉(zhuǎn)角度后，形成回波或閉環(huán)，系統(tǒng)根據(jù)脈沖進(jìn)行發(fā)送或收回[13-14]。伺服電機(jī)采用轉(zhuǎn)子為驅(qū)動(dòng)裝置，利用其永磁體的特性來(lái)驅(qū)動(dòng)U/V/W三相電磁場(chǎng)，使電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠被非常精確地控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確定位。

2.3 光電探測(cè)器

使用SGX5528光電探測(cè)器，該檢測(cè)器是通過(guò)半導(dǎo)體材料將光能轉(zhuǎn)化為電能，以此檢測(cè)電勢(shì)差。SGX5528光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SGX5528光電探測(cè)器

由圖4可知，光電導(dǎo)電效應(yīng)是電子吸收光子能量，由鍵態(tài)變?yōu)樽杂蓱B(tài)，因而在光的作用下，會(huì)產(chǎn)生電導(dǎo)率的變化[15]。這種物理現(xiàn)象是由光輻射材料的電導(dǎo)率的變化所引起的，在強(qiáng)光輻射下，通過(guò)光子光學(xué)材料，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率增大，吸收后再產(chǎn)生光生載流子，從而改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。

2.4 聚乙烯醇薄膜拉伸型人造偏振片

聚乙烯醇薄膜拉伸型人造偏振薄膜結(jié)合力強(qiáng)，不脫色，耐潮濕，能滿足極化、選擇性成膜的要求，極化薄膜可通過(guò)縱光或橫光屏蔽和穿透入射光。聚乙烯醇薄膜拉伸型人造偏振片的合成材料有黑白和彩色兩種，并能進(jìn)行透射、反透射和反射。在網(wǎng)狀聚乙烯醇薄膜中浸入碘鹽溶液，再用硼酸溶液還原穩(wěn)定。聚合物經(jīng)過(guò)4～5次重組后，排列有序，由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€狀結(jié)構(gòu)，使碘分子在膜表面得到均勻吸附，從而實(shí)現(xiàn)極化檢測(cè)。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 高精密測(cè)量設(shè)計(jì)步驟

基于光纖多波長(zhǎng)激光器的相位延遲高精密測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量步驟如下所示：

步驟一：保證每個(gè)器件在底座上的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)光路以滿足外形、同軸要求。通過(guò)前后限幅約0.6 mm的光孔，光束進(jìn)入光電探測(cè)器中，避免系統(tǒng)的束流過(guò)大。

步驟二：激光發(fā)射光分成兩束輸出，其中一束是通過(guò)偏光片、電光調(diào)制器、相位補(bǔ)償器、偏光片及光電探測(cè)器輸出至顯示裝置，另一束輸出到激光單色儀，用于測(cè)量光源的波長(zhǎng)。

步驟三：輸出光強(qiáng)由偏振鏡調(diào)整為最大或最小，確保二者為正交。

步驟四：調(diào)整電光調(diào)制器晶軸的方向，將其放置在偏振鏡和光鏡之間，使光通過(guò)信號(hào)線與電光調(diào)制器相連接，保證光纖與光學(xué)表面的90°角[16-18]。調(diào)節(jié)光電調(diào)制器的方向，使激光光束旋轉(zhuǎn)到消光位置，保證偏振方向與激光光束平行，并調(diào)整到倍頻器可識(shí)別的0°和45°范圍，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

步驟五：在被測(cè)器件之間的光路中放置相位延時(shí)為零的補(bǔ)償器和電光調(diào)制器，并對(duì)測(cè)波片的晶軸方位進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)被測(cè)儀的光學(xué)表面的光一定是垂直的，通過(guò)被測(cè)儀的旋轉(zhuǎn)，光的傳播方向就會(huì)傳遞到消光位置。隨后將該裝置旋轉(zhuǎn)45°，示波器通過(guò)使該裝置的長(zhǎng)軸方向與補(bǔ)償器的長(zhǎng)軸方向一致來(lái)顯示混合信號(hào)。當(dāng)示波器倍頻信號(hào)再次出現(xiàn)時(shí)，可對(duì)補(bǔ)償器的測(cè)量螺桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠準(zhǔn)確計(jì)算相位延遲，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基于光纖多波長(zhǎng)激光器的相位延遲高精密測(cè)量。

3.2 基于直接測(cè)量法計(jì)算相位延遲

以所測(cè)波片波長(zhǎng)為基準(zhǔn)，測(cè)量同一光源的相位延遲。首先用激光把光線分成兩路，一路通過(guò)分光鏡到達(dá)單色儀，然后由分光鏡測(cè)量中心波長(zhǎng)的精確值。另一路是要求偏光片具有與激光相同的偏振方向，此時(shí)輸出光強(qiáng)達(dá)到最大。

假設(shè)光纖多波長(zhǎng)激光器的偏振方向?yàn)閥軸方向，激光在二維空間下的矩陣公式可表示為：

(1)

光纖多波長(zhǎng)激光在經(jīng)過(guò)了起偏器p后，其矩陣在二維空間下的矩陣公式可表示為：

(2)

電光調(diào)制器的感應(yīng)軸與x軸成45°角，速度與波片和補(bǔ)償器C的速度軸一致，可對(duì)電光調(diào)制器上施加三分之一的半波電壓，即1 300 V，可以滿足線性測(cè)量的要求[19-20]。

加入交流調(diào)制信號(hào)，由調(diào)制信號(hào)源加入光電調(diào)制器，由此得到電壓為：

V=Vmsin2πf0t

(3)

公式(3)中，Vm表示調(diào)制頻率為2 kHz，f0表示交流信號(hào)頻率，t表示調(diào)制時(shí)間。由此產(chǎn)生相位延遲為：

(4)

公式(4)中，Va表示電光調(diào)制器半波電壓。

采用光纖多波長(zhǎng)激光檢測(cè)器[21]，通過(guò)選擇窄帶放大器濾除無(wú)效信號(hào)和噪聲，得到較高的信噪比，從而達(dá)到較好的檢測(cè)效果。在信號(hào)處理電路中，當(dāng)檢測(cè)到基帶信號(hào)消失時(shí)，只需要對(duì)倍頻成分進(jìn)行完全補(bǔ)償，源頻率就會(huì)非常穩(wěn)定，從而可以有效地確定消光位置，完成相位延遲高精密測(cè)量。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于光纖多波長(zhǎng)激光器的相位延遲高精密測(cè)量系統(tǒng)的合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

4.1 實(shí)際參數(shù)獲取

在不加測(cè)波片的多波長(zhǎng)激光器情況下，調(diào)整相位補(bǔ)償器到初始位置，記錄此位置為L(zhǎng)0；調(diào)整相位補(bǔ)償器到2π時(shí)，記錄此位置為L(zhǎng)1；從示波器上光信號(hào)首次出現(xiàn)到光信號(hào)消失的記錄位置為L(zhǎng)2。針對(duì)不同波長(zhǎng)光源位置下的平移量，如表1所示。

表1 不同波長(zhǎng)光源對(duì)應(yīng)的平移量

從表1中可看出，理想情況下的測(cè)量系統(tǒng)平移量誤差較小，其中L0允許誤差為0.019 mm、L1允許誤差為0.008 mm、L2允許誤差為0.003 mm。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用基于彈光調(diào)制與數(shù)字鎖相技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)、基于雙彈光差頻調(diào)制的測(cè)量系統(tǒng)和基于光纖多波長(zhǎng)激光器的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量不同波長(zhǎng)光源對(duì)應(yīng)的平移量，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種系統(tǒng)不同波長(zhǎng)光源對(duì)應(yīng)平移量測(cè)量結(jié)果

由圖5可知，使用基于彈光調(diào)制與數(shù)字鎖相技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)L0位置下的平移量最大值為2.751 mm，最小值為2.735 mm，誤差為0.019 mm；基于雙彈光差頻調(diào)制的測(cè)量系統(tǒng)L0位置下的平移量最大值為2.751 mm，最小值為2.737 mm，誤差為0.014 mm；而基于光纖多波長(zhǎng)激光器的測(cè)量系統(tǒng)L0位置下的平移量最大值為2.751 mm，最小值為2.743 mm，誤差為0.008 mm。由此可知，三種系統(tǒng)誤差均在理想誤差范圍內(nèi)，但相比基于彈光調(diào)制與數(shù)字鎖相技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)和基于雙彈光差頻調(diào)制的測(cè)量系統(tǒng)，基于光纖多波長(zhǎng)激光器的測(cè)量系統(tǒng)的平移量誤差較小，說(shuō)明該系統(tǒng)在L0位置下的平移量測(cè)量精度較高。

使用基于彈光調(diào)制與數(shù)字鎖相技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)L1位置下的平移量最大值為15.040 mm，最小值為15.030 mm，誤差為0.010 mm；基于雙彈光差頻調(diào)制的測(cè)量系統(tǒng)L1位置下的平移量最大值為15.039 mm，最小值為15.030 mm，誤差為0.009 mm；而基于光纖多波長(zhǎng)激光器的測(cè)量系統(tǒng)L1位置下的平移量最大值為15.038 mm，最小值為15.030 9 mm，誤差為0.007 1 mm。由此可知，基于光纖多波長(zhǎng)激光器的測(cè)量系統(tǒng)誤差小于L1允許誤差，說(shuō)明基于光纖多波長(zhǎng)激光器的測(cè)量系統(tǒng)在L1位置下的平移量測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)。

使用基于彈光調(diào)制與數(shù)字鎖相技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)L2位置下的平移量最大值為12.316 8 mm，最小值為12.313 5 mm，誤差為0.003 3 mm；基于雙彈光差頻調(diào)制的測(cè)量系統(tǒng)L2位置下的平移量最大值為12.314 5 mm，最小值為12.312 0 mm，誤差為0.002 5 mm；基于光纖多波長(zhǎng)激光器的測(cè)量系統(tǒng)L2位置下的平移量最大值為12.316 mm，最小值為12.314 mm，誤差為0.002 mm。由此可知，基于光纖多波長(zhǎng)激光器的測(cè)量系統(tǒng)誤差小于L2允許誤差，說(shuō)明基于光纖多波長(zhǎng)激光器的測(cè)量系統(tǒng)在L2位置下的平移量測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)。

綜上所述，基于光纖多波長(zhǎng)激光器的測(cè)量系統(tǒng)在L0、L1、L2位置下的平移量測(cè)量誤差較小，能夠有效提高相位延遲測(cè)量精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了減小不同波長(zhǎng)光源對(duì)應(yīng)平移量誤差，提高相位延遲測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了基于光纖多波長(zhǎng)激光器的相位延遲高精密測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)選取532 nm半導(dǎo)體激光作為系統(tǒng)光源，采用伺服電機(jī)為系統(tǒng)供電，使用SGX5528光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光轉(zhuǎn)換為電，利用聚乙烯醇薄膜拉伸型人造偏振片，測(cè)量偏振片的透振方向和橫軸夾角。利用直接測(cè)量法，計(jì)算待測(cè)波片的相位延遲，通過(guò)調(diào)整電光調(diào)制器晶軸方位，保證光束垂直入射到器件表面，實(shí)現(xiàn)相位延遲高精密測(cè)量。該系統(tǒng)能夠有效提高測(cè)量精度，減小測(cè)量誤差。