杜含笑，李華豐

中國(guó)航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所

1 引言

自1960年人類發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器以來，激光技術(shù)得到了空前發(fā)展，其后，隨著氦氖(He-Ne)激光器誕生，以其良好時(shí)間相干性及空間相干性在激光干涉測(cè)量領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

激光干涉儀的應(yīng)用范圍廣泛，從大規(guī)模集成電路制造和自動(dòng)化機(jī)床檢測(cè)到幾何量計(jì)量設(shè)備系統(tǒng)均有其身影，是精密測(cè)量領(lǐng)域中必不可少的測(cè)量工具。激光干涉儀按光源成分可以分為單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀，雙頻激光干涉儀又稱為外差式激光干涉儀，雙頻激光外差測(cè)量在信號(hào)處理系統(tǒng)中可放大交流信號(hào)，抑制低頻噪聲，抗干擾能力強(qiáng)，適合應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等。本文詳細(xì)介紹了應(yīng)用于雙頻激光干涉儀中的激光光源技術(shù)。

2 雙頻激光干涉原理

雙頻激光干涉儀光路見圖1，雙頻激光器輸出一束包含兩個(gè)頻率分量的正交偏振光，記為f1、f2。該光束經(jīng)分光鏡取樣后，反射光經(jīng)過檢偏器P發(fā)生干涉，由光電接收器接收參考信號(hào)f1-f2[1]。偏振分光棱鏡將頻率f2的光分量反射到固定鏡，頻率為f1的光分量則通過偏振分光棱鏡透射進(jìn)入到測(cè)量鏡[2]，經(jīng)測(cè)量鏡反射后獲得多普勒信號(hào)f1+Δfd，與經(jīng)固定鏡f2的反射光相遇并重合，通過檢偏器發(fā)生干涉，在接收器中獲得f1+Δfd-f2測(cè)量信號(hào)。

圖1 雙頻激光干涉儀光路

假設(shè)測(cè)量棱鏡移動(dòng)速度為V，移動(dòng)距離為L(zhǎng)，則雙頻激光測(cè)量距離公式為

(1)

式中，λ為波長(zhǎng)；Δfd為多普勒頻移。

測(cè)量位移L可以表示為

(2)

式中，N為計(jì)數(shù)值與Δfd有關(guān)。

由上述分析可得，通過激光產(chǎn)生兩個(gè)頻率分量并對(duì)其分離是雙頻激光干涉儀測(cè)量的重要過程。

3 雙頻激光干涉儀激光光源技術(shù)

雙頻激光干涉儀位移測(cè)量的關(guān)鍵是測(cè)量鏡產(chǎn)生多普勒頻移，多普勒頻移應(yīng)比光源頻差Δf低，即

Δfd<Δf

(3)

由式(1)及式(3)可知

(4)

即當(dāng)Δf=1MHz時(shí)，最大測(cè)量速度v應(yīng)小于300mm/s，否則解調(diào)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生混亂，因此，雙頻激光干涉儀的測(cè)量速度受光源頻差影響，頻差越高，最大測(cè)量速度越高。當(dāng)前加工機(jī)床及坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的運(yùn)行速度最高可達(dá)1m/s[3]，即Δf應(yīng)大于4.5MHz。提高雙頻激光光源頻差可滿足測(cè)量速度要求，因此需主要關(guān)注雙頻激光器的光學(xué)分離方式、頻差大小、安裝調(diào)整難度和結(jié)構(gòu)成本等特性。

本文將對(duì)塞曼雙頻激光器，雙折射雙頻激光器，偏振雙反射膜雙頻激光器，聲光調(diào)制雙頻激光器和雙縱模激光器進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

3.1 塞曼分裂雙頻激光器

1896年，塞曼(P.Zeeman)研究發(fā)現(xiàn)，將光源放在足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中光譜線被分裂成幾條，新譜線數(shù)目隨電子能級(jí)的類型而變化[4]，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)?；谌?yīng)的塞曼雙頻激光器已廣泛應(yīng)用于商用激光干涉儀中，技術(shù)相對(duì)成熟。

在激光管上施加水平磁場(chǎng)(即磁場(chǎng)垂直于激光器的中心線)，稱為橫向塞曼分裂雙頻激光器(見圖2a)。其光譜線分裂成三條線偏振光，一條在原位置，另外兩條分別位于兩側(cè)，σ光垂直于磁場(chǎng)方向，π光平行于磁場(chǎng)方向(見圖2b)。

圖2 橫向塞曼分裂雙頻激光器及光譜線分裂[5]

橫向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)，方便調(diào)節(jié)。橫向塞曼激光器的輸出頻率較小，一般小于1MHz[6]，不適合高速測(cè)量，實(shí)際使用較少。

在激光管上施加軸向磁場(chǎng)(即磁場(chǎng)與激光平行)，稱為縱向塞曼分裂雙頻激光器(見圖3a)。其光譜線分裂為兩條不同頻率的圓偏振光，一條左旋偏振光，一條右旋偏振光(見圖3b)。

圖3 縱向塞曼分裂雙頻激光器及光譜線分裂[5]

縱向塞曼激光器左右圓偏振光頻率差Δv0[2]為

(5)

式中，g為能級(jí)朗德因子，對(duì)于He-Ne激光器，g≈1.3；μ0為玻爾磁子，μ0=9.27×10-24J/T；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；h為普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34J·s。

激光諧振腔內(nèi)受頻率模牽引效應(yīng)影響，左右圓偏振光實(shí)際輸出頻差為[2]

(6)

式中，Δvc為無源腔線寬；ΔvD為多普勒線寬，約為1500MHz；I為腔內(nèi)光強(qiáng)；Is為中心頻率處的飽和光強(qiáng)。

由式(5)可知，Δv0隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度H增大而增大，但當(dāng)Δv0=ΔvD(約1500MHz)時(shí)，兩圓偏振光的增益曲線將分離，無法同時(shí)滿足激發(fā)條件輸出雙頻激光。將Δv0=1500MHz代入式(6)中，得到Δv≈3MHz，縱向塞曼分裂雙頻激光器一般只能達(dá)到3MHz左右。

縱向塞曼雙頻激光器輸出頻差較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需要在激光管上施加軸向磁場(chǎng)，磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)不易實(shí)施，需要考慮磁場(chǎng)的安裝方式及均勻度等問題。典型產(chǎn)品有惠普公司的5517系列，利用縱向塞曼分裂效應(yīng)，最大頻差為4MHz，頻率穩(wěn)定度2×10-8/24h，最大測(cè)量速度為1m/s[7]；ZYGO公司的7705系列雙頻激光器，最大頻差3.65MHz，頻率穩(wěn)定度2×10-8/24h，最大測(cè)量速度0.5m/s[8]。

國(guó)內(nèi)很多科研單位也對(duì)縱向塞曼雙頻激光器做過研究，例如成都工具研究所研制的塞曼雙頻激光器最大頻差為1.2MHz，頻率精度0.03×10-6，最大測(cè)量速度為0.3m/s[9]；哈工大研制的UOI500系列雙頻激光器，最大頻差為1.2MHz，頻率穩(wěn)定度1.3×10-9/24h，最大測(cè)量速度0.3m/s[9]。

3.2 偏振雙反射膜雙頻激光器

殷純永等[3]發(fā)明了偏振雙反射膜雙頻激光器(見圖4)，其基本原理是不同偏振光垂直入射到特制反射膜并產(chǎn)生不同相位變化，利用橫向塞曼效應(yīng)減小模式耦合輸出雙頻激光。

圖4 偏振雙反射膜雙頻激光器結(jié)構(gòu)[3]

此發(fā)明中的偏振雙反射膜是利用特殊工藝制作的多層反射膜，制作原理是在反射膜層上產(chǎn)生殘余應(yīng)變。當(dāng)不同偏振光垂直入射時(shí)，有兩個(gè)反射系數(shù)，分別為

(7)

re=|re|e-tφe=re′e-tφe

(8)

雙反射膜反射相位躍變相差定義為Δφ=φo-φe，偏振雙反射膜雙頻激光器的輸出頻率表示為

(9)

式中，L為腔長(zhǎng)；n為激活介質(zhì)折射率；v為激光頻率；c為真空中光速；φ1和φ2為光在兩個(gè)腔鏡的相位躍變；m為整數(shù)。

兩個(gè)相鄰的激光縱模的頻率間隔為

(10)

由于反射時(shí)相位變化不同，即vc和ve的頻率不同，為滿足式(9)頻差大小，可表示為

(11)

由上式可得，偏振雙反射膜雙頻激光器頻差值受Δφ影響，Δvc最高可達(dá)1000MHz，因此Δφ的微小變化可得到大頻差。這種雙頻激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要額外晶體，不損害激光器，輸出頻差高，磁場(chǎng)強(qiáng)度改變，頻差改變小，適合用于高速干涉儀。普瑞科創(chuàng)公司成功將段純永教授的成果產(chǎn)品化，研制的偏振雙反射膜雙頻激光器頻差最高可達(dá)6MHz，頻率穩(wěn)定度6.6×10-10/1000s[9]。

3.3 雙折射雙頻激光器

雙折射雙頻激光器利用雙折射晶體對(duì)不同偏振態(tài)的光有不同折射率的特點(diǎn)，將雙折射晶體插入到激光諧振腔內(nèi)，使激光器中兩偏振光分別有不同諧振腔長(zhǎng)，形成雙頻激光[10]。

(1)石英雙折射雙頻激光器

典型雙折射雙頻激光器基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。其基本原理為，將石英晶體放置在激光腔中，轉(zhuǎn)動(dòng)石英晶體的晶軸，改變與激光束之間夾角，得到雙頻激光。調(diào)節(jié)晶軸與激光束夾角α可以改變頻差值，角度越大，頻差越大。

圖5 雙折射雙頻激光器基本結(jié)構(gòu)[11]

石英晶體調(diào)諧He-Ne雙頻激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻差大，輸出范圍達(dá)40MHz～1GHz，但是對(duì)石英晶體精度有很高要求，難以實(shí)現(xiàn)同一頻差雙頻激光器的統(tǒng)一性。

(2)應(yīng)力雙折射雙頻激光器

李巖等[12]針對(duì)雙折射雙頻激光器做了很多研究，并提出多種實(shí)現(xiàn)方法，如通過旋轉(zhuǎn)石英晶體和對(duì)反射鏡施加應(yīng)力等。應(yīng)力雙折射激光器結(jié)構(gòu)如圖6所示，可通過施加不同的力F調(diào)整頻率差的大小。

圖6 應(yīng)力雙折射雙頻激光器結(jié)構(gòu)[12]

對(duì)激光腔內(nèi)的光學(xué)元件施加壓力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力雙折射效應(yīng)，o光和e光光程差值為

(12)

式中，δ為光程差值；D為所用元件的直徑；f0為光學(xué)材料的條紋值；F為壓力值；λ為激光波長(zhǎng)。

因此，o光和e光之間的頻差大小可表示為

(13)

式中，L為激光器的腔長(zhǎng)；f為激光增益介質(zhì)的中心頻率。

由此(13)可看出，通過改變控制力F大小可以改變頻差，相比石英晶體，雙頻激光器更易精準(zhǔn)控制頻差和提高雙頻激光器的統(tǒng)一性。

(3)雙折射-塞曼雙頻激光器

雙折射He-Ne激光器的輸出頻差不小于40MHz[13]，由于與偏振方向垂直的線偏振光在同一光路，當(dāng)o光和e光頻差較小時(shí)，強(qiáng)烈的模競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致其中一種頻率的光競(jìng)爭(zhēng)失敗，無法實(shí)現(xiàn)雙頻輸出。為此，張書練[14]發(fā)明了雙折射-塞曼雙頻激光器(見圖7)，在激光器施加橫向磁場(chǎng)，利用橫向塞曼效應(yīng)削弱模競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)0～40MHz頻差輸出，填補(bǔ)3～40MHz頻差輸出空白。

2001年，張書練等[14]發(fā)明的塞曼-雙折射雙頻激光器采用二維加力裝置(見圖8)，保證施力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[15]。2008年，張書練等[16]發(fā)明基于打孔應(yīng)力調(diào)節(jié)的雙折射雙頻激光器，如圖9所示，此發(fā)明在增透-反射鏡的外表面打孔，根據(jù)孔的位置以及打孔作用力大小等，調(diào)整激光器輸出頻率，輸出激光器0～40MHz的頻差。該發(fā)明擺脫外部加力機(jī)構(gòu)，使內(nèi)應(yīng)力不受外界干擾，調(diào)節(jié)更加方便。

圖7 塞曼-雙折射雙頻激光器

圖8 二維施力裝置(以圓形為例)[14]

圖9 以兩孔為例的增透-反射鏡剖面[16]

2013年，朱守深等[17]在施力方式上提出創(chuàng)新，在激光器的平面輸出鏡內(nèi)部雕刻不同圖案，使平面鏡內(nèi)部產(chǎn)生相位延遲，實(shí)現(xiàn)雙頻激光輸出。圖10為雙折射雙頻激光器激光內(nèi)雕法，激光內(nèi)雕法對(duì)激光器沒有損害，可以反復(fù)賦值，重復(fù)修正。

雙折射雙頻激光器易產(chǎn)生40MHz以上大頻差，而塞曼-雙折射雙頻激光器填補(bǔ)了中頻差3～40MHz的空白，為雙頻激光干涉儀提供最合適的頻差段。激光管上橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度不影響雙折射-塞曼雙頻激光器產(chǎn)生的頻差大小，磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)容易實(shí)施，但施加應(yīng)力和挖孔等措施會(huì)損害激光器穩(wěn)定性，因此需進(jìn)一步研究其壽命等問題。

圖10 雙折射雙頻激光器激光內(nèi)雕法[17]

3.4 聲光調(diào)制雙頻激光

外差干涉測(cè)量基于聲光調(diào)制效應(yīng)產(chǎn)生雙頻激光，其原理是通過改變聲波頻率從而改變光的頻率，入射光穿過聲光介質(zhì)時(shí)，聲波變化導(dǎo)致介質(zhì)折射率改變，從而產(chǎn)生衍射，其一級(jí)衍射光頻率發(fā)生頻移，頻移量為頻差值。

如圖11所示，聲光調(diào)制器與光纖組合構(gòu)成光纖耦合聲光調(diào)制結(jié)構(gòu)，頻率f0的光通過光纖入射到聲學(xué)移頻器，零階衍射輸出維持原始頻率f0原始方向，一階衍射輸出移頻后偏轉(zhuǎn)角為-θ，頻率變?yōu)閒0+Δf，將一級(jí)衍射光耦合到輸出光纖中完成聲光調(diào)制，得到雙頻激光[18]。光纖耦合聲光調(diào)制干涉光路見圖12，分離參考光與測(cè)量光，避免頻率混疊，加強(qiáng)穩(wěn)定性。

圖11 光纖耦合聲光調(diào)制結(jié)構(gòu)

圖12 光纖耦合聲光調(diào)制干涉光路

為保證激光經(jīng)多個(gè)聲波反射后實(shí)現(xiàn)多光束相干涉，聲光調(diào)制需保證

dλ>>Λ2

(14)

式中，d為聲光介質(zhì)厚度；λ為輸入激光波長(zhǎng)；Λ為聲波波長(zhǎng)。

因此，基于聲光調(diào)制原理產(chǎn)生的雙頻激光頻差較高，達(dá)幾十MHz以上，但光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少。

聲光調(diào)制雙頻激光的頻率調(diào)節(jié)方便，光路調(diào)節(jié)難度低，參考光與測(cè)量光分離，非線性誤差小。由于光學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，目前主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中。ZYGO公司研制產(chǎn)品大多通過聲光調(diào)制方法產(chǎn)生雙頻激光，頻差大于20MHz，最大測(cè)量速度達(dá)5m/s[8]。

3.5 雙縱模雙頻激光器

雙縱模He-Ne激光器尺寸小，價(jià)格便宜，無需額外磁場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)無調(diào)制輸出，應(yīng)用比較廣泛[19]。雙縱模雙頻激光器通過改變諧振腔長(zhǎng)，選擇兩個(gè)合適的縱模間距，輸出呈正交偏振態(tài)的雙頻激光。激光器輸出的縱模間隔可表示為

ΔvL=C/2nL0

(15)

式中，C為光速；n為激光器腔內(nèi)折射率；L0為激光器腔長(zhǎng)。

選擇合適的腔長(zhǎng)長(zhǎng)度，使其輸出兩個(gè)縱模，可獲得較高的雙頻輸出。雙縱模激光器增益曲線及雙縱模分布見圖13。

圖13 雙縱模激光器增益曲線及雙縱模分布

雙縱模激光器原理簡(jiǎn)單，成本低，輸出頻差達(dá)600～1000MHz，但是，過高的頻差會(huì)帶來一些問題(如影響測(cè)量精度)，在超精密、快速測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用比較少。國(guó)內(nèi)外基于不同原理研制的典型雙頻激光器對(duì)比見表1。

4 典型雙頻激光器特點(diǎn)對(duì)比

本文詳細(xì)介紹了9種典型雙頻激光器的特點(diǎn)(見表2)，通過對(duì)比可以得到以下結(jié)論。

(1)商業(yè)用雙頻激光器以塞曼雙頻激光器為主，目前通過塞曼效應(yīng)產(chǎn)生的最大頻差為4MHz，最大速度為1m/s。相較其他類型雙頻激光器，其產(chǎn)生頻差較小，測(cè)量速度較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，24h內(nèi)頻率穩(wěn)定度高。

(2)基于聲光調(diào)制的雙頻激光器產(chǎn)生頻差高，測(cè)量速度高，由于其光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前大多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。

(3)塞曼-雙折射激光器可實(shí)現(xiàn)中頻差輸出，有很好的應(yīng)用前景，但需額外定制激光器，目前大規(guī)模推廣仍有難度。

(4)偏振雙反射膜雙頻激光器目前已有公司投入生產(chǎn)，其最高可產(chǎn)生6MHz頻差，長(zhǎng)時(shí)間的頻率穩(wěn)定度仍需進(jìn)一步探究。

(5)雙縱模雙頻激光器可產(chǎn)生超大頻差，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但是過高的頻差會(huì)為信號(hào)處理帶來困難。

表1 國(guó)內(nèi)外典型雙頻激光器對(duì)比

表2 典型雙頻激光器特點(diǎn)對(duì)比

5 結(jié)語

為了使雙頻激光更好發(fā)展，研究者仍需以降低光學(xué)分離難度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適合大規(guī)模推廣、大頻差等方面為目標(biāo)進(jìn)行研究。綜上所述，預(yù)測(cè)雙頻激光器今后發(fā)展趨勢(shì)：

(1)商業(yè)激光干涉儀仍以縱向塞曼雙頻激光器為主，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，不需額外定制，國(guó)內(nèi)應(yīng)努力提高縱向塞曼效應(yīng)最大輸出頻差，達(dá)到國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。

(2)實(shí)驗(yàn)室中以基于聲光調(diào)制原理產(chǎn)生雙頻激光的干涉儀為主，由于其頻差調(diào)節(jié)靈活，參考光與測(cè)量光空間分離，避免了頻率混疊，使非線性誤差低。

(3)塞曼-雙折射雙頻激光器輸出頻差范圍更適用于雙頻激光干涉儀，今后應(yīng)努力提高穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣。