張書練，談宜東

(清華大學(xué) 精密儀器與機(jī)械學(xué)系 光電工程研究所 精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0　引言

1887年物理學(xué)家阿爾貝特.邁克爾遜和愛德華.莫雷構(gòu)建了基于分振幅干涉的測(cè)量系統(tǒng)，否定了絕對(duì)靜止參考系的存在[1-2]。由于干涉測(cè)量的高精度以及可溯源性，基于邁克爾遜基本結(jié)構(gòu)的干涉測(cè)量方法和系統(tǒng)逐漸在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮無可替代的作用。例如美國(guó)的LIGO(激光干涉儀引力波天文臺(tái))于2016年首次探測(cè)到引力波漣漪事件[3]；商用產(chǎn)品Agilent，Renishaw以及Zygo等在高精度精密檢測(cè)及制造領(lǐng)域發(fā)揮重大作用等。邁克爾遜式激光干涉儀已成為人類認(rèn)識(shí)和改造世界的強(qiáng)有力工具[4-6]。

然而，邁克爾遜基本結(jié)構(gòu)的干涉儀仍存在一些缺點(diǎn)。一個(gè)最突出的缺點(diǎn)是對(duì)被測(cè)物體的表面反射率要求非常高，絕大多數(shù)情況下需要靶鏡來輔助測(cè)量，使得產(chǎn)生的干涉強(qiáng)度達(dá)到信號(hào)處理的要求。表面無法裝配靶鏡的測(cè)量是邁克爾遜干涉儀從理論上就無法實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，這種無法施加配合靶鏡的應(yīng)用場(chǎng)合的數(shù)量遠(yuǎn)超過可以施加的，例如微小、黑色、輕柔、粗糙、液面等目標(biāo)都不允許裝配靶鏡，此外對(duì)于一些研究材料物理特性的場(chǎng)合，裝配靶鏡無疑會(huì)影響被測(cè)件本身性能的準(zhǔn)確測(cè)量。第二個(gè)缺點(diǎn)是，邁克爾遜激光干涉儀使用氣體(HeNe混合氣體)激光器做光源，在連續(xù)工作的場(chǎng)合(在光刻機(jī)內(nèi)做線條定位)，其壽命不夠長(zhǎng)，經(jīng)常要更換激光器。第三個(gè)缺點(diǎn)是對(duì)空程的環(huán)境誤差補(bǔ)償能力有限，常需要使用溫度、壓力、濕度等輔助測(cè)量手段，使系統(tǒng)變復(fù)雜。第四個(gè)缺點(diǎn)是抗干擾能力和非線性的不可兼得。由于組成雙頻干涉儀元件的誤差，雙頻干涉儀一個(gè)波長(zhǎng)位移有幾個(gè)nm的非線性，其位數(shù)無法消除。而單頻激光干涉儀沒有非線性誤差，但抗干擾能力不足，一旦測(cè)程長(zhǎng)了，干擾成了重要的誤差源。

工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都急需一種新原理的干涉儀，它既具有溯源性，能滿足高測(cè)量精度需求，又可以實(shí)現(xiàn)非配合目標(biāo)的測(cè)量，抗干擾能力強(qiáng)，還具備等同于甚至優(yōu)于邁克爾遜干涉儀的量程、分辨力、測(cè)量速度等性能指標(biāo)。

1963年，英國(guó)的科學(xué)家King P R G等人發(fā)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的腔外物體反射或散射回諧振腔的光能夠引起激光功率的周期性波動(dòng)，調(diào)制周期與運(yùn)動(dòng)位移有關(guān)，自此開始，自混合效應(yīng)開始作為一種光學(xué)傳感測(cè)量手段出現(xiàn)在人們的視野中[7]。由于回饋光與激光介質(zhì)發(fā)生相互作用而被放大，激光自混合干涉對(duì)回饋光具有非常高的敏感性，如固體微片激光器，其具有非常高的腔內(nèi)光場(chǎng)衰減速率與反轉(zhuǎn)粒子數(shù)衰減速率之比，對(duì)返回到激光諧振腔內(nèi)的光場(chǎng)的放大可達(dá)106，能夠在無需配合靶鏡的情況下敏感大多數(shù)的非配合目標(biāo)的回饋光[8]。

以此效應(yīng)測(cè)量激光器外目標(biāo)位移的測(cè)量原理受到重視和研究。如日本K.Ostuka課題組[11-13]、意大利S.Donati課題組[14-15]、南京師范大學(xué)王鳴課題組[16-18]采用半導(dǎo)體激光器、固體微片激光器以及He-Ne激光器進(jìn)行了速度以及振動(dòng)測(cè)量的研究；法國(guó)E.Lacot課題組[19]、澳大利亞A.D.Rakic課題組[20]以及本課題組[21-22]均開展了激光自混合干涉成像領(lǐng)域的研究等。

研究者期望該方法可以完成傳統(tǒng)干涉儀無法實(shí)現(xiàn)的非配合目標(biāo)測(cè)量[9-10]。但是，研究者多，真正可應(yīng)用的系統(tǒng)少；物理學(xué)家研究者多，工程科學(xué)領(lǐng)域的研究者少，不能進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。從技術(shù)上看，激光自混合干涉從激光器到被測(cè)物之間的光路全部屬于測(cè)量光路，自混合干涉測(cè)量光路上的光強(qiáng)容易受到環(huán)境折射率變化以及光學(xué)器件產(chǎn)生熱蠕動(dòng)帶來的影響。于是，在進(jìn)行位移測(cè)量以及其他應(yīng)用時(shí)，這種環(huán)境擾動(dòng)問題就凸顯出來。S.Donati課題組、王鳴課題組以及本課題組都嘗試過對(duì)He-Ne激光器以及半導(dǎo)體激光器進(jìn)行位移測(cè)量研究，但是測(cè)量的穩(wěn)定性以及精度有待提高才可與現(xiàn)在的激光干涉儀相比擬。

課題組所研制出的激光自混合干涉測(cè)量系統(tǒng)解決了激光回饋在精密測(cè)量應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題，包括死程補(bǔ)償、頻率穩(wěn)定、提高靈敏度(1 nm)及測(cè)量速度(大于1 m/s)等，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量范圍大(10 m)，靈敏度高。本文稱其為第三代干涉儀。目前在某些應(yīng)用場(chǎng)合已可取代邁克爾遜干涉儀。

本文將介紹課題組在固體微片激光自混合干涉儀的研究，包括在納米分辨力位移測(cè)量、高精度相位測(cè)量和相位補(bǔ)償，并預(yù)測(cè)發(fā)展前景，以及在一些應(yīng)用(如折射率測(cè)量等)中的進(jìn)展。

1　激光自混合干涉儀原理

1980年，R.Lang 和 K.Kobayashi研究報(bào)道了半導(dǎo)體激光器中，外腔反射光對(duì)激光器性能的影響，并在激光速率方程模型中增加了用來表示回饋光的復(fù)數(shù)項(xiàng)(幅值代表回饋光強(qiáng)度，相位代表回饋光相位)，建立了著名的Lang-Kobayashi模型[23]，該理論的提出為激光自混合干涉的研究奠定了理論基礎(chǔ)，而后來的科學(xué)研究現(xiàn)象和分析也證實(shí)了這一模型的可靠性。

(1)

式中：E(t) 為電場(chǎng)的緩變復(fù)振幅；N(t)為上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)；Γ為光學(xué)限制因子；G為諧振腔內(nèi)的增益；κ～為回饋耦合效率；τp為腔內(nèi)光子壽命；τn為上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)壽命；τext為外腔往返時(shí)間；ηi為電流注入效率。在一定的近似情況下求解方程組(1)的解析解，或者直接求其數(shù)值解即可求得激光的功率隨腔外回饋光相位及強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化過程。

固體微片激光器具有MHz量級(jí)的弛豫振蕩頻率，因而外腔移頻自混合干涉會(huì)使得自混合干涉功率調(diào)制峰靠近弛豫振蕩峰從而具有更大的放大倍數(shù)，因此能夠提高回饋光的測(cè)量靈敏度，但是移頻自混合干涉相對(duì)于非移頻會(huì)產(chǎn)生更多的物理現(xiàn)象，只有對(duì)物理現(xiàn)象研究透徹才能合理地轉(zhuǎn)化為測(cè)量方法和技術(shù)。我們對(duì)固體微片激光器移頻自混合干涉進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，分別研究了外腔移頻頻率、回饋光強(qiáng)度對(duì)激光器頻譜以及光功率譜的影響，豐富了激光自混合干涉的現(xiàn)象，同時(shí)也通過激光器速率方程模型對(duì)各參數(shù)如何影響激光器自混合效應(yīng)進(jìn)行了理論仿真，完善了激光移頻自混合干涉的分區(qū)工作。

構(gòu)建如圖1所示的系統(tǒng)來對(duì)移頻自混合干涉中各種參數(shù)的影響進(jìn)行探究。圖1中，ML1，ML2為Nd∶YVO4微片激光器；BS1，BS2，BS3為分光鏡；AOMs為聲光移頻器組；ATT為可調(diào)衰減片；T為被測(cè)目標(biāo)；PD為光電探測(cè)器；OS為示波器；PD&AF為光電探測(cè)器和放大器；FS為頻譜儀。

圖1　研究回饋光強(qiáng)度及移頻頻率對(duì)激光頻譜和光功率譜影響實(shí)驗(yàn)裝置圖

其中，ML1，ML2為兩個(gè)完全相同的LD泵浦固體微片激光器。ML1輸出光被BS1分為兩部分，在透射光的光路中加入了聲光移頻器組、可調(diào)衰減器以及被測(cè)物構(gòu)成了外腔回饋系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)聲光移頻器組的驅(qū)動(dòng)頻率來改變外腔移頻的頻率，通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)衰減片來改變回饋光的強(qiáng)度。ML1輸出光被BS1反射的一部分又被分為兩路：一路直接被光電探測(cè)器接收，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后接入示波器觀察輸出激光的光功率譜特性；另一路與ML2的輸出光干涉產(chǎn)生拍頻信號(hào)，被光電探測(cè)器接收、放大后進(jìn)入頻譜儀，可了解“外差”移頻自混合干涉光路中回饋光強(qiáng)度以及移頻頻率對(duì)激光器頻譜和光功率譜的具體影響。

圖2為移頻頻率600 kHz時(shí)，當(dāng)回饋強(qiáng)度κ分別約為0,1×10-6,2×10-5,2×10-3時(shí)對(duì)應(yīng)的拍頻頻譜，因?yàn)镸L2的頻譜固定，所以圖2各子圖所示由拍頻獲得的信號(hào)即表示激光器ML1對(duì)應(yīng)不同回饋光強(qiáng)度時(shí)的頻譜圖。圖3為當(dāng)回饋強(qiáng)度為1.2×10-5時(shí)，移頻頻率Ω分別為0 Hz,600 kHz,1 MHz,1.6 MHz四種情況下激光器ML1輸出激光的頻譜。

圖2　線寬隨著回饋光強(qiáng)度的改變圖

圖3　頻譜隨移頻頻率的改變

根據(jù)Lang-Kobayashi模型可知，外腔移頻回饋光總會(huì)在激光器的光功率譜產(chǎn)生相同頻率的功率調(diào)制峰，但是回饋光的強(qiáng)度對(duì)激光自混合干涉影響的物理現(xiàn)象也非常豐富，在圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置中，我們通過改變可調(diào)衰減片來控制回饋光的強(qiáng)度，通過示波器來觀察微片激光器的光功率譜，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示。圖4給出了當(dāng)移頻頻率為600 kHz時(shí)，激光光功率譜隨回饋光水平的變化：(a)γext≈0；(b)γext≈1×10-6；(c)γext≈2×10-5；(d)γext≈2×10-3。

綜上所述，通過系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)了在“外差”移頻自混合干涉中，激光的頻譜更容易發(fā)生展寬，展寬頻譜是由一個(gè)中心頻率和兩側(cè)分布的一系列等間距頻率“梳齒”構(gòu)成，相鄰頻率“梳齒”間距等于外腔移頻頻率，即

圖4　激光光功率譜隨回饋光水平的變化

激光展寬頻譜的組成細(xì)節(jié)由外腔移頻頻率決定，但是當(dāng)外腔移頻頻率接近或者等于弛豫振蕩頻率時(shí)，會(huì)發(fā)生相干塌縮。頻譜的展寬寬度由回饋光強(qiáng)度和移頻頻率共同決定，當(dāng)回饋光水平過強(qiáng)時(shí)(≈1×10-3)，分立的激光頻譜迅速劇烈展寬為連續(xù)頻譜，進(jìn)入“相干塌縮”；激光光功率譜中調(diào)制信號(hào)頻率等于外腔移頻頻率，調(diào)制信號(hào)的幅值由回饋光的水平和外腔移頻頻率共同決定，回饋光水平越高，功率調(diào)制信號(hào)幅值越大，移頻頻率越接近弛豫振蕩峰，功率調(diào)制信號(hào)幅值越大，但是當(dāng)回饋光水平過高(≈1×10-3)或者移頻頻率與弛豫振蕩峰接近或重合時(shí)，激光光功率譜會(huì)發(fā)生共振或者混沌的狀態(tài)，此時(shí)已無法從光功率譜中有效提取攜帶被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)信息的信號(hào)。

作者課題組建立了包含激光器線寬展寬系數(shù)α的速率方程組，并對(duì)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了理論仿真和解釋。

(2)

根據(jù)速率方程模型數(shù)值仿真所得到的回饋光強(qiáng)度和移頻頻率對(duì)激光光功率譜的影響也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致，這些結(jié)論對(duì)于依靠微片激光器移頻自混合干涉原理進(jìn)行測(cè)量的方法及系統(tǒng)儀器具有借鑒和參考的意義，是后續(xù)儀器研究的基礎(chǔ)。此外，此研究結(jié)果作為一個(gè)重要的板塊有助于完善“外差”移頻自混合干涉理論的“T-C”分區(qū)圖表，促進(jìn)整個(gè)激光自混合干涉知識(shí)體系的完善。

2　光源樣機(jī)及參數(shù)評(píng)測(cè)

和HeNe激光器是傳統(tǒng)激光干涉儀的心臟一樣，固體微片激光器是固體微片激光自混合干涉儀的心臟。課題組在完成固體微片激光器泵浦方案設(shè)計(jì)以及穩(wěn)頻方案設(shè)計(jì)之后，實(shí)現(xiàn)了用于激光自混合干涉測(cè)量系統(tǒng)的小型化高性能激光光源，并對(duì)其基本性能進(jìn)行了評(píng)測(cè)。所研制的半導(dǎo)體激光器泵浦的固體微片激光器實(shí)物圖如圖5所示。

圖5　固體微片激光器實(shí)物圖

圖5中半導(dǎo)體泵浦固體微片激光光源結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全，其體積只有30 mm×30 mm×40 mm，包含的功能模塊有LD激光整形、微片角度旋轉(zhuǎn)、光源整體溫度控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)俯仰及偏擺調(diào)節(jié)等。因此由于其良好性能及小巧體積，這種激光光源可用于多種自混合干涉測(cè)量的系統(tǒng)中。

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的激光光源，我們按照?qǐng)D6設(shè)計(jì)了激光器頻率穩(wěn)定度的測(cè)量系統(tǒng)。圖6中，ML1與ML2為兩個(gè)完全一致的溫控穩(wěn)頻LD泵浦固體微片激光器；BS為分光鏡；PD&AF為光電二極管以及信號(hào)放大器；FS為頻譜儀。

圖6　雙光束對(duì)拍測(cè)定激光頻率穩(wěn)定度及線寬

圖6中方案采用兩個(gè)完全相同的光源進(jìn)行對(duì)拍，拍頻的半高寬以及拍頻頻率的波動(dòng)范圍可以等價(jià)認(rèn)為是兩個(gè)激光器共同作用造成的，兩者的影響比例一致。如圖7所示為圖6中系統(tǒng)得到的拍頻頻率值在7 h內(nèi)的波動(dòng)狀況，可以得知拍頻的波動(dòng)范圍大約在50 MHz左右，因此每一個(gè)激光器單獨(dú)的頻率波動(dòng)范圍大致為

由此拍頻測(cè)量得到的頻率波動(dòng)范圍與根據(jù)系統(tǒng)溫度波動(dòng)范圍所計(jì)算得到的微片激光器頻率波動(dòng)范圍比較一致，較小的差別可能來源于半導(dǎo)體激光器的溫度性能變化或者機(jī)械結(jié)構(gòu)以及泵浦光的變化?？傊上到y(tǒng)的溫度穩(wěn)定度以及頻率穩(wěn)定度性能測(cè)量結(jié)果可知，我們?yōu)橄到y(tǒng)所設(shè)計(jì)的溫控穩(wěn)頻達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖7　拍頻頻率波動(dòng)圖

圖8　激光器功率

激光自混合干涉的最基本原理即回饋光的相位對(duì)激光器功率的調(diào)制，在“零差”激光自混合干涉系統(tǒng)中，外腔相位直接調(diào)制激光器的輸出功率，而在“外差”自混合干涉測(cè)量系統(tǒng)中，外腔相位改變“外差”信號(hào)的相位，但激光器功率穩(wěn)定度同樣會(huì)對(duì)測(cè)量的精度有一定的影響。因此我們對(duì)所設(shè)計(jì)的激光光源的功率穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。圖8(a)所示為所涉及的LD泵浦Nd∶YVO4固體微片激光器在大約7 h范圍內(nèi)的功率波動(dòng)狀況。由圖中數(shù)據(jù)可知激光功率的中心值大約為2.5 mW，在此基礎(chǔ)上的功率波動(dòng)范圍大致為0.02 mW，相對(duì)波動(dòng)大約為1%。圖8(b)所示為短時(shí)間內(nèi)激光器的功率波動(dòng)情況，在20 min左右的時(shí)間內(nèi)，激光器的功率最大波動(dòng)為0.002 mW，對(duì)應(yīng)的相對(duì)波動(dòng)范圍為0.1%，這樣的波動(dòng)范圍即使對(duì)于“零差”自混合干涉系統(tǒng)也是可以接受的，對(duì)于“外差”移頻自混合干涉來說其影響更小，因此所研制的激光器功率穩(wěn)定性能能夠滿足絕大多數(shù)的激光。

3　激光自混合干涉測(cè)量系統(tǒng)

激光自混合效應(yīng)的輸入為外腔的相位，因此能夠體現(xiàn)為相位變化的物理量原則上講都可以采用激光自混合干涉效應(yīng)來測(cè)量。物體運(yùn)動(dòng)的位移、速度以及材料的折射率等都涉及到光程的改變，因此都可以通過構(gòu)建相應(yīng)的激光自混合干涉測(cè)量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。如引言中所述，由于激光自混合干涉的全部光路都屬于測(cè)量光路，非常容易受到環(huán)境波動(dòng)以及系統(tǒng)光學(xué)器件熱蠕動(dòng)的影響，因此現(xiàn)有的基于激光自混合干涉效應(yīng)的研究方案絕大多數(shù)集中于振動(dòng)、速度、成像等對(duì)光程緩慢變化不敏感的領(lǐng)域，對(duì)于位移測(cè)量以及折射率測(cè)量的研究相對(duì)較少，測(cè)量精度有限，并且由于容易受干擾，多數(shù)停留在原理實(shí)驗(yàn)階段，難以實(shí)現(xiàn)儀器化。

本課題組提出一系列的激光自混合干涉測(cè)量方法及技術(shù)，能夠補(bǔ)償由于環(huán)境波動(dòng)以及光學(xué)器件熱蠕動(dòng)帶來的光程變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)了高精度位移及折射率等物理量的測(cè)量，并且實(shí)現(xiàn)了儀器化。其中固體微片激光回饋干涉儀是首臺(tái)以激光自混合干涉效應(yīng)為原理的激光干涉儀，具有能夠?qū)崿F(xiàn)非配合目標(biāo)高精度位移、速度等幾何量測(cè)量的能力，大大地拓展了激光精密干涉測(cè)量方法和儀器的應(yīng)用范圍。

3.1　頻率復(fù)用激光自混合干涉儀

外差自混合干涉(外腔移頻)將自混合干涉的現(xiàn)象從功率波動(dòng)測(cè)量轉(zhuǎn)換為高頻功率調(diào)制的相位測(cè)量，測(cè)量方案對(duì)激光器本身功率波動(dòng)以及環(huán)境噪聲光的影響減小，相位測(cè)量也使得測(cè)量的分辨力更高。但是由于激光器本身以及移頻器件熱蠕動(dòng)會(huì)帶來光程較大范圍的波動(dòng)，外腔移頻自混合干涉系統(tǒng)多數(shù)研究都集中于振動(dòng)測(cè)量、速度測(cè)量等于光程緩變不敏感的測(cè)量領(lǐng)域，高精度的位移測(cè)量以及折射率測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)。

我們提出了基于外腔移頻頻率復(fù)用的自混合干涉測(cè)量系統(tǒng)[29]。此系統(tǒng)利用聲光移頻器的不同衍射級(jí)次額外引入了一路移頻回饋光，使得激光器輸出功率中有兩個(gè)不同頻率的調(diào)制信號(hào)。由于兩路光在空間上比較接近，因此可以在一定程度上補(bǔ)償有源光學(xué)器件的熱蠕動(dòng)以及環(huán)境擾動(dòng)對(duì)相位測(cè)量的影響，有效地抑制了光回饋測(cè)量中的空程誤差，大幅提高了非配合目標(biāo)自混合干涉位移測(cè)量精度。其原理示意圖如圖9所示。

圖9　移頻頻率復(fù)用激光自混合干涉測(cè)量系統(tǒng)裝置圖

圖9中由固體微片激光器發(fā)出的光再被分光鏡BS分束后，一部分被光電探測(cè)器PD接收，另外一部分進(jìn)入測(cè)量光路，測(cè)量光路中兩個(gè)串聯(lián)的聲光移頻器AOM1(驅(qū)動(dòng)頻率為70 MHz)和AOM2(驅(qū)動(dòng)頻率為70 MHz+Ω)用于改變測(cè)量光束的頻率，激光的原始頻率為ω，經(jīng)過透鏡的激光束B1以Bragg角入射進(jìn)AOM1，產(chǎn)生-1級(jí)衍射光B2，其頻率為ω-70 MHz，聲光移頻器AOM1與AOM2之間的距離足夠短，以使得經(jīng)過AOM1后的光束B1與B2都可進(jìn)入到AOM2，穿過AOM2后光束B2產(chǎn)生+1級(jí)衍射光B3，B3的頻率為ω+Ω，同時(shí)B1也會(huì)產(chǎn)生+1級(jí)衍射光B4(圖9中未標(biāo)出)。在聲光移頻器AOM2后設(shè)置光闌，保留光束B1與B3，遮擋其它光束，光束B1與B3經(jīng)過聚焦透鏡，其中B3與透鏡的光軸重合，因此穿過透鏡L2后方向不變，而光束B1經(jīng)過透鏡L2后發(fā)生折轉(zhuǎn)，兩束光相交的位置放置一個(gè)一定分光比的參考鏡，調(diào)整參考鏡的角度使得B1的反射光束沿B3的反方向傳播(同理，B3的反射光也沿著B1的反方向傳播)，這兩部分光束分別沿B1和B3的反方向傳播進(jìn)入到激光器的內(nèi)部，兩者經(jīng)歷完全相同的環(huán)路(方向相反)，在激光器內(nèi)部引起頻率為Ω的功率調(diào)制峰，同時(shí)B3會(huì)耦合一部分透射光穿過參考鏡照射在被測(cè)物體上并沿原路返回，此路光由于往返都經(jīng)歷了Ω的移頻量，因此會(huì)在激光器的輸出功率中產(chǎn)生2Ω的功率調(diào)制信號(hào)。參考光路與測(cè)量光路在參考鏡與激光器之間的部分基本相同(并非完全重合)，因此能夠補(bǔ)償由激光器本身熱漂移、聲光移頻器熱蠕動(dòng)以及環(huán)境空氣擾動(dòng)帶來的折射率變化給相位測(cè)量帶來的誤差。測(cè)量光路與參考光路在激光器的輸出功率中引起的調(diào)制信號(hào)可分別表示為

ΔIm=G(2Ω)Kmcos(2Ωt+Pm+φm)

ΔIr=G(Ω)Krcos(Ωt+Pr+φr)

式中:G(2Ω)與G(Ω)分別為測(cè)量光路調(diào)制信號(hào)以及參考光路調(diào)制信號(hào)的增益系數(shù);Km與Kr分別為測(cè)量光路與參考光路的光回饋強(qiáng)度;Pm與Pr分別為測(cè)量光路與參考光路的外腔相位值;而φm與φr分別為測(cè)量光路與參考光路的初始相位值(保持不變)。

圖10　激光器光功率譜

圖10所示為經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換以及示波器FFT之后的光功率譜信號(hào)，圖10(a)為同時(shí)存在參考信號(hào)(Ω)以及測(cè)量信號(hào)(2Ω)的光功率譜，而圖10(b)以及圖10(c)分別表示只有參考光或者測(cè)量光存在時(shí)的激光功率譜。從圖10中可以看出，與我們分析一致，參考光路在激光器功率譜中引起頻率為Ω的調(diào)制峰，測(cè)量信號(hào)在激光功率譜中引起2Ω的調(diào)制峰，通過濾波提取以及外差解相的方式可以得到參考光路與測(cè)量光路的相位變化，兩者做差即消除了光路中擾動(dòng)的部分，從而得到高精度的被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)相位信息。

對(duì)所構(gòu)建的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證，參考鏡保持靜止，測(cè)量物體由PZT驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，圖11分別給出了測(cè)量物體保持靜止時(shí)的系統(tǒng)相位漂移數(shù)據(jù)以及當(dāng)被測(cè)物體由PZT做三角波驅(qū)動(dòng)時(shí)參考光路、測(cè)量光路以及最終位移結(jié)果。

圖11　系統(tǒng)的零漂特性以及位移分辨力測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖11(a)可以看出，當(dāng)被測(cè)物體以及參考鏡均保持靜止時(shí)，由于系統(tǒng)內(nèi)光學(xué)器件熱蠕動(dòng)以及環(huán)境波動(dòng)帶來的相位測(cè)量擾動(dòng)大致在50°左右，而測(cè)量光路減去參考光路的最終相位波動(dòng)則小于6°，說明了此外腔移頻頻率的方案在消除空城擾動(dòng)方面效果顯著。圖11(b)為參考鏡保持靜止，測(cè)量物體由PZT三角波驅(qū)動(dòng)(最低曲線為PZT的驅(qū)動(dòng)電壓)，由圖11(b)各條曲線給出的信息可知，在沒有移頻頻率補(bǔ)償時(shí)，測(cè)量光路所測(cè)量得到的位移曲線嚴(yán)重偏離三角波，從11(b)最上面ΔLm曲線難以精確獲得被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)位移數(shù)據(jù)，而在經(jīng)過移頻頻率復(fù)用消除擾動(dòng)之后的最終結(jié)果(ΔLf)能夠清楚地反應(yīng)驅(qū)動(dòng)三角波的形狀，并且通過對(duì)最終位移的線性段進(jìn)行分析可知，此方案的位移測(cè)量分辨力優(yōu)于2 nm。實(shí)驗(yàn)證明：通過在微片激光器的輸出功率中引入不同頻率的調(diào)制信號(hào)作為參考信號(hào)，可以很大程度地提高系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾能力，提高系統(tǒng)的相位和位移測(cè)量分辨力?；诖朔桨傅募す庾曰旌细缮鏈y(cè)量系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)儀器化(如圖12所示)，是目前唯一能夠進(jìn)行非配合目標(biāo)高精度位移、折射率等物理量測(cè)量的激光干涉儀。

圖12　激光回饋干涉儀

3.2　全程準(zhǔn)共路式激光自混合干涉儀

基于外腔移頻頻率復(fù)用的激光自混合干涉測(cè)量方案通過在激光輸出功率中引入?yún)⒖夹盘?hào)，從而在很大程度上消除了包括光源和聲光移頻器在內(nèi)的光學(xué)器件熱蠕動(dòng)以及部分空程受環(huán)境擾動(dòng)的影響，實(shí)現(xiàn)了高精度和高分辨力位移測(cè)量。

然而這種方案的應(yīng)用范圍具有一定的局限性，具體表現(xiàn)為：

1)補(bǔ)償范圍有限

在頻率復(fù)用結(jié)構(gòu)中，由于參考光并非沿原路返回激光器，因此參考鏡需要以某個(gè)特定的角度傾斜設(shè)置，光路調(diào)節(jié)困難，實(shí)際使用時(shí)只能放置在距離激光器較近的位置，因此也只能補(bǔ)償近距離空程。當(dāng)測(cè)量遠(yuǎn)距離物體時(shí)，殘留的大空程在空氣擾動(dòng)的作用下會(huì)引入較大的測(cè)量誤差，并且得不到有效補(bǔ)償，導(dǎo)致激光自混合干涉儀只能實(shí)現(xiàn)小工作距離下的精密測(cè)量。

2)測(cè)量速度較低

頻率復(fù)用激光自混合干涉儀采用鎖相放大器實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)信號(hào)的相位解調(diào)。但鎖相放大器相當(dāng)于極窄帶的濾波器，限制了系統(tǒng)的測(cè)量速度(只能達(dá)到100 μm/s)，無法滿足多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的需求。相比之下，雙頻激光干涉儀的測(cè)量速度可以達(dá)到近1 m/s。因此，微片激光回饋干涉儀的測(cè)量速度還有很大需要提高的空間。

3)存在信號(hào)串?dāng)_

測(cè)量光束與參考光束之間夾角很小，在補(bǔ)償鏡反射參考光時(shí)也會(huì)使部分的測(cè)量光沿同樣的光路返回到

激光器中，因此光功率譜中的參考調(diào)制信號(hào)既包括補(bǔ)償鏡相位信息又包括被測(cè)物相位信息，出現(xiàn)信號(hào)的串?dāng)_，這對(duì)相位(位移)測(cè)量的分辨力有一定的影響。

在綜合考慮移頻頻率復(fù)用的激光自混合干涉儀所具有的不足之后，提出全程準(zhǔn)共路式激光自混合干涉儀，可補(bǔ)償遠(yuǎn)距離的空程誤差，無信號(hào)串?dāng)_，且解決了測(cè)量速度低的問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖13所示。其中，LD1，LD2為半導(dǎo)體激光器；Nd∶YVO4為微片激光晶體；BS為分光鏡；PIN1，PIN2為光電探測(cè)器；AOM1，AOM2為聲光移頻器；AOMD為聲光移頻器驅(qū)動(dòng)器；L1，L2，L3為透鏡；ATT為可調(diào)衰減片；BE為擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡；T為被測(cè)目標(biāo)；Tr為參考物體；B1為參考光；B2為測(cè)量光；Δφr為參考回饋光相位變化；Δφm為測(cè)量回饋光相位變化。

圖13　激光回饋干涉儀全程準(zhǔn)共路補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光源采用兩個(gè)半導(dǎo)體激光器LD1和LD2泵浦同一片Nd∶YVO4晶體，輸出兩路平行光B1和B2。經(jīng)過分光鏡BS后，B1和B2各自被分成兩束，反射光用于光強(qiáng)探測(cè)，透射光用于后續(xù)的移頻回饋光路。其中，兩路反射光被透鏡L1會(huì)聚后發(fā)散，分別打在光電探測(cè)器PIN1和PIN2上。兩路透射光以相同路徑穿過聲光移頻器組AOM1和AOM2后，移頻量都為Ω。凸透鏡L2和凹透鏡L3用來減小光束有效截面半徑和光束發(fā)散角。可調(diào)衰減片ATT用于調(diào)節(jié)回饋水平。BE是擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡組，用于進(jìn)一步減小光束發(fā)散角，并使兩光傳播方向平行。

從BE出射的光束B2作為測(cè)量光，打在遠(yuǎn)方的待測(cè)目標(biāo)T上；B1作為參考光，打在T附近的參考面Tr上。T和Tr的部分散射光分別沿原路返回激光器。由于兩束回饋光沿原路返回時(shí)都再一次經(jīng)過AOM2和AOM1，因此回饋光的總移頻量都為2Ω。

B1和B2的功率分別受到參考回饋光和測(cè)量回饋光的調(diào)制，經(jīng)PIN光電轉(zhuǎn)換、濾波放大及相位計(jì)處理后，提取出各自回饋外腔的相位變化Δφr和Δφm。在測(cè)量過程中，參考物體保持靜止，因此參考回饋光的相位變化Δφr僅來源于整個(gè)回饋光路中的空氣擾動(dòng)、元器件熱效應(yīng)及激光器自身不穩(wěn)定因素，而測(cè)量回饋光的相位變化Δφm除了來源于此，主要還來源于被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)。通過做差便排除了外界因素的影響，消除了死程誤差。物體的真實(shí)位移量ΔL為

式中：λ1和λ2分別為參考光和測(cè)量光的波長(zhǎng)；n0為空氣折射率。

全程準(zhǔn)共路式激光自混合干涉儀由于參考光和參考面垂直設(shè)置，即使測(cè)量遠(yuǎn)距離物體也很容易找到回饋信號(hào)，因此可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的空程補(bǔ)償。此外，信號(hào)處理部分將之前采用的鎖相放大器換成了濾波器和相位計(jì)，濾波器的通帶帶寬可以做大，因此干涉儀的測(cè)量速度不再受信號(hào)處理系統(tǒng)的限制，而主要取決于回饋光移頻頻率的范圍。在頻率復(fù)用激光自混合干涉儀中，移頻頻率小于弛豫振蕩頻率，移頻范圍受限于弛豫振蕩頻率的大小。然而，固體微片激光器在單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)下的弛豫振蕩頻率存在上限(小于8.8 MHz)，限制了干涉儀的最大測(cè)量速度。為此，在全程準(zhǔn)共路式結(jié)構(gòu)中，令回饋光的移頻頻率為8 MHz，大于弛豫振蕩頻率(2.5 MHz)?；仞佇盘?hào)頻率在6～10 MHz范圍內(nèi)變化時(shí)，信號(hào)信噪比良好，都可用于相位計(jì)測(cè)量。因此，理論上可以實(shí)現(xiàn)的最大測(cè)量速度為

而對(duì)于信號(hào)串?dāng)_問題，由于參考光和測(cè)量光從晶體的不同區(qū)域出射，腔長(zhǎng)具有微小差異，并且泵浦源相互獨(dú)立，因此兩光無相干性。

下面對(duì)全程準(zhǔn)共路式激光自混合干涉儀的性能進(jìn)行測(cè)試，包括零漂測(cè)試、分辨力測(cè)試、抗干擾測(cè)試和最大測(cè)量速度測(cè)試。被測(cè)物體為一個(gè)表面粗糙度Ra=0.8的鋼塊，放置在距干涉儀10 m遠(yuǎn)，測(cè)試環(huán)境為普通實(shí)驗(yàn)室(無恒溫)。首先，令物體保持靜止，同時(shí)記錄參考光和測(cè)量光測(cè)得的位移漂移，如圖14中藍(lán)色和黑色曲線所示，紅色是它們的差，即ΔL=ΔLm-ΔLr?？梢钥闯?，100 s內(nèi)，參考光和測(cè)量光的零位漂移都接近-900 nm，且變化趨勢(shì)一致，而補(bǔ)償后的漂移量小于±12 nm，補(bǔ)償效果顯著。而5000 s內(nèi)，參考和測(cè)量光的零漂達(dá)到了-6200 nm，補(bǔ)償后小于±180 nm。

圖14　工作距離10 m零漂測(cè)試

圖15　分辨力測(cè)試

隨后將被測(cè)物體固定在PI微位移平臺(tái)上，對(duì)儀器的分辨力進(jìn)行測(cè)試。位移臺(tái)型號(hào)P-621.1CD，分辨力0.2 nm，重復(fù)性±1 nm。令物體做振幅為40 nm的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)量結(jié)果如圖15所示。在空氣擾動(dòng)的作用下，物體位移呈逐漸減小的趨勢(shì)，從測(cè)量光位移已經(jīng)無法準(zhǔn)確判定物體的運(yùn)動(dòng)。補(bǔ)償后，位移幅值平穩(wěn)，且振幅大小與設(shè)定值吻合良好。取ΔL中的線性段計(jì)算得最大非線性殘差為2.3 nm，表明全程準(zhǔn)共路補(bǔ)償激光回饋干涉儀在測(cè)量10 m遠(yuǎn)物體時(shí)的短期分辨力優(yōu)于3 nm。

接下來，對(duì)儀器的抗干擾性能進(jìn)行測(cè)試。令物體做振幅10 nm的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖16(a)所示。在1.6 s處加入振動(dòng)干擾，參考光和測(cè)量光的位移因此而驟減了40 nm，但補(bǔ)償后干擾被成功消除。隨后令物體做振幅為30 nm的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖16(b)所示。人為扇動(dòng)空氣。參考光和測(cè)量光的位移逐漸增大到400 nm，隨著擾動(dòng)的消失又逐漸減小。而補(bǔ)償后，位移曲線的大鼓包被濾掉，幅值相對(duì)平穩(wěn)。因此，全程準(zhǔn)共路補(bǔ)償能夠有效消除外界擾動(dòng)的影響，保證了激光回饋干涉儀的穩(wěn)定性和分辨力。

圖16　抗干擾測(cè)試

最后，將被測(cè)物體固定在最大行程為550 mm的位移平臺(tái)上，對(duì)儀器的最大運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)試。令物體運(yùn)動(dòng)300 mm后靜止，再運(yùn)動(dòng)300 mm返回,設(shè)定的最大運(yùn)動(dòng)速度為1 m/s，測(cè)量結(jié)果如圖17所示。圖17(a)是位移-時(shí)間曲線，記錄了兩個(gè)往返的周期。對(duì)位移求導(dǎo)，得到速度-時(shí)間曲線，如圖17(b)所示?？梢钥吹剑畲笏俣冗_(dá)到了±1 m/s，因此全程準(zhǔn)共路式激光自混合干涉儀可以實(shí)現(xiàn)速度為±1 m/s的位移測(cè)量。

圖17　±1m/s運(yùn)動(dòng)位移測(cè)試

4　研究中的激光自混合干涉儀

上述的準(zhǔn)共路干涉儀和全程共路干涉儀均已進(jìn)入儀器化階段。全程準(zhǔn)共路式激光自混合干涉儀解決了補(bǔ)償范圍小、測(cè)量速度低及信號(hào)串?dāng)_等問題，拓展了自混合干涉儀的應(yīng)用范圍。但是該結(jié)構(gòu)中參考光和測(cè)量光空間分離，空氣擾動(dòng)對(duì)兩光相位的影響不完全一致。為此提出偏振復(fù)用激光自混合干涉儀，偏振復(fù)用+移頻復(fù)用激光自混合干涉儀和光纖光路激光自混合干涉儀，都正在研究中。

4.1　偏振復(fù)用激光自混合干涉儀

全程準(zhǔn)共路式激光自混合干涉儀解決了補(bǔ)償范圍小、測(cè)量速度低及信號(hào)串?dāng)_等問題，極大拓展了自混合干涉儀的應(yīng)用范圍。但是該結(jié)構(gòu)中參考光和測(cè)量光空間分離，空氣擾動(dòng)對(duì)兩光相位的影響不完全一致。為此提出偏振復(fù)用激光自混合干涉儀，使參考光和測(cè)量光在傳播過程中完全共路，僅在目標(biāo)附近分離，因此補(bǔ)償效果更好。該結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離補(bǔ)償，具有無信號(hào)串?dāng)_的優(yōu)點(diǎn)[30]。系統(tǒng)方案原理如圖18所示。圖18中，LD1，LD2為半導(dǎo)體激光器；ML為Nd∶YVO4微片激光器；HWP為1064 nm半波片；CC為方解石晶體；A為小孔光闌；BS為分光鏡；WP為沃拉斯頓棱鏡；PD為光電探測(cè)器；AOMs為聲光移頻器組；PBS為偏振分光鏡；RT為參考目標(biāo)；T為被測(cè)目標(biāo)。

圖18　正交偏振激光自混合干涉儀原理示意圖

兩個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體激光器LD1和LD2泵浦Nd∶YVO4微片激光器上的間距為1.5 mm的兩個(gè)位置(在避免兩個(gè)光束橫模耦合的前提下，盡量保持出光位置接近使得兩束光具有更一致的物理環(huán)境)，泵浦功率達(dá)到出光閾值后，Nd∶YVO4微片輸出兩束相互平行的線偏振光，經(jīng)過1064 nm的半波片后偏振方向被旋轉(zhuǎn)一定角度，隨后兩束線偏振光穿過方解石平行分束器CC，LD1所泵浦出激光的非尋常光與LD2所泵浦出激光的尋常光在空間上重合，因此在方解石晶體的出射端共有三束激光，中間光束為空間重合的正交偏振光，兩側(cè)分別為來自LD1和LD2的線偏振光，方解石后設(shè)置的小孔光闌A允許正交偏振光通過，兩側(cè)的線偏振光被遮擋，隨后正交偏振光被分光鏡分為兩部分，一部分被沃拉斯頓棱鏡分光后由兩個(gè)光電探測(cè)器接收，另一部分光被聲光移頻器組移頻，移頻后的正交偏振光在遇到偏振分光鏡前保持共路傳輸，偏振分光鏡將正交偏振光分開，一束光照射在參考目標(biāo)上沿原路返回作為參考光路，另一部分照射在被測(cè)目標(biāo)上沿原路返回作為測(cè)量光路。

被兩個(gè)光電探測(cè)器分別接收的光信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)預(yù)處理后輸入到鎖相放大器，同時(shí)將聲光移頻器組的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為參考信號(hào)輸入鎖相放大器，得到參考光路和測(cè)量光路的光程相位變化，由于在測(cè)量過程中參考目標(biāo)保持靜止，因此參考光路所得到的相位測(cè)量結(jié)果即為從激光器到參考目標(biāo)之間的光路光程受環(huán)境變化以及光學(xué)器件熱蠕動(dòng)影響的結(jié)果，測(cè)量光路得到的相位測(cè)量結(jié)果包含激光器到被測(cè)目標(biāo)之間光路光程的擾動(dòng)以及被測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的相位信息。將參考光路結(jié)果從測(cè)量光路結(jié)果中減去，可以消除從激光器到偏振分光鏡之間光路由環(huán)境擾動(dòng)或光學(xué)器件熱蠕動(dòng)帶來的光程擾動(dòng)影響，從而得到被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的精確信息。

這種偏振復(fù)用的方案相對(duì)于移頻頻率復(fù)用的優(yōu)勢(shì)在于：①偏振分光鏡位置可變，可補(bǔ)償絕大部分的空程，并且與正交偏振光在空間上完全重合，共路補(bǔ)償效果更好；②測(cè)量光路和參考光路通過偏振態(tài)不同而實(shí)現(xiàn)分離，串?dāng)_更小。

根據(jù)上述原理及設(shè)計(jì)所構(gòu)建的正交偏振激光自混合干涉儀樣機(jī)如圖19所示。儀器的整體尺寸大約為50 mm×70 mm×120 mm，輕便小巧，結(jié)構(gòu)緊湊。

圖19　準(zhǔn)共路正交偏振激光自混合干涉儀實(shí)物圖

為檢測(cè)圖19中所示的準(zhǔn)共路正交偏振激光自混合干涉儀的基本性能，進(jìn)行了一系列測(cè)試實(shí)驗(yàn)?？紤]到該系統(tǒng)所使用光源的弛豫振蕩頻率大小，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中聲光移頻器組的驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置為Ω=1.5 MHz，因此激光往返穿過聲光移頻器組所經(jīng)歷的移頻量為2Ω=3 MHz。將探測(cè)器接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并接到示波器上進(jìn)行FFT變換可得激光的光功率譜，正交偏振光兩個(gè)正交分量的光功率譜如圖20所示。

圖20　正交偏振激光光功率譜

圖20(a)和圖20(b)中的FRO分別為正交偏振光中兩個(gè)線偏振分量的激光弛豫振蕩峰，F(xiàn)S1為水平偏振(參考光路)光中的移頻回饋調(diào)制信號(hào)，F(xiàn)S2為豎直偏振(測(cè)量光路)光中移頻回饋調(diào)制信號(hào)。

儀器零漂測(cè)試：將被測(cè)物體(表面發(fā)黑處理鋁塊)以及參考物體放置在距離干涉儀主體800 mm遠(yuǎn)處，保持靜止。正交偏振光束的兩個(gè)偏振分量分別測(cè)得測(cè)量物體和參考物體的位移擾動(dòng)，并將測(cè)量光信號(hào)與參考光信號(hào)作差，得到補(bǔ)償之后的最終結(jié)果。零漂測(cè)試的結(jié)果如圖21所示。

圖21　正交偏振光路各自測(cè)量的及補(bǔ)償后的零漂位移

圖21中的ΔLm，ΔLr分別為測(cè)量光路與參考光路得到的零漂位移變化值，而ΔLf=ΔLm-ΔLr為將參考光路的擾動(dòng)從測(cè)量光路的結(jié)果中除去之后的最終結(jié)果。由圖21的結(jié)果曲線對(duì)比可知，參考光路和測(cè)量光路各自的空程零漂值5 min內(nèi)都在100 nm左右，而補(bǔ)償環(huán)境以及系統(tǒng)光學(xué)器件擾動(dòng)之后的零漂值只有5 nm左右。測(cè)量結(jié)果表明，依靠正交偏振光分別作為測(cè)量光路和參考光路的偏振復(fù)用方案能夠很大程度地提高儀器的性能。

儀器位移分辨力測(cè)試：參考目標(biāo)保持靜止，被測(cè)目標(biāo)固定在一個(gè)壓電陶瓷上。給壓電陶瓷一個(gè)頻率為1 Hz的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量光路以及參考光路的位移變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖22所示。

圖22　PZT驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷測(cè)試儀器位移分辨力

由圖22可知，無論從測(cè)量光路還是參考光路的測(cè)量結(jié)果中，都難以分辨出壓電陶瓷的穩(wěn)定周期往返運(yùn)動(dòng)，但是在將環(huán)境擾動(dòng)以及系統(tǒng)光學(xué)器件熱蠕動(dòng)消除之后的結(jié)果(測(cè)量結(jié)果-參考結(jié)果)中可以清晰地分辨出PZT驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷運(yùn)動(dòng)的軌跡，通過對(duì)位移曲線的線性段進(jìn)行分析可以得出，系統(tǒng)的短期位移分辨力優(yōu)于2 nm。

4.2　偏振復(fù)用+移頻復(fù)用激光自混合干涉儀

基于偏振復(fù)用的正交偏振激光自混合干涉儀通過引入正交偏振光的方法補(bǔ)償了測(cè)量光路中由于環(huán)境擾動(dòng)和光學(xué)元器件熱蠕動(dòng)帶來的測(cè)量誤差，提高了自混合干涉測(cè)量的抗環(huán)境干擾性能以及位移分辨力。然而，這種方案雖然在補(bǔ)償空程擾動(dòng)方面有很大的進(jìn)步，但是卻又引入了新的誤差來源。圖18系統(tǒng)中采用兩個(gè)微片激光器提供正交偏振光的兩個(gè)偏振分量，雖然兩個(gè)激光器位于同一片Nd∶YVO4晶體上，并且通過縮小光束間距以及采取泵浦源LD串聯(lián)供電的方式使得兩個(gè)微片激光器的工作參數(shù)盡可能的接近，然而由于兩個(gè)LD參數(shù)無法做到完全一致，并且在微片上以及微片到方解石之間的光路中，兩束光處于非共路狀態(tài)，這些都會(huì)為正交偏振的光路測(cè)量結(jié)果引入誤差。

為了解決上述誤差，并綜合考慮外腔移頻頻率復(fù)用方案以及正交偏振復(fù)用方案的特點(diǎn)，提出在偏振復(fù)用的基礎(chǔ)上使用移頻頻率復(fù)用的技術(shù)消除由于光源之間差異以及方解石以前光路的非共路部分帶來的測(cè)量誤差[31]。這種偏振和頻率復(fù)用的正交偏振自混合干涉儀光路結(jié)構(gòu)如圖23所示。圖23中，ML1，ML2為微片激光器；CC為方解石晶體；PA為小孔光闌；BS1，BS2為分光鏡；AOM1，AOM2為聲光移頻器；WP為沃拉斯頓棱鏡；M1為反射鏡；Lens為透鏡；PBS為偏振分光鏡；T1為待測(cè)目標(biāo)；T2為參考目標(biāo)。

圖23中涉及到兩個(gè)激光器，每個(gè)激光器又涉及到兩個(gè)不同的回饋光移頻頻率，為了清晰地表達(dá)系統(tǒng)中的光路走向，將其根據(jù)激光器以及移頻頻率進(jìn)行歸類。系統(tǒng)的具體光路如表1所示。

圖23　偏振及頻率復(fù)用正交偏振激光自混合干涉儀系統(tǒng)光路圖

編號(hào)光路走向(T:透射;R:反射;0:0級(jí)衍射光;1:1級(jí)衍射光)光路1ML1→AOMs(0)→BS2(R)→Lens1→ M1→Lens1→BS2(R)→AOMs(1)→ML1光路 2ML1→AOMs(1)→BS2(R)→Lens1→ M1→Lens1→BS2(R)→AOMs(0)→ML1光路 3ML2→AOMs(0)→BS2(R)→Lens1→ M1→Lens1→BS2(R)→AOMs(1)→ML2光路 4ML2→AOMs(1)→BS2(R)→Lens1→M1→Lens1→BS2(R)→AOMs(0)→ML2光路 5ML1→AOMs(1)→BS2(T)→PBS→ T1→PBS→BS2(T)→AOMs(1)→ML1光路6ML2→AOMs(1)→BS2(R)→PBS→ T2→PBS→BS2(R)→AOMs(1)→ML2

如表1所示，在圖23所示的光路中，光路1和光路2為來自ML1的光，兩個(gè)光路經(jīng)歷相同環(huán)路(相反方向)，因此移頻頻率相同，將其歸為一種情況，視為通道1，即ML1的一倍移頻Ω回饋調(diào)制；同理，光路3和光路4也屬于同一種情況，視為通道2，它們?cè)贛L2中產(chǎn)生了一倍移頻Ω的功率調(diào)制；光路5和光路6分別為正交偏振光中來自ML1和ML2的光在各自激光器中引起的兩倍移頻2Ω的功率調(diào)制，分別視為通道3和通道4。

由上述光路分析可知，通道1與通道2光程的差別僅在于激光器ML1和ML2內(nèi)部以及激光器到小孔光闌PA之間的非共路部分，因此將這兩個(gè)光路所監(jiān)測(cè)到的位移(相位)變化作差即可得到由于光源本身工作參數(shù)不同以及激光器到光闌之間的非共路環(huán)境擾動(dòng)帶來的影響。通道3和通道4分別為由ML1和ML2出射最終分別照射在被測(cè)物體和參考物體上的光路，這兩個(gè)光路在方解石到被測(cè)物體前放置的偏振分光鏡之間部分空間上保持重合，因此通道3，4測(cè)量結(jié)果之差反應(yīng)了測(cè)量物體與參考物體的位移之差以及兩者前端由光源工作狀態(tài)差異以及非共路部分引起的擾動(dòng)，大部分空程中受環(huán)境擾動(dòng)以及光學(xué)器件熱蠕動(dòng)的影響依靠正交偏振光空間共路補(bǔ)償。因此在通道3與通道4測(cè)量的相位差(結(jié)果1)中再減去通道1和通道2之間的相位差(結(jié)果2)，就能夠得到最終的補(bǔ)償所有光程擾動(dòng)的測(cè)量結(jié)果，即被測(cè)目標(biāo)的位移及速度等信息。

根據(jù)上述原理，系統(tǒng)的信號(hào)處理方式如圖24所示。

圖24　準(zhǔn)共路激光自混合干涉測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)處理流程圖

為了檢驗(yàn)偏振及頻率復(fù)用的正交偏振激光自混合干涉儀的基本性能，我們對(duì)其零漂性能以及位移分辨力進(jìn)行了初步的測(cè)試。

圖25所示為當(dāng)被測(cè)目標(biāo)以及參考目標(biāo)都保持靜止不動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的各個(gè)通道所測(cè)量到的位移變化，因此能夠反映系統(tǒng)本身的性能(儀器外部空程800 mm，普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境)。由圖25的通道1至通道4所顯示的零漂位移值可知，在7 h內(nèi)由環(huán)境擾動(dòng)、系統(tǒng)光學(xué)器件熱蠕動(dòng)以及光源參數(shù)變化引起的零位位移漂移在10 μm左右，如果沒有補(bǔ)償措施的話難以實(shí)現(xiàn)高精度的位移測(cè)量。圖25中的結(jié)果1和結(jié)果2分別是通道1、通道2之差和通道3、通道4之差，可以看出結(jié)果1與結(jié)果2的曲線已經(jīng)非常平滑，各個(gè)通道中變化比較劇烈的部分都被很好地補(bǔ)償?shù)?。此時(shí)結(jié)果1和結(jié)果2兩者比較一致，但7 h內(nèi)的漂移仍然有5 μm左右，根據(jù)我們之前對(duì)各個(gè)光路的分析可知，這時(shí)的漂移數(shù)據(jù)是由兩個(gè)激光器工作參數(shù)不一致以及前端非共路部分引起的，因此將結(jié)果1和結(jié)果2再作差即可得到最終的儀器零漂，如圖25中“最終位移”所示，零漂位移的最大值在69～70 nm左右。根據(jù)最終位移與原始的各通道位移數(shù)據(jù)對(duì)比可知偏振及頻率復(fù)用的正交偏振激光自混合干涉儀對(duì)于由環(huán)境擾動(dòng)、光學(xué)器件熱蠕動(dòng)以及光源工作參數(shù)不一致引起的測(cè)量誤差具有非常好的補(bǔ)償效果。

圖25　偏振及頻率復(fù)用正交偏振激光自混合干涉儀零漂檢測(cè)

相同條件下對(duì)準(zhǔn)共路激光回饋干涉儀進(jìn)行位移零漂測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖26所示，在7 h內(nèi)，儀器的最大位移零漂超過了2 μm，造成如此大零漂的原因并非準(zhǔn)共路儀器本身性能不佳，而是其無法補(bǔ)償儀器外部的800 mm空程受環(huán)境擾動(dòng)的影響，而這也正是我們的儀器的優(yōu)勢(shì)所在(空程補(bǔ)償范圍大，補(bǔ)償效果好)。

圖26　準(zhǔn)共路激光回饋干涉儀800 mm普通實(shí)驗(yàn)室零漂曲線

為了檢驗(yàn)儀器的短期位移分辨力，通過壓電陶瓷來驅(qū)動(dòng)被測(cè)物體的方式來施加三角波信號(hào)。并將最終位移恢復(fù)的質(zhì)量作為儀器位移分辨力好壞的評(píng)價(jià)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖27所示。

圖27　四通道位移示數(shù)以及偏振及頻率復(fù)用后的最終位移

圖27(a)中通道3和通道4分別為參考目標(biāo)通道和測(cè)量目標(biāo)通道的位移信息，通道1和通道2為用于補(bǔ)償儀器內(nèi)部非共路部分的位移變化。圖27(b)中的結(jié)果1為通道1和通道2的測(cè)量結(jié)果之差，因?yàn)檫@兩個(gè)通道測(cè)量的都是反射鏡M1的位移，其差異就在于光源部分以及光源到方解石間的非共路部分，因此結(jié)果1反映了兩個(gè)激光器工作狀態(tài)引起的誤差。結(jié)果2為通道3和通道4的測(cè)量結(jié)果之差，包括激光器工作狀態(tài)不同以及非共路部分光路和被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)等信息。

此方案集成了移頻頻率復(fù)用以及偏振復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)，能夠消除包括激光器本身以及光路中光學(xué)器件(以聲光移頻器為主)的熱蠕動(dòng)對(duì)外腔相位測(cè)量帶來的影響，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)共路的測(cè)量，能夠滿足被測(cè)物體距離較遠(yuǎn)以及空程擾動(dòng)較大情況下的相位(或位移)量測(cè)量。

4.3　光纖光路激光自混合干涉儀

自由空間式激光干涉儀(包括傳統(tǒng)的邁克爾遜式干涉儀以及激光自混合干涉儀)抗干擾性強(qiáng)，系統(tǒng)或儀器容易構(gòu)建。但是現(xiàn)有的自由空間形式干涉儀在使用時(shí)要求干涉儀與被測(cè)目標(biāo)之間不能有障礙物，在改變光束空間位置以及方向時(shí)，需要復(fù)雜的空間光路結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)龐雜且效率低下。此外，由于空間光路折轉(zhuǎn)元件以及靶鏡尺寸的限制，傳統(tǒng)的空間形式干涉儀難以滿足狹小空間內(nèi)物體微小位移及速度等物理量的測(cè)量。

針對(duì)上述問題，提出了基于光纖光路的激光自混合干涉儀方案，基本思想是將偏振復(fù)用的自由空間式激光自混合干涉儀轉(zhuǎn)化為光纖光路的形式[32]。正交偏振的兩個(gè)線偏振分量分別通過保偏光纖的快軸和慢軸傳輸，實(shí)現(xiàn)光纖式的微片激光自混合干涉儀，光路柔軟可變形，對(duì)被測(cè)空間適應(yīng)性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離復(fù)雜空間內(nèi)非配合目標(biāo)的測(cè)量，在應(yīng)用場(chǎng)合以及實(shí)施方式上相對(duì)于傳統(tǒng)的干涉儀都有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖28為光纖光路正交偏振激光自混合干涉儀的原理示意圖。圖28中，ML為微片激光器；RP為斜方棱鏡；GRIN1,GRIN2,GRIN3,GRIN4為自聚焦透鏡；PBS1,PBS2,PBS3為光纖式偏振分光器；BS為保偏光纖分束器；AOMs為聲光移頻器組；PM Fiber為保偏光纖；PD1,PD2為光電探測(cè)器；T1,T2為被測(cè)目標(biāo)以及參考目標(biāo)。微片激光器ML上的兩個(gè)不同位置發(fā)出兩束1064 nm激光，微片激光器ML上兩個(gè)出光點(diǎn)的間距設(shè)置為1.5 mm。1.5 mm的間距能夠保證激光的性能，但對(duì)于后續(xù)的兩束光分別耦合進(jìn)保偏光纖帶來了問題，因?yàn)樗褂玫墓饫w耦合器最小直徑為2.8 mm，如果不將兩束平行光間距進(jìn)一步分開的話，難以實(shí)施空間光到保偏光纖的有效耦合。因此在微片激光器后設(shè)置一個(gè)斜方棱鏡用于平行地移動(dòng)兩束平行光中的一束，以此來擴(kuò)大兩束平行光之間的間距。

圖28　光纖式正交偏振自混合干涉儀原理示意圖

經(jīng)斜方棱鏡分開后間距為6.5 mm的兩束平行光通過自聚焦透鏡(作為耦合透鏡)耦合進(jìn)入PM 980 nm保偏光纖中，沿光纖慢軸傳播，隨后經(jīng)過光纖偏振合束器PBS1合束成為正交偏振光，其兩個(gè)分量分別沿保偏光纖的快慢軸傳播。正交偏振光經(jīng)過保偏的聲光移頻器組，其兩個(gè)分量都經(jīng)過相同移頻，隨后經(jīng)過一段距離的保偏光纖傳播后采用光纖式偏振分束器PBS3分開為兩束線偏振光，一束經(jīng)自聚焦透鏡組成的準(zhǔn)直器輸出并照射在被測(cè)物體上，另一束經(jīng)自聚焦透鏡準(zhǔn)直輸出照射在參考物體上。在絕大部分的保偏光纖中，兩束線偏振光都是以正交偏振光的形式存在于保偏光纖中的，經(jīng)歷相同的環(huán)境擾動(dòng)對(duì)光纖帶來的影響，所以兩通道所測(cè)量的結(jié)果中都包含由于環(huán)境擾動(dòng)光纖而引入的測(cè)量誤差，通過簡(jiǎn)單作差就可以消除環(huán)境對(duì)光纖擾動(dòng)的影響，這是能夠使用光纖光路來實(shí)現(xiàn)自混合干涉儀以及將其應(yīng)用在長(zhǎng)距離測(cè)量中的關(guān)鍵。

此方案在測(cè)量原理上與自由空間的偏振復(fù)用激光自混合干涉儀是一致的，光源都為固體微片激光器，補(bǔ)償?shù)姆桨付紴檎黄窆馄駨?fù)用，信號(hào)的處理方式也完全相同。區(qū)別在于引入了保偏光纖柔性光路，這使得它在持有自由空間偏振復(fù)用激光自混合干涉儀優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上又增添了柔性光路的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)的干涉儀構(gòu)建及測(cè)量對(duì)空間環(huán)境要求苛刻的難題。

在解決了系統(tǒng)關(guān)鍵問題以及完成關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)之后，完成了原理樣機(jī)的構(gòu)建。原理樣機(jī)實(shí)物圖見圖29。

圖29　光纖式正交偏振激光自混合干涉儀

保偏光纖長(zhǎng)度可以增加，圖29中所示的總光纖長(zhǎng)度為10～20 m之間，當(dāng)需要進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)可以增加保偏光纖長(zhǎng)度，因?yàn)橛姓黄窆夤猜费a(bǔ)償?shù)淖饔茫黾庸饫w長(zhǎng)度不會(huì)引入明顯的擾動(dòng)誤差。

固體微片激光器向保偏光纖耦合是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為保證此耦合環(huán)節(jié)穩(wěn)定，我們將其與激光器設(shè)計(jì)為一體化，系統(tǒng)光源實(shí)物如圖30所示。

圖30　光源部分實(shí)物圖以及耦合鏡實(shí)物圖

圖30(a)中將光源部分做成小型一體化并且與后續(xù)的光纖光路很好的連接在一起，減小了系統(tǒng)的尺寸，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得整個(gè)系統(tǒng)成為全光纖式的干涉儀。圖30(b)所示為空間光向光纖耦合的耦合器以及測(cè)頭處的光纖轉(zhuǎn)化為空間光的耦合鏡，其金屬殼外徑僅為2.8 mm，能夠適應(yīng)狹小空間內(nèi)的物體測(cè)量。

為測(cè)試光纖光路激光自混合干涉儀的基本性能，使參考物體保持靜止，PI位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)被測(cè)物體以每步10 nm單方向運(yùn)動(dòng)來檢驗(yàn)儀器的位移分辨力。由于參考物體靜止，參考光路測(cè)量結(jié)果的變化僅由光纖光路的擾動(dòng)引起，而測(cè)量光路的結(jié)果既包括光纖光路的擾動(dòng)，又包括被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)信息，兩者作差從測(cè)量結(jié)果中減去參考光路的影響得到儀器的消除光纖擾動(dòng)影響的最終測(cè)量結(jié)果。儀器的位移分辨力測(cè)量結(jié)果如圖31所示。

圖31　位移測(cè)量分辨力測(cè)試結(jié)果

圖31(a)和圖31(b)分別為測(cè)量通道和參考通道的位移測(cè)量結(jié)果，圖31(b)的位移變化與位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)完全無關(guān)，只表示儀器本身受環(huán)境擾動(dòng)的變化，圖31(a)中隱約可以看到周期性的運(yùn)動(dòng)，但是運(yùn)動(dòng)的具體信息難以恢復(fù)。圖31(c)表示用圖31(a)的結(jié)果減去圖31(b)的結(jié)果所得到的最終位移值，可以看出圖31(c)中位移曲線很好地還原了PI位移驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，由于位移臺(tái)每步運(yùn)動(dòng)的位移是10 nm，因此此儀器的位移分辨力應(yīng)該優(yōu)于10 nm。

目前階段，光纖光路式的激光自混合干涉儀位移分辨力低于自由空間光路形式的自混合干涉儀，這是由于原理樣機(jī)中的工程技術(shù)問題使得測(cè)量與參考光束的非共路部分偏大，而光纖對(duì)環(huán)境機(jī)械振動(dòng)、溫度變化等比較敏感，在解決了這一部分問題后，相信光纖光路式激光自混合干涉儀的各項(xiàng)性能指標(biāo)會(huì)有較大的提升。

5　結(jié)束語

邁克爾遜式激光干涉儀被稱為“計(jì)量之王”，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。但是，邁克爾遜干涉儀需要靶鏡來輔助測(cè)量，在很多應(yīng)用場(chǎng)合都無法使用。作者課題組實(shí)現(xiàn)的激光自混合干涉儀具有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，可以直接測(cè)量低反射率、高散射表面的非配合目標(biāo)，并且具有與邁克爾遜干涉儀等同的量程、測(cè)速、精度和分辨力等指標(biāo)，所使用的固體微片激光器具有體積小、壽命長(zhǎng)、功耗低、輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)，因此具有更廣闊的應(yīng)用前景。本文首先介紹了激光自混合干涉技術(shù)的研究現(xiàn)狀，介紹了所用激光光源的性能。在自混合干涉儀構(gòu)建的過程中，針對(duì)其共路補(bǔ)償、測(cè)量速度、光信號(hào)串?dāng)_及應(yīng)用場(chǎng)景等問題，課題組先后研制了頻率復(fù)用式、全程準(zhǔn)共路式、偏振復(fù)用式、偏振復(fù)用+移頻復(fù)用式激光自混合干涉儀和光纖光路激光自混合干涉儀。五種方案的兩種激光自混合干涉儀(頻率復(fù)用激光自混合干涉儀和全程準(zhǔn)共路激光自混合干涉儀)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)儀器化，是更高層面的提高和應(yīng)用推廣。其中，全程準(zhǔn)共路激光自混合干涉儀的分辨力優(yōu)于2 nm，測(cè)量速度可達(dá)±1 m/s，自動(dòng)環(huán)境誤差補(bǔ)償(不需測(cè)量溫度、氣壓、濕度，10 m的空程補(bǔ)償后漂移僅40 nm)。這兩類激光自混合干涉儀已經(jīng)被實(shí)際應(yīng)用到了光柵刻刀位置檢測(cè)、液面高度檢測(cè)、高溫環(huán)境下熱膨脹系數(shù)測(cè)量、變形鏡測(cè)量、染料濃度測(cè)量，在干涉測(cè)量領(lǐng)域起到了不可替代的作用。看其發(fā)展前景，或許可替代現(xiàn)有的激光干涉儀的大部分功能。在未來的研究中，將進(jìn)一步完善激光自混合干涉儀的設(shè)計(jì)，縮小體積，提高穩(wěn)定性，挖掘更多潛在的應(yīng)用，如遠(yuǎn)處振動(dòng)、引力波探測(cè)、特殊環(huán)境(高溫、高壓)下微小運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)等。

本文的后三種激光自混合干涉儀的原理具有更誘人的預(yù)期，如利用光纖光路激光自混合干涉儀柔性傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間內(nèi)非配合目標(biāo)的測(cè)量，或通過光纖，不搬動(dòng)干涉儀測(cè)量數(shù)十米外的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。