电调频半导体激光绝对测量干涉仪

一、引　　　言

半导体激光器不仅体积小,寿命长,能量转换效率高,而且具有很好的频率调制特性。改变它的注入电流强度,就可以改变其光频率,而且当注入电流强度低频变化(<10kHz)时,激光频率随注入电流强度变化而线性变化[1]。本文将半导体激光器的这种线性调频特性用于长度的绝对测量,研制出绝对测量干涉仪,实现了1.5m范围内的长度绝对测量。

二、测　量　原　理

在高于半导体激光器阈值ith的直流电流上迭加一锯齿波电流。将此调制电流注入半导体激光器,则激光频率亦按锯齿波规律变化。如图1a和b所示,激光频率随着电流强度增大而线性减小[2]。

将调频激光射入一个两臂长度差不为零的迈克尔逊型干涉仪,则干涉仪光电探测器所接收到的两相干光波的相位差为:

φ(t) = (4πd/c)f(t) (1)

式中,d为干涉仪两臂长度差,c为真空中光速,f(t)为被调制的激光频率。

设半导体激光器的电流调频率为α=df/di,注入电流变化率为β=di/dt则有:

φ(t) = (4πd/c)αβt (2)

　　这样,由于激光频率随时间线性变化,则干涉仪在参考镜和测量靶镜均静止的情况下,输出一个交变光电信号iph,其变化频率为:

fph=φ(t)/(2πt) =2αβd/c (3)

　　调制电流为锯齿波,则αβ=df/dt=fmΔf,见图1c,fm为调制电流频率,Δf为激光最大调频幅度。

因此,光电信号频率为:fph= 2fmΔfd/c (4)

　　由于fm,Δf和c均为定值,而干涉仪两臂长度差d即为被测长度,因此,通过测量光电信号的频率,即可得到被测长度。这一测量原理不同于通常的连续计数激光干涉测长原理,测量靶镜不须在被测的两点间距内作连续移动,只要依次放在两个测点位置上,即可得两点间距。由于在测量范围内的每个位置上都可得到一个相对于干涉仪的恒定位置量,与测量靶镜的起始位置无关，所以把这种长度测量方法称为绝对测量

三、干涉仪结构

图2是本文所研制的电调频半导体激光绝对测量干涉仪的结构示意图。普通半导体激光器存在象散,所以经会聚透镜准直后的光束截面为椭圆形。为提高光能利用率,减小干涉仪光学元件的横向尺寸,采用一对楔形棱镜进行光束整形,如图3所示,将光束沿椭圆长轴方向压缩,可使其变为圆形。

调制电流在改变半导体激光器光频率的同时,也改变了其光强度[3],这对干涉仪的测量信号处理不利。见图2,通过提取同步光强变化信号,用除法电路可以消除光强变化的影响。干涉仪中各光学元件的反射光,如果进入半导体激光器中,会影响输出激光的频率特性,降低测量精度。因此,采用了光隔离器,并用四面体角锥棱镜作为参考镜和测量靶镜,将反射光与入射光平行分开,从而有效地阻止了干涉仪中的激光返回到激光器中。干涉仪光电信号的频率由窗口测频电路测量,经微机作数据处理后打印输出。