相移干涉仪中步进相移新方法:LD波长-温度调制

　　在相移干涉仪中实现相位偏移的方法很多^[1～3] ,其中压电晶体法和光电晶体法在传统相移干涉仪中应用较多^1～3] ,它们都需要有专门的器件置于干涉光路中实现相移。而改变波长法,不需要对干涉光路进行改造,只要求有可调谐相干光源即可。它所用的光源一般是可调外腔式染料激光器及可调谐半导体激光器,前者结构复杂、成本高;而后者结构简单、价格低,可通过直接改变LD的注入电流来改变波长。所以半导体激光器相移干涉仪已有不少应用研究^[4,5] 。但是在改变LD注入电流时,其输出光强也同时改变。这对于相移干涉仪显然是不利的,于是就得设法消除减少这种光强变化对测量结果的影响^{[6 ]} 。本文提出一种新方法,利用改变LD温度来改变波长实现步进相移,并运用五幅任意步距算法解算被测相位^[6] 。温度调制改变波长的同时能够保持输出光功率恒定。

　　理论分析

　　1.变波长步进相移测量的原理

　　步进相移相位测量技术是在干涉信号的正弦特性基础上,通过使可控的附加相位等间距地变化,利用在多个点上探测到的强度值来解算出被测相位。干涉场的光强可以表示为:

　　其中,是第n次相移的干涉图中(x,y)点的光强;是平均光强;是条纹调制度;ΔΦ(x,y)是被测相位,即干涉图中被测点处的两波面的相位差;δn(x,y)是可控的附加相位调制项。当改变波长实现步进相移时,

　　δ(x,y) =- 2πL(x,y)Δλ/λ ² (2)

　　这里,λ是干涉光束波长;Δλ是波长的变化;L(x,y)是两干涉光束的光程差。通过改变波长使δn(x,y)以π/2步进变化,就可以利用三幅、四幅和五幅算法计算出被测相位。当利用五幅任意步距步进相移算法时,δ _n(x,y)只要等间距步进即可,不要求其为确定值。相位求解表达式为:

　　2. LD波长—温度调制

　　在半导体激光器相移干涉仪中,利用改变注入电流来改变波长的同时,光强也被调制,使In(x,y)失去正弦特性。这对于任何步进相移算法都是严重的误差源。而对于一般的LD,典型的波长—电流调制率为0.01nm/mA,而光功率—电流调制率为0.3mW/mA,可见改变电流对光强的影响很大。

　　影响LD波长的因素除了注入电流外,还有LD的温度,其典型值为0.1nm/℃,且其波长—温度曲线具有很好的线性。如果使LD温度可控制地变化,而其输出功率保持恒定,我们就能得到光强稳定而波长被调制的理想光源。

　　还有重要的一点是:LD波长改变过程中不能出现模跳,这要依赖于LD的特性,一般能达到0.3nm的无模跳变化范围。假设λ=780nm,步进四次,得到五幅强度记录,则每次步进,波长改变0.3nm/4=0.075nm,相应温度要改变0.75℃;如果令相移步距δ=π/2,那么根据公式(2)可计算出光程差L(x,y)=2.028mm,也就是说:当两干涉光束的光程差等于2.028mm时,通过温度调制波长能够成功地实现步距为π/2的步进相移。而这对于半导体激光干涉仪来说不成问题,因为半导体激光的相干长度理论上能达到10m以上。适当加大两干涉光束的光程差,能够减小波长的改变,减小温度的变化,从而更大程度地减少可能出现的模跳。为了保持光功率恒定,在LD的驱动电路中加入自动功率控制单元(APC),由LD内置的探测器将光强变化反馈至控制电路,通过调节LD注入电流保持LD输出光功率恒定。APC的加入使波长—温度调制率略有减小。