激光器纳米测尺原理

　　1　序言

　　长度(尺度)是最基本的物理量。长度、位移测量是一项永恒的研究课题。有很多种位移传感器,如激光干涉仪、电容位移传感器、电涡流位移传感器、电感位移传感器,都有其优点和不足,在一定的应用领域,发挥着各自的作用。激光干涉仪利用干涉现象,以波长做尺子,精度高。缺点是系统复杂,属于大型贵重仪器。而光纤位移传感器、电容位移传感器、电涡流位移传感器、电感位移传感器等具有较小体积,价格便宜。各种小型位移传感器的缺点是都有原理上的非线性,线性测量范围较小并需要校准。发明一种新原理的小型位移传感器,具有纳米量级分辨率,超过十几毫米量程,没有原理上的非线性且有自标定功能(即不必由更高精度仪器或基准仪器标定示值和校准)的位移传感器技术是重要研究方向。

　　在位移传感器领域(以及其他领域),基本上是利用激光的外特性,或者说是利用激光束的3个重要性质:高亮度、高相干性、高定向性[1]。这样应用仅把激光器看成是一个光源,应用过程中并不引起激光器内部的光束性质(强度,偏振)改变。两频(三镜陀螺)和四频环形激光(四镜陀螺)是个例外[2],它利用了激光内的Sagnac效应,法拉第(Faraday)磁光效应,旋光效应。但在驻波(两镜,管状或片状)激光器中,这些在环形激光中起作用的效应不能引起激光内部光物理变化。但是,人们早就注意到,驻波(两镜,管状或片状)激光器谐振腔长L的改变dL和激光频率ν的改变dν之间满足以下关系[1]:

　　最直观的印象是式(1)揭示了激光腔长的微小改变转换成巨大的激光频率改变的功能。式(1)中,对于HeNe激光的0.632 8μm波长,如L=0.15m,激光腔长改变dL=1μm,频率改变3.16×Hz。这种激光腔长的改变可由沿腔轴移动反射镜实现(见图1),但要通过仪器测到dν并不容易。

　　至今还没有一种探测器能直接探测的光频率,如要探测频率差dν只能用拍频法。拍频法是国家计量标准部门正在进行的研究,研究成一二件就够用。但是,除了系统复杂、造价昂贵、应用环境苛刻外,拍频法测量的范围很小。

　　一些科学家做过将一个激光器直接演变成位移传感器的尝试[3, 4]。因为原理上的缺陷,都没有获得突破性进展而停止。他们意图从测量激光频率的移动得出激光反射镜的位移。文献[3]提出的一种方案示于图2中。此方案把一个激光谐振腔分成2个谐振腔,不妨称它为分杈腔。由于不可避免的模之间在HeNe放电管激光介质内的竞争,分杈腔只能测量大约0.1μm左右的位移。文献[4]制作了一个装置(图3),激光器的一个反射镜作测量镜,在压电陶瓷的推动下工作,位移范围只有2.1μm左右,而这个范围内也只能测量70个碘吸收峰的频率间隔。上述困难阻碍了把一个激光器直接变成位移传感器的尝试。