用于亚纳米测量的横向塞曼激光器的研究

尽管微米精度外差干涉仪已是成熟的商品,但要将其发展成能实现纳米甚至亚纳米精度的测量系统,仍需对激光源、干涉仪、外差信号处理系统等各个环节进行周密的设计。此外,外差干涉仪中广泛存在的非线性,其量值一般为几纳米到十几纳米,是纳米测量系统中一项极其重要的误差源。为此,本文针对纳米测量系统的光源及其相应的非线性误差进行了分析和实验。

1　纳米测量系统对激光器的要求

塞曼激光是双频激光干涉仪的常用光源,包括纵向塞曼和横向塞曼激光器两种。在微米精度外差干涉仪中,为满足测量高速运动机械的要求,广泛采用高频差纵向塞曼激光器。然而对于纳米测量系统,哪种塞曼激光器更适合呢?下面从偏振特性和频差两个方面进行分析。

1.1　对偏振特性的要求

分析纵向塞曼激光器,它输出的是一对正交圆偏振光,在进入偏振分光镜形成参考和测量光路之前,需通过一1/4波片将其变换成线偏振光,但1/4波片的位相延迟量误差和安装误差往往会导致偏振椭圆化,计算如下:

设波片位相延迟量为Δ,Δ=90°+δ;波片快轴和X轴夹角为-θ,θ=45°+γ;其中δ、γ分别为波片的位相延迟量误差和安装误差。则1/4波片的Jones作用矩阵为

　　由式(2)可知,由于波片的安装误差和位相延迟量误差,变换后线偏振光的偏振方向旋转了一定的角度,还产生了偏振椭圆化。由于波片的位相延迟量Δ还随着波片温度的改变而发生较大的变化,从而引入了光源偏振态的不稳定因素。实测表明,上述因素所引入的非线性误差或非线性漂移可达几纳米到十几纳米[1]。

再分析横向塞曼激光器,它直接输出正交线偏振光,因此可避免1/4波片所可能引入的偏振椭圆化和偏振态不稳定。文[2]的实验验证了横向塞曼激光的偏振非正交性和偏振椭圆化可小于0.5%,远优于普通纵向塞曼激光器(3%～10%)。可见,和纵向塞曼激光器相比,横向塞曼激光器的输出激光不但偏振正交性好,而且偏振特性稳定,因此更适用于纳米测量。

1.2　对频差的要求

对于纳米测量系统,由于激光频差并不是限制被测机构最大运动速度的主要因素,频差的选择主要从信号处理系统的角度进行考虑。对于本系统所采用的锁相倍频法,要实现亚纳米测量分辨率,必须对外差信号进行640倍倍频计数。若采用的是频差为2 MHz的纵向塞曼信号,则直接计数时频率高达1.2 GHz,而由于普通的模拟电路仅能处理几十MHz的信号,这就需要对外差信号进行多级电子倍频和混频,从而引入以下几个难题:①增加了信号处理电路的复杂程度。②倍频混频环节中的带通滤波器存在一定的动态相位误差,影响电路处理的精度[2]。③由于信号处理系统中带通滤波器的带宽限制,多级倍频混频环节反而限制了原始输入信号的频率变化量,使得最大测量速度下降[2]。相应地分析横向塞曼激光器,由于其频差一般为几十kHz到几百kHz,远低于纵向塞曼激光器,因此可避免外差信号处理时的多级倍频混频,从而简化电路设计,提高信号处理系统的性能。