LD注入调频扫描系统研究

　　1　引　言

　　近年来,随着精密机械制造工艺的发展,对微小机件的精密测量技术要求越来越高。微小机件表面粗糙程度的是重要的测量内容之一,因此,如何提高扫描测量精度已经成为机械检测领域的关键问题。传统的扫描测量技术,大多是通过利用机械原理实现扫描,例如转动反光镜等。即使使用振动布拉格调频光栅,也会带来其他的不利因素,如高噪声等。而机械振动和抖动等因素已经成为影响扫描精度的重要因素。基于半导体激光器(LD)的调频扫描装置,利用计算机对LD的注入电流实现自动控制,得到稳定输出频率,能够实现完全的机械操作,从而达到全静扫描的要求,消除机械振动和抖动等带来的误差。

　　2　LD的调制特性

　　LD光频调制的原理是通过各种手段,引起禁带宽度的变化,使输出光的频率发生变化。系统采用的是电流调制原理[1,2]。当LD注入电流发生改变时,根据输出光频与调制电流的关系,可分为两个区域:线性区与非线性区。当电流调制频率处于低频时,光频的改变主要是由工作区温度的变化引起的,此时输出光频的改变与电流的改变成线性变化;当电流的调制频率处于高频时,光频的改变主要是由载流子效应引起的,属于非线性变化。因此,为了保证输出光频的改变与注入电流的改变呈线性关系,特让半导体激光器工作在线性区。需要注意的是,注入电流的增加是有一定限制的,最高工作电流一般不超过阈值电流的4倍。

　　要利用LD进行调频干涉测量,首先要知道LD的线性范围、调制系数[3]等。但是任何两只不同的半导体激光器,其参数都可能不同,所以只能通过实验来获得输出光频和注入电流的关系参数。现有的测量仪器例如光栅单色仪和F-P标准具,分辨力都达不到要求,因此准确测量LD输出的动态特性,精确获得调制系数变得十分困难。但在实验中,不需要对LD的调制系数进行精确测量,而只需要测出注入电流和输出电流的线性关系,便可达到控制精确扫描的要求。这种设计有效的增加了频率调制范围。

　　3　半导体激光器的调频扫描装置原理概述

　　半导体激光器静态调频扫描装置原理图如图1所示:

　　图1为LD注入式调频扫描装置原理图,LD的注入电流经控制电路与PC相连,可以由PC输出三角波实现注入电流的线性控制。LD发出的激光经消色差物镜准直后输出平行光,并入射到特殊的编码光栅上。当入射光线和衍射光线分别位于法线的两侧,根据光栅方程[4]:

　　其中d为光栅常数,i为入射角,θ为衍射角,λ为入射光波长。可以得到,对于衍射光线的±1级光谱,由于λ的改变,衍射角θ发生改变。为了使平行光束汇聚为一条直线,编码光栅的刻线按密到疏分布设计。根据光栅方程,d越小,衍射角θ越大,因此光栅的刻线由密到疏分布,可以使衍射光在柱面镜上聚成一矩形小点。当波长发生改变的时候,聚焦线可以在同一平面内产生位移,在聚焦线方向上光栅设计为有一定的闪耀比例,可以增强光强达到最佳效果。衍射光线入射在一柱面反射镜上,编码光栅的聚焦线设计在一轴心与其垂直的柱面反射镜上,使聚焦成一条直线的光线汇聚成矩形小点,将输出光频的改变转变为光点位移的改变,从而实现光点扫描。如图2所示: