新型长距离无导轨激光干涉仪

　　1　概　述

　　随着科技的发展和工程技术的进步,大型复杂型机件、机床、船舶、大坝、建筑物、天线等领域越来越需要高精度的测距仪,来满足其对测量精度的要求。现有的双频激光干涉仪和激光跟踪仪从精度上来说可以满足精度要求,但双频激光干涉仪需要精密导轨配合才能进行测量,这就使它不能对复杂形状的物件和野外进行测量;激光跟踪仪在测量过程中需连续进行光学干涉计数,这样遇到复杂形体和障碍物时,测量操作就显得十分困难,而且其测量范围小于50m,不能测量大型物件。激光测距仪测量范围大,但其分辨率低,世界上最高级的激光测距仪的标准偏差约为0.1mm+2×10-6L,在测量小尺寸时,其精度不能满足工程需要。

　　目前国内所使用的高精度双频激光干涉仪、激光跟踪仪、激光测距仪基本上依靠进口,年需求量己达千台。为满足工程测量对长度精密测量仪器的要求,提升我国制造水平和自主研发能力,采用了新型外腔半导体激光研发一种新型测距仪。外腔半导体激光器(ECDL)通常是利用外部镜面或光栅的光反馈来控制半导体激光器的频谱特性,实现对半导体激光器的波长调谐和线宽压缩。外腔半导体激光器有两种典型原理的设计,即:Littrow原理[1]和Littman-Metcaf原理[2],如图1所示。

　　在Littrow方案中, F-P半导体激光器的出射光与衍射光栅形成一个固定的夹角,使某一特定波长的一级衍射光恰好返回激光谐振腔形成光反馈,零级衍射光经光栅反射后输出。因此,激光波长取决于出射光束和衍射光栅的夹角,此角也被称之为Littrow角θ。通过改变光栅的Littrow倾角即可实现对激光波长的精密调谐。

　　在Littman-Metcaf方案中,构成激光器谐振腔的两个镜面分别是镀有高反射膜的半导体晶体的端面和一块镀有高反膜的可调角度反射镜。激光从半导体激光器芯片中射出,通过准直透镜打在衍射光栅上,这束光的一部分,即+1级衍射光,被衍射投向可调角度反射镜,通过镜面沿原路返回作为反馈光,另一部分则被光栅反射,作为激光器的输出光。因为,只有特定波长的出射光的+1级衍射光才能垂直地打在反射镜上构成谐振回路。光栅在外腔激光器中的作用相当于一个通频带很窄的光滤波器,对激光波长具有很强的选择性。

　　选用的外腔半导体激光器,激光的线宽小于100 kHz,干涉相干距约为1000 m,波长可自由调节范围超过100 nm(1495~1645 nm),应用上述两项特性,通过改变波长(频率)测得任意点到仪器的距离(不需要在测量计数时移动反光镜)。所研发的这种新型无导轨激光干涉测距仪,可为大型机械设备制造和安装、建筑工程测量、船舶制造、大地基点测量、高精度测距仪校准及检定提供高精度测量设备。其主要技术指标为:分辨率3 nm,测量距离≥100 m,不确定度2.5×10-6L。达到工程测量对测长仪器的要求。