激光外差干涉中声光器件的非均匀声场特性

　　1　引　言

　　继1964年美国AI实验室研制出第一台激光外差干涉仪后，几十年来美国Agilent公司、Zygo公司、英国Renishaw等公司相继开发出各种激光干涉仪，使得激光干涉测量技术得到了高速发展，但这些产品虽各具特点却售价昂贵。激光外差干涉技术的实时性、高分辨率和可溯源性等优势，使得该项技术成功应用于计量领域，是工业中最具权威的长度测量仪器，尤其在纳米分辨力和大动态测量范围的精密定位和位移监测，如超精密测量与加工、微电子装备、纳米科学与技术等领域极受青睐[1-2]。然而，实际应用中干涉仪的衍射效率不高，造成本振和信号光束相位与振幅不匹配，降低了外差效率，限制了激光外差干涉的测量精度，影响了外差干涉仪的应用效果。因此，各国学者仍在从不同角度研究如何提高激光外差干涉中衍射效率的可能性。美国马歇尔空间飞行中心的L.D.Harris等人成功研制了计算机控制的外形检验系统，用X射线仪来检测调整激光干涉仪。我国高晓萍等提出利用亚微米制作的二元结构衍射光栅来提高衍射效率[3-4]。上述解决方法电路系统和光路系统都很复杂，不太适合科研和工业领域的实际需要。

　　本文作者曾提出一种改良方法，将CCD安装在合束器后，通过光斑识别调整光楔位置实现本振光和信号光准直的目的，但该方法目前仍局限于理论研究。由于换能器发出的超声在晶体内来回反射形成驻波，使晶体内声场分布混乱，降低衍射效率并影响衍射光分布，伴随大量光串扰，降低了激光外差干涉效率。因此，本文根据声光调制器(Acousto-optic　Modulator，AOM)光束衍射特性，对声场非均匀效应对光栅衬度的影响进行研究，提出AOM存在声场非均匀，即体光栅呈现类高斯分布时，通过选择晶体衍射效率最优位置及切趾入射光横截面强度分布，可提高激光外差干涉效率的思想，并选择质子交换二氧化碲波导进行了实验研究。

　　2　理论分析与计算

　　当声波在介质中传播时，介质中存在弹性应力和应变，引起介质折射率变化，因而影响光在介质中的传播特性，光和声在介质中的相互作用可看作是“超声光栅”[5]。利用激光的相干性声光互作用可以快速有效地控制激光束的频率、方向和强度。

　　声光效应衍射光频率是入射光和超声频率的叠加，当在换能器上作线性调频时，衍射光频率被线性调制。当Bragg角作用在声光晶体上时，有如下表达式[6]：

　　其中K和k分别是超声波矢和入射光波矢，Λ是介质中声波长，λ是介质中光波长。

　　根据公式(1)可知衍射角随声频改变。如图1所示，对AOM输入不同频率的电分量会造成不同方向的出射光分量。实际中声光衍射常用于各向异性晶体中[7-8]。