大范围高分辨率法-珀干涉仪

　　1　引　言

　　当今,精密机械、超精密加工、微电子工业、及微米纳米技术正飞速发展,因而也要求与之对应的微米纳米测量技术。纳米测量已经成为国内外研究的一大热点,也是计量科学发展的一个重要趋势。激光干涉法由于具有高分辨率和优异的可重复性,并且能够将米的定义直接体现在高精度测量中,因此得到了十分广泛的应用。

　　本文介绍了一种大范围法-珀干涉仪,通过换模锁定技术解决了测量范围局限于一个模间隔的限制。既保持了法-珀干涉法高分辨率的特点,又极大地拓展了系统的测量范围。

　　2　测量系统

　　2.1　测量原理

　　干涉仪系统原理图见图1。开始工作时,开关Switch由PC控制为打开状态。图中L2是工作激光器,它发出的光经偏振分光镜BS2分为两路,一束光经偏振片和准直镜后进入由M1、M2组成的折叠腔法-珀干涉仪,其中M2放置于弹性工作台EB上,由压电陶瓷PZT1驱动。光电探测器D2接收干涉仪的输出信号,经前置放大器PA2、锁定放大器,到达开关Switch。微机调节D/A2的输出电压,通过高压放大器HVA后驱动PZT2来改变激光器L2的腔长,使法-珀腔的透过功率最大,此时锁相电路Lock-in的输出为0,微机通过控制开关Switch为闭合状态使回路闭合,此后锁相电路自动调节输出控制加在PZT2上的电压,使法-珀腔的透过功率最大,从而将激光器L2的工作频率锁定于法-珀腔上。L1是633nm的碘饱和吸收稳频He-Ne激光器,它发出的光与工作激光器的另一束光进行拍频,通过雪崩光电二极管D1和前置放大器PA1,由频率计FC读出。

　　当激光器L2的出光频率被调整并锁定到干涉仪的输出光强极大值时,有

　　式中L为法-珀干涉仪腔长;λ为与之对应的真空中光波长;k是与法-珀腔结构有关的正整数(平面腔k=1;球面共焦腔和前面提到的折叠腔k=2);N为干涉级次。若移动腔镜,产生的腔长变化量

　　式中Δν=ν2-ν1为频率变化量,ΔνF1=c/(2kL1)称为对应腔长L1的法-珀腔自由光谱区;ΔN可认为是干涉变化的整数级次;Δν/(ΔνF1)可看成是干涉的小数级次。为提高F-P干涉仪的分辨率,测量中一般取Δν/(ΔνF1)≤1。

　　因此,用工作激光器跟踪法-珀腔的谐振频率,并测量干涉变化的整数级次ΔN,和它与标准激光器的拍频变化量Δν,可以得到移动镜的位移ΔL。其分辨率由λ2/(2kΔνF1)给出。

　　另外通过推导可以知道,当工作激光器的频率为法-珀腔谐振频率的整数倍时,F-P干涉仪工作于透过峰上,光电二极管D2检测到的透射光信号中的一次谐波分量可以忽略。可以通过检测透射光中二次谐波分量将工作激光器锁定在F-P腔的透过峰上。