半导体激光微小振动实时反馈式干涉测量仪

　　1　引　言

　　近年来,随着微机械技术和精细加工工艺的飞速发展及大量应用,有关物体的微小位移与微小振动精确测量的研究工作引起人们广泛的重视[1~3]。光学干涉测量方法作为一种重要的非接触式无损探测方法,具有结构简单、精度高、易于实现等优点,得到了广泛应用[4~7]。在光学干涉测量仪中经常使用半导体激光器(LD)作为光源,这是因为LD具有相干性和稳定性好、体积小、价格低及耗电少等优点,特别是它的波长可调谐性,大大简化了干涉仪的构造。

　　我们已经提出了一种半导体激光微小振动实时干涉测量仪[8]。该干涉测量仪采用正弦相位调制(SPM)方法,通过对LD直接注入正弦变化的交流电流信号,实现干涉信号的正弦相位调制,经过信号处理系统处理后,获得物体的振动测量曲线。然而它存在着测量误差较大、易受外界干扰影响等缺点。为了克服这些缺点,我们提出一种半导体激光微小振动实时反馈式干涉测量系统。在该系统中,信号处理系统对干涉信号进行处理后得到探测信号,再将探测信号通过反馈控制系统反馈回LD。根据理论推导,可以得出探测信号与物体实际振动曲线之间的线性关系,因此由信号处理系统输出的探测信号,就可以实时检测物体的微小振动。由于大气扰动和外界环境的振动都会引起干涉信号中的相位发生变化,进而导致测量结果产生误差。引入反馈系统,将由外界扰动引起的干涉信号相位变化反馈为LD的输入电流,使LD的输出波长产生微小漂移,有效降低了外界干扰所造成的影响。

　　2　原　理

　　图1为半导体激光微小振动实时反馈式干涉测量仪。其中光路部分由一个Twyman-Green干涉仪构成。LD作为光源,由半导体激光调制器(LM)驱动LD。LD出射的光经透镜L准直后,被分束器BS分为相互垂直的两束平行光,其中一束照射到参考镜M上作为参考光束,另一束照射到被测物体object上作为物光,由参考镜M和物体object反射回来的两束平行光束再经过BS后相互干涉,两束光的光程差(OPD)为2D0,干涉信号通过光阑PH后由光电二极管(PD)检测,输入到信号处理系统中。由信号处理系统输出的探测信号P(t)经反馈控制器后,与信号发生器OSC输出的交流调制信号及直流偏置信号一起输入到LM中,控制LD的输出。

　　信号发生器输出的交流调制信号为:Vm(t) =Acosωct,经过LM后,得到正弦交流调制电流:Im(t) =acosωct,其中a=KLMA,KLM为LM的转换系数。直流偏置信号经LM后得到直流偏置电流I0。

　　未加反馈时,LD通过调制电流Im(t)和直流电流I0驱动,它的波长变化量为βIm(t),β为LD的波长调制系数。由PD检测到的干涉信号S(t)为