提高激光反馈扫描显微镜轴向分辨率的实验研究

　　1　引　言

　　激光反馈效应的研究始于1963年,当把激光器输出的光束由一反射面部分地反馈回这一激光器时,激光器输出功率因反馈光的位相或光强的改变而改变。多年来,人们在利用激光反馈效应测量物体的位移或表面形状的研究方面做了大量的工作[1~5]。激光反馈扫描显微镜是利用物体反馈光的位相变化来调制激光器的输出光强,进而达到测量物体表面形状的目的。反馈光轴向分辨率的提高可以提高测量的精度。利用此效应设计的显微镜具有结构简单、低噪声、高轴向分辨率的优点。1995年,伯克利大学做的激光反馈扫描显微镜已达到轴向分辨率1 nm的精度。

　　本文用了两种与前不同的He-Ne激光反馈的实验和探测方法,可以成倍地提高反馈扫描显微镜的轴向分辨率。

　　2　常规激光反馈的实验

　　常规的激光反馈的实验装置如图1所示。使用半内腔的He-Ne激光器,平面镜M2和曲率半径为1 m的凹面镜M1组成激光器的谐振腔,它们的反射率分别为0·986和0·999。激光器增益管T中充有的混合气体用来抑制输出功率曲线中的兰姆凹陷。反射镜M3为外加的反射镜,它的反射率为0·5,用于把激光器的输出光反馈进入谐振腔内。P为驱动M3的压电陶瓷(PZT),D为光电探测器,分别用来测量输出光强,C为信号处理电路。

　　整个探测过程由计算机通过运行软件程序进行控制,它使驱动腔外反射镜的移动与对激光强度的探测同步进行。推动腔外反射镜的压电陶瓷的电压每变化40 V,激光腔镜移动约半个波长。计算机控制它每次测量时从0 V加到180 V。因此,每次运行程序约测量了四个半周期。压电陶瓷的非线性度约为10%。

　　D所探测的尾光激光强度用数值量表示,其激光功率与数值量的对应关系约0·01 mW对应400units。这个比例关系可以通过探测器(光电池)的后续放大电路进行调节。

　　实验中,在无腔外反射镜时激光调为单模状态。在尾端输出功率分别为0·01 mW和0·02 mW左右时进行探测,所得输出功率曲线如图2中的(a),(b)所示。

　　3　新的激光反馈实验

　　3·1　垂直偏振光分开探测

　　实验装置如图3所示。F-P是法布里-珀罗扫描干涉仪。S为渥拉斯顿棱镜,用来把垂直偏振光(q光和q+1光)分开。D1和D2为光电探测器,分别用来测量q光和q+1光的光强。探测曲线如图4所示。

　　3.2　频率分裂激光的反馈实验

　　实验装置与图3稍有不同。在激光增益管T与激光腔镜M1之间放一石英晶体片Q。它可以使He-Ne激光分裂成o光和e光。这时的渥拉斯顿棱镜用于把o光和e光分开。在等光强点探测到o光和e光的反馈曲线如图5所示。