双纵模激光拍频干涉仪的研究

　　1　引　言

　　绝对距离干涉测量是20世纪70年代后期开始考虑的一种用多波长激光作光源的无导轨大尺寸测量技术,迄今为止仍被认为是很有希望能真正解决重型机械、航空航天、船舶、汽车、无线电工业等行业中大型工件大尺寸现场测量的技术手段之一。其发展水平主要受以下两个因素的制约:1)多波长激光装置的研制水平,原因是:稳频精度、同轴度、抗干扰能力还不能使人满意[1,2],一般需要在3 m至几十米范围内相对精度优于~5× [3];2)节点定位精度差,主要表现在很不稳定。而这两个因素对满足大尺寸现场测量的基本要求有重要的影响。

　　到20世纪80年代,国内外曾有不少这方面的研究探索,但最后都不能很好地克服上述两个基本问题,实际精度徘徊于毫米级(0·1~10 mm)[4,5]。本课题始于1986年,到1996年,得到50μm/10 m的好成绩[6]。但在后来的实验中发现其复现性和抗干扰能力仍有问题。直到最近才得到稳定、可靠的结果。

　　2　双纵模热稳频激光光源

　　2.1　工作原理及组成

　　多波长激光器通常采用两种方法稳频。对于单波长顺序出现的激光器采用增益线中心频率作为基准;对于多波长成对切换的激光器采用双波长等光强或保持一定差值为稳频基准。这两种基准都受增益线稳定性和重复性的影响[7,8],因此,频差及其对应的合成波长的稳定性及重复性都不可能很高,同时不少稳频方法的结构复杂及对环境要求苛刻也造成在工业现场环境下进行大尺寸测量的困难。这里要介绍的双纵模稳频激光光源则较成功地解决了上述问题。

　　对于一定长度的激光谐振腔,可能出现几个纵模,模间隔为f= c/2nl(式中c为光速,n为折射率,l为谐振腔长度)。模之间是相互竞争的[9],在不加控制的情况下只能一个模占主要地位,但不久又被相邻的模取代。但如果能精确地控制谐振腔长度,使腔长变化总是倾向于使在模竞争中已处

于劣势的那一个模变强,则使两个纵模同时并存是完全可行的。我们采用最直接,也是最简单的控制方法,即控制放电电流来改变激光谐振腔长度,达到稳频目的。稳频系统原理如图1所示。由激光器出射的光含有两个纵模,被偏振分光器变成电信号,经差动放大、光电耦合、预热控制和调节激光电源的输出,达到稳频目的[6]。实验表明,稳频系统在室外环境下频率稳定度仍不低于10量级。这种稳频光源已多年成功地用于其他要求很高的干涉仪[10]。

　　图2所示是在开敞空间并有气流干扰(100 W电风扇5 m处吹风)时的稳频试验结果。图中曲线(b)是激光管放电电流为保持稳频的剧烈调整,曲线(a)是此时频率的微小波动。