半导体激光器温控调频相移干涉仪

    1引言

    由于相移干涉仪(PSI)能够快速高精度地获取被测表面形状的相图，它在光学测试与计量领域得到了越来越广泛的应用。传统相移干涉仪中一般是在参考光路中 附加相移器，在不同的移相量下记录3幅或3幅以上的干涉图，通过基于三角函数的相位解算算法得出被测表面的初相图^[1]。实现相位偏移的方法很多，有压电晶体法、光电晶体法、改变波长法、偏振移相法^[2]、多普勒频移法^[3]液晶法^[4]等。 其中压电晶体法和光电晶体法在相移干涉仪中应用较多，它们都需要有专门的装置置于干涉光路中实现相移，使干涉仪结构复杂而改变波长法，不需在光路中附加相 移器，只要求有可调谐相干光源即可。它所用的光源一般是可调外腔式染料激光器及可调谐半导体激光器(Laser Diode)，前者结构复杂、成本高^[5];而后者则结构简单、价格低，所以半导体激光器相移干涉仪已有不少应用研究^[6,7]，这些应用中都是通过直接改变LD的注入电流来改变波长。但是根据LD特性，在改变LD注入电流的同时，不仅其发出波长改变，其输出光强也同时改变，这就使干涉信号失去了正弦特性，给初相位解算带来误差，于是就得设法消除或减少这种光强变化对测量结果的影响^[7,8]

    本文提出一种新方法，利用改变LD的温度来改变波长实现步进相移，并运用5幅任意步距算法解算被测相位^[9]。温度调制改变波长的同时能够保持输出光功率恒定，与前者比，有明显的优点。作者在理论分析和实验研究的基础上建立了LD一PSI系统，测试结果证实了其可靠性与实用性。

    2理论分析

    2.1改变波长法步进相移测量基本原理

     步进相移相位测量技术是在干涉信号的正弦特性基础上，通过使可控的附加相位等间距地变化，利用在多个点上探测到的强度值来解算出被测相位。干涉场的光强为

    2.2LD波长一温度调制

    在半导体激光器相移干涉仪中，一般利用改变注入电流来改变波长实现步进相移，它存在不可避免的弱点:波长被调制的同时，光强也被调制，即式(1)中的I。(x，y)被调制，使I_n(x，y)失去正弦特性。这对于任何步进相移算法都是严重的误差源。且对于一般的LD典型波长一电流调制率为0.01nm/mA，光功率一电流调制率为0.3mw/mA，可见改变电流对光强的影响很大。即使采取一定的技术手段，仍难于消除由它引起的测量误差。

    影响LD波长的因素除了注入电流外，还有LD的温度，其典型值为0.1nm/℃，且其波长一温度曲线具有很好的线性，如果使LD温度可控制地变化，而使其输出功率保持恒定，我们就能得到光强稳定而波长被调制的理想光源。这是利用温控实现步进相移的关键