雙頻激光光源技術研究現(xiàn)狀與進展

杜含笑，李華豐

中國航空工業(yè)北京長城計量測試技術研究所

1 引言

自1960年人類發(fā)明了第一臺紅寶石激光器以來，激光技術得到了空前發(fā)展，其后，隨著氦氖(He-Ne)激光器誕生，以其良好時間相干性及空間相干性在激光干涉測量領域中被廣泛應用。

激光干涉儀的應用范圍廣泛，從大規(guī)模集成電路制造和自動化機床檢測到幾何量計量設備系統(tǒng)均有其身影，是精密測量領域中必不可少的測量工具。激光干涉儀按光源成分可以分為單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀，雙頻激光干涉儀又稱為外差式激光干涉儀，雙頻激光外差測量在信號處理系統(tǒng)中可放大交流信號，抑制低頻噪聲，抗干擾能力強，適合應用于實驗室和工業(yè)現(xiàn)場等。本文詳細介紹了應用于雙頻激光干涉儀中的激光光源技術。

2 雙頻激光干涉原理

雙頻激光干涉儀光路見圖1，雙頻激光器輸出一束包含兩個頻率分量的正交偏振光，記為f1、f2。該光束經(jīng)分光鏡取樣后，反射光經(jīng)過檢偏器P發(fā)生干涉，由光電接收器接收參考信號f1-f2[1]。偏振分光棱鏡將頻率f2的光分量反射到固定鏡，頻率為f1的光分量則通過偏振分光棱鏡透射進入到測量鏡[2]，經(jīng)測量鏡反射后獲得多普勒信號f1+Δfd，與經(jīng)固定鏡f2的反射光相遇并重合，通過檢偏器發(fā)生干涉，在接收器中獲得f1+Δfd-f2測量信號。

圖1 雙頻激光干涉儀光路

假設測量棱鏡移動速度為V，移動距離為L，則雙頻激光測量距離公式為

(1)

式中，λ為波長；Δfd為多普勒頻移。

測量位移L可以表示為

(2)

式中，N為計數(shù)值與Δfd有關。

由上述分析可得，通過激光產(chǎn)生兩個頻率分量并對其分離是雙頻激光干涉儀測量的重要過程。

3 雙頻激光干涉儀激光光源技術

雙頻激光干涉儀位移測量的關鍵是測量鏡產(chǎn)生多普勒頻移，多普勒頻移應比光源頻差Δf低，即

Δfd<Δf

(3)

由式(1)及式(3)可知

(4)

即當Δf=1MHz時，最大測量速度v應小于300mm/s，否則解調(diào)系統(tǒng)會產(chǎn)生混亂，因此，雙頻激光干涉儀的測量速度受光源頻差影響，頻差越高，最大測量速度越高。當前加工機床及坐標測量機的運行速度最高可達1m/s[3]，即Δf應大于4.5MHz。提高雙頻激光光源頻差可滿足測量速度要求，因此需主要關注雙頻激光器的光學分離方式、頻差大小、安裝調(diào)整難度和結構成本等特性。

本文將對塞曼雙頻激光器，雙折射雙頻激光器，偏振雙反射膜雙頻激光器，聲光調(diào)制雙頻激光器和雙縱模激光器進行簡要介紹。

3.1 塞曼分裂雙頻激光器

1896年，塞曼(P.Zeeman)研究發(fā)現(xiàn)，將光源放在足夠強的磁場中光譜線被分裂成幾條，新譜線數(shù)目隨電子能級的類型而變化[4]，這種現(xiàn)象稱為塞曼效應。基于塞曼效應的塞曼雙頻激光器已廣泛應用于商用激光干涉儀中，技術相對成熟。

在激光管上施加水平磁場(即磁場垂直于激光器的中心線)，稱為橫向塞曼分裂雙頻激光器(見圖2a)。其光譜線分裂成三條線偏振光，一條在原位置，另外兩條分別位于兩側，σ光垂直于磁場方向，π光平行于磁場方向(見圖2b)。

圖2 橫向塞曼分裂雙頻激光器及光譜線分裂[5]

橫向磁場結構易于實現(xiàn)，方便調(diào)節(jié)。橫向塞曼激光器的輸出頻率較小，一般小于1MHz[6]，不適合高速測量，實際使用較少。

在激光管上施加軸向磁場(即磁場與激光平行)，稱為縱向塞曼分裂雙頻激光器(見圖3a)。其光譜線分裂為兩條不同頻率的圓偏振光，一條左旋偏振光，一條右旋偏振光(見圖3b)。

圖3 縱向塞曼分裂雙頻激光器及光譜線分裂[5]

縱向塞曼激光器左右圓偏振光頻率差Δv0[2]為

(5)

式中，g為能級朗德因子，對于He-Ne激光器，g≈1.3；μ0為玻爾磁子，μ0=9.27×10-24J/T；H為磁場強度；h為普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34J·s。

激光諧振腔內(nèi)受頻率模牽引效應影響，左右圓偏振光實際輸出頻差為[2]

(6)

式中，Δvc為無源腔線寬；ΔvD為多普勒線寬，約為1500MHz；I為腔內(nèi)光強；Is為中心頻率處的飽和光強。

由式(5)可知，Δv0隨著磁場強度H增大而增大，但當Δv0=ΔvD(約1500MHz)時，兩圓偏振光的增益曲線將分離，無法同時滿足激發(fā)條件輸出雙頻激光。將Δv0=1500MHz代入式(6)中，得到Δv≈3MHz，縱向塞曼分裂雙頻激光器一般只能達到3MHz左右。

縱向塞曼雙頻激光器輸出頻差較大，結構簡單，但需要在激光管上施加軸向磁場，磁場結構不易實施，需要考慮磁場的安裝方式及均勻度等問題。典型產(chǎn)品有惠普公司的5517系列，利用縱向塞曼分裂效應，最大頻差為4MHz，頻率穩(wěn)定度2×10-8/24h，最大測量速度為1m/s[7]；ZYGO公司的7705系列雙頻激光器，最大頻差3.65MHz，頻率穩(wěn)定度2×10-8/24h，最大測量速度0.5m/s[8]。

國內(nèi)很多科研單位也對縱向塞曼雙頻激光器做過研究，例如成都工具研究所研制的塞曼雙頻激光器最大頻差為1.2MHz，頻率精度0.03×10-6，最大測量速度為0.3m/s[9]；哈工大研制的UOI500系列雙頻激光器，最大頻差為1.2MHz，頻率穩(wěn)定度1.3×10-9/24h，最大測量速度0.3m/s[9]。

3.2 偏振雙反射膜雙頻激光器

殷純永等[3]發(fā)明了偏振雙反射膜雙頻激光器(見圖4)，其基本原理是不同偏振光垂直入射到特制反射膜并產(chǎn)生不同相位變化，利用橫向塞曼效應減小模式耦合輸出雙頻激光。

圖4 偏振雙反射膜雙頻激光器結構[3]

此發(fā)明中的偏振雙反射膜是利用特殊工藝制作的多層反射膜，制作原理是在反射膜層上產(chǎn)生殘余應變。當不同偏振光垂直入射時，有兩個反射系數(shù)，分別為

(7)

re=|re|e-tφe=re′e-tφe

(8)

雙反射膜反射相位躍變相差定義為Δφ=φo-φe，偏振雙反射膜雙頻激光器的輸出頻率表示為

(9)

式中，L為腔長；n為激活介質(zhì)折射率；v為激光頻率；c為真空中光速；φ1和φ2為光在兩個腔鏡的相位躍變；m為整數(shù)。

兩個相鄰的激光縱模的頻率間隔為

(10)

由于反射時相位變化不同，即vc和ve的頻率不同，為滿足式(9)頻差大小，可表示為

(11)

由上式可得，偏振雙反射膜雙頻激光器頻差值受Δφ影響，Δvc最高可達1000MHz，因此Δφ的微小變化可得到大頻差。這種雙頻激光器結構簡單，不需要額外晶體，不損害激光器，輸出頻差高，磁場強度改變，頻差改變小，適合用于高速干涉儀。普瑞科創(chuàng)公司成功將段純永教授的成果產(chǎn)品化，研制的偏振雙反射膜雙頻激光器頻差最高可達6MHz，頻率穩(wěn)定度6.6×10-10/1000s[9]。

3.3 雙折射雙頻激光器

雙折射雙頻激光器利用雙折射晶體對不同偏振態(tài)的光有不同折射率的特點，將雙折射晶體插入到激光諧振腔內(nèi)，使激光器中兩偏振光分別有不同諧振腔長，形成雙頻激光[10]。

(1)石英雙折射雙頻激光器

典型雙折射雙頻激光器基本結構如圖5所示。其基本原理為，將石英晶體放置在激光腔中，轉(zhuǎn)動石英晶體的晶軸，改變與激光束之間夾角，得到雙頻激光。調(diào)節(jié)晶軸與激光束夾角α可以改變頻差值，角度越大，頻差越大。

圖5 雙折射雙頻激光器基本結構[11]

石英晶體調(diào)諧He-Ne雙頻激光器結構簡單，頻差大，輸出范圍達40MHz～1GHz，但是對石英晶體精度有很高要求，難以實現(xiàn)同一頻差雙頻激光器的統(tǒng)一性。

(2)應力雙折射雙頻激光器

李巖等[12]針對雙折射雙頻激光器做了很多研究，并提出多種實現(xiàn)方法，如通過旋轉(zhuǎn)石英晶體和對反射鏡施加應力等。應力雙折射激光器結構如圖6所示，可通過施加不同的力F調(diào)整頻率差的大小。

圖6 應力雙折射雙頻激光器結構[12]

對激光腔內(nèi)的光學元件施加壓力時，會產(chǎn)生應力雙折射效應，o光和e光光程差值為

(12)

式中，δ為光程差值；D為所用元件的直徑；f0為光學材料的條紋值；F為壓力值；λ為激光波長。

因此，o光和e光之間的頻差大小可表示為

(13)

式中，L為激光器的腔長；f為激光增益介質(zhì)的中心頻率。

由此(13)可看出，通過改變控制力F大小可以改變頻差，相比石英晶體，雙頻激光器更易精準控制頻差和提高雙頻激光器的統(tǒng)一性。

(3)雙折射-塞曼雙頻激光器

雙折射He-Ne激光器的輸出頻差不小于40MHz[13]，由于與偏振方向垂直的線偏振光在同一光路，當o光和e光頻差較小時，強烈的模競爭導致其中一種頻率的光競爭失敗，無法實現(xiàn)雙頻輸出。為此，張書練[14]發(fā)明了雙折射-塞曼雙頻激光器(見圖7)，在激光器施加橫向磁場，利用橫向塞曼效應削弱模競爭，實現(xiàn)0～40MHz頻差輸出，填補3～40MHz頻差輸出空白。

2001年，張書練等[14]發(fā)明的塞曼-雙折射雙頻激光器采用二維加力裝置(見圖8)，保證施力結構的穩(wěn)定性[15]。2008年，張書練等[16]發(fā)明基于打孔應力調(diào)節(jié)的雙折射雙頻激光器，如圖9所示，此發(fā)明在增透-反射鏡的外表面打孔，根據(jù)孔的位置以及打孔作用力大小等，調(diào)整激光器輸出頻率，輸出激光器0～40MHz的頻差。該發(fā)明擺脫外部加力機構，使內(nèi)應力不受外界干擾，調(diào)節(jié)更加方便。

圖7 塞曼-雙折射雙頻激光器

圖8 二維施力裝置(以圓形為例)[14]

圖9 以兩孔為例的增透-反射鏡剖面[16]

2013年，朱守深等[17]在施力方式上提出創(chuàng)新，在激光器的平面輸出鏡內(nèi)部雕刻不同圖案，使平面鏡內(nèi)部產(chǎn)生相位延遲，實現(xiàn)雙頻激光輸出。圖10為雙折射雙頻激光器激光內(nèi)雕法，激光內(nèi)雕法對激光器沒有損害，可以反復賦值，重復修正。

雙折射雙頻激光器易產(chǎn)生40MHz以上大頻差，而塞曼-雙折射雙頻激光器填補了中頻差3～40MHz的空白，為雙頻激光干涉儀提供最合適的頻差段。激光管上橫向磁場強度不影響雙折射-塞曼雙頻激光器產(chǎn)生的頻差大小，磁場結構容易實施，但施加應力和挖孔等措施會損害激光器穩(wěn)定性，因此需進一步研究其壽命等問題。

圖10 雙折射雙頻激光器激光內(nèi)雕法[17]

3.4 聲光調(diào)制雙頻激光

外差干涉測量基于聲光調(diào)制效應產(chǎn)生雙頻激光，其原理是通過改變聲波頻率從而改變光的頻率，入射光穿過聲光介質(zhì)時，聲波變化導致介質(zhì)折射率改變，從而產(chǎn)生衍射，其一級衍射光頻率發(fā)生頻移，頻移量為頻差值。

如圖11所示，聲光調(diào)制器與光纖組合構成光纖耦合聲光調(diào)制結構，頻率f0的光通過光纖入射到聲學移頻器，零階衍射輸出維持原始頻率f0原始方向，一階衍射輸出移頻后偏轉(zhuǎn)角為-θ，頻率變?yōu)閒0+Δf，將一級衍射光耦合到輸出光纖中完成聲光調(diào)制，得到雙頻激光[18]。光纖耦合聲光調(diào)制干涉光路見圖12，分離參考光與測量光，避免頻率混疊，加強穩(wěn)定性。

圖11 光纖耦合聲光調(diào)制結構

圖12 光纖耦合聲光調(diào)制干涉光路

為保證激光經(jīng)多個聲波反射后實現(xiàn)多光束相干涉，聲光調(diào)制需保證

dλ>>Λ2

(14)

式中，d為聲光介質(zhì)厚度；λ為輸入激光波長；Λ為聲波波長。

因此，基于聲光調(diào)制原理產(chǎn)生的雙頻激光頻差較高，達幾十MHz以上，但光學結構復雜，在工業(yè)現(xiàn)場應用較少。

聲光調(diào)制雙頻激光的頻率調(diào)節(jié)方便，光路調(diào)節(jié)難度低，參考光與測量光分離，非線性誤差小。由于光學結構比較復雜，目前主要應用于實驗室中。ZYGO公司研制產(chǎn)品大多通過聲光調(diào)制方法產(chǎn)生雙頻激光，頻差大于20MHz，最大測量速度達5m/s[8]。

3.5 雙縱模雙頻激光器

雙縱模He-Ne激光器尺寸小，價格便宜，無需額外磁場，可實現(xiàn)無調(diào)制輸出，應用比較廣泛[19]。雙縱模雙頻激光器通過改變諧振腔長，選擇兩個合適的縱模間距，輸出呈正交偏振態(tài)的雙頻激光。激光器輸出的縱模間隔可表示為

ΔvL=C/2nL0

(15)

式中，C為光速；n為激光器腔內(nèi)折射率；L0為激光器腔長。

選擇合適的腔長長度，使其輸出兩個縱模，可獲得較高的雙頻輸出。雙縱模激光器增益曲線及雙縱模分布見圖13。

圖13 雙縱模激光器增益曲線及雙縱模分布

雙縱模激光器原理簡單，成本低，輸出頻差達600～1000MHz，但是，過高的頻差會帶來一些問題(如影響測量精度)，在超精密、快速測量領域應用比較少。國內(nèi)外基于不同原理研制的典型雙頻激光器對比見表1。

4 典型雙頻激光器特點對比

本文詳細介紹了9種典型雙頻激光器的特點(見表2)，通過對比可以得到以下結論。

(1)商業(yè)用雙頻激光器以塞曼雙頻激光器為主，目前通過塞曼效應產(chǎn)生的最大頻差為4MHz，最大速度為1m/s。相較其他類型雙頻激光器，其產(chǎn)生頻差較小，測量速度較低，結構簡單，24h內(nèi)頻率穩(wěn)定度高。

(2)基于聲光調(diào)制的雙頻激光器產(chǎn)生頻差高，測量速度高，由于其光學結構復雜，目前大多應用于實驗室內(nèi)。

(3)塞曼-雙折射激光器可實現(xiàn)中頻差輸出，有很好的應用前景，但需額外定制激光器，目前大規(guī)模推廣仍有難度。

(4)偏振雙反射膜雙頻激光器目前已有公司投入生產(chǎn)，其最高可產(chǎn)生6MHz頻差，長時間的頻率穩(wěn)定度仍需進一步探究。

(5)雙縱模雙頻激光器可產(chǎn)生超大頻差，結構簡單，成本低，但是過高的頻差會為信號處理帶來困難。

表1 國內(nèi)外典型雙頻激光器對比

表2 典型雙頻激光器特點對比

5 結語

為了使雙頻激光更好發(fā)展，研究者仍需以降低光學分離難度、結構簡單、成本低、適合大規(guī)模推廣、大頻差等方面為目標進行研究。綜上所述，預測雙頻激光器今后發(fā)展趨勢：

(1)商業(yè)激光干涉儀仍以縱向塞曼雙頻激光器為主，因為其結構穩(wěn)定，可靠性強，不需額外定制，國內(nèi)應努力提高縱向塞曼效應最大輸出頻差，達到國外標準。

(2)實驗室中以基于聲光調(diào)制原理產(chǎn)生雙頻激光的干涉儀為主，由于其頻差調(diào)節(jié)靈活，參考光與測量光空間分離，避免了頻率混疊，使非線性誤差低。

(3)塞曼-雙折射雙頻激光器輸出頻差范圍更適用于雙頻激光干涉儀，今后應努力提高穩(wěn)定性，實現(xiàn)大規(guī)模推廣。