（光学工程专业论文）激光自混合干涉位相调制技术的研究.pdf

摘要 激光自混合干涉技术( s m i ) 是一种新型的计量技术，从8 0 年代开始应用于 干涉测量。激光自混合干涉是指激光器的输出光被外部物体反射或散射后，其中 一部分光被反馈回激光器的谐振腔，反馈光携带了外部物体的信息，与腔内光混 合后，调制输出功率变化。激光的自混合干涉来源于激光器的外部光反馈效应， 以前人们总是设法消除光反馈的影响，后来逐渐的由消除光反馈的不利影响到主 动利用光反馈效应检测物理量，从而形成了- - 1 1 新的技术。与传统干涉相比，自 混合干涉的光学系统仅有一个干涉通道，结构简单、紧凑，且易准直，因此自混 合干涉技术受到越来越多国内外学者的关注，被广泛用于位移、速度、振动测量 等领域。 为了提高测量精度，一些调制解调的方法被引入自混合干涉信号的分析中， 现在主要有注入电流调制法和外腔调制法。但由于这两种调制方法本身的缺点， 调相的精度难以保证，制约了其应用的范围。把激光自混合干涉理论和位相调制 测量技术结合，将电光晶体( l i n b 0 3 ) 引入自混合干涉外腔调制，利用晶体的 调制性能，能对自混合干涉信号进行有效的位相调制。因此，基于该机理制成的 干涉仪具有结构非常简单、紧凑突出特点，在仪器小型化、集成化方面极具潜力。 本文介绍了电光晶体的光学和电光性质，利用软件分别对电光晶体、电极和 晶体的电光效应进行了模拟，并从自混合干涉和电光晶体调制位相的基本原理出 发，将电光晶体引入自混合干涉外腔调制，研究了自混合干涉测量中电光晶体的 位相调制技术。实验证明，利用晶体的调制性能，对自混合干涉信号进行位相调 制，在很宽的频率范围( 2 0 h z 1 0 0 k h z ) 内都能保证很高的调制精度，测量误 差小。在此基础上，本文提出了微型位相调制自混合干涉仪的构想，将光学和微 机械加工工艺相结合，对微型干涉仪的光路部分，系统布置和微调器件进行了分 析，设计了微型位相调制自混合干涉仪系统，使其微型化、集成化、实用化，以 适应纳米测量的新要求。 关键词；激光自混合技术：位相调制；电光晶体；微型干涉仪 a b s t r a c t t h ep r i n c i p l eo fs e l f m i x i n gi n t e r f e r e n c e ( s m i ) i san e wm e a s u r i n gt e c h n i q u e w h i c hi sa p p l i e di ni n t e r f e r o m e t r ys i n c e19 8 0 s n el i g h te m i t t e df r o mt h el a s e ri s r e f l e c t e do rs c a t t e r e df r o mt h ee x t e r n a lt a r g e t ，ap o r t i o no ft h el a s e ro u t p u tw h i c h c o n t a i n st h ei n f o r m a t i o no ft h et a r g e tb a c ki n t ot h el a s e rc a v i t ya n dm i xw i t ht h e o r i g i n a ll i g h ti nt h el a s e rc a v i t yf o r m i n gt h es e l f - m i x i n ge f f e c t ，a n dm o d u l a t et h e c h a n g eo fo u t p u tp o w e r t h es e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c ec o m e sf r o mt h eo p t i c a l f e e d b a c ke f f e c t p e o p l e a l w a y st r i e d t oe l i m i n a t et h e o p t i c a lf e e d b a c ke f f e c t p r e v i o u s l y g r a d u a l l yp e o p l eb e g a nt om a k eu s eo fi ta c t i v e l y t om e a s a r es o m e p h y s i c a lq u a n t i t i e s t h u ss e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c et e c h n o l o g yw a sb r o u g h tf o n l l c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a li n t e r f e r e n c e s ，s m ii n c l u d e sas i m p l e ，s i n g l e a x i so p t i c a l a r r a n g e m e n tt h a tr e q u i r e sm i n i m a lo p t i c a lc o m p o n e n t s s oi th a sr e c e i v e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n ，a n dh a sb e e nw i d e l yu s e df o rd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n dv i b r a n c y m e a s u r e m e n ta n dr a n g i n g i no r d e rt oi m p r o v ea c c u r a c yo ft h es e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e ，s o m em e a s u r e m e n t m e t h o d sa r ei n t r o d u c e di n t ot h es m is y s t e m t w om e t h o d sh a v em a i n l yb e e nu s e d n o w ：i n j e c t i o nc u r r e n tm o d u l a t i o na n de x t e r n a lc a v i t ym o d u l a t i o n b e c a u s eo ft h e d i s a d v a n t a g e so ft h et w om e t h o d s ，m e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a nn o tm e e tt h en e e do f a p p l i c a t i o n ，c o m b i n e dt h eb a s i ct h e o r i e so fs e l f - m i x i n gi n t e r f e r o m e t r yw i t hp h a s e m o d u l a t i o n a n di n t r o d u c e dt h ee l e c t r o - o p t i cc r y s t a l ( e o c ) i n t os m i 耐t he x t e r n a l l a s e rc a v i t ym o d u l a t i o n ，w ec a nr e a l i z ee f f e c t i v ep h a s em o d u l a t i o nf o ras e l f - m i x i n g i n t e r f e r o m e n c es i g n a l s ot h es e l f - m i x i n gi n t e r f e r o m e t e rb a s e do nt h e s et h e o r i e si s s i m p l e ，c o m p a c t a n d e s p e c i a l l yp o t e n t i a li ni n s t r u m e n tm i n i a t u r i z a t i o na n d i n t e g r a t i o n i nt h ea r t i c l e ，w ei n t r o d u c eo p t i c a la n de l e c t r o o p t i c a lp r o p e r t i e so ft h ee o c ，a n d s i m u l a t et h e e o c ，e l e c t r o d ea n de l e c t r o o p t i c e f f e c t f r o mt h e p r i n c i p l e s o f s e l f - m i x i n gi n t e r f e r o m e t r ya n dp h a s em o d u l a t i o nu s i n ge l e c t r o o p t i cc r y s t a l s ，t h e a r t i c l ep u ta ne l e c t r o o p t i cm o d u l a t o ri nt h ee x t e r n a lc a v i t ya n da n a l y z e ss i n u s o i d a l p h a s em o d u l a t i o nu s i n ge l e c t r o o p t i cc r y s t a li ns e l f _ m i x i n gi n t e r f e r e n c e i ti sp r o v e d n t h a ti m p l e m e n t i n gp h a s em o d u l a t i o nt ol a s e rb e a m su s i n ge l e c t r o o p t i cc r y s t a l sc a r l _ o b t a i ng o o dm e a s u r e m e n ta c c u r a c yo v e raw i d ef r e q u e n c yr a g e ( 2 0 h z 1 0 0 k h z ) c o m b i n e do p t i c sw i t hm i c r om i c r o - m e c h a n i c a lp r o c e s s i n gt e c h n i c ，w ea n a l y z et h e b e a m p a t h ，s y s t e ma r r a n g e m e n ta n df i n ea d j u s t m e n to f t h es e l f - m i x i n gi n t e r f e r o m e t e r ， a n df o r mm i c r o i n t e r f e r o m e t e rb a s e d o n p h a s em o d u l a t i o ni ns e l f - m i x i n g i n t e r f e r o m e t r y t h i sm o d e li st h em i c r o m a t i o n ，i n t e g r a t i o na n da p p l i c a b i l i t yo ft h e p h a s em o d u l a t i o ni ns e l f - m i x i n gi n t e r f e r o m e t r y , a n ds h o w sg o o d a d a p t a b i l i t y i n r e s o l u t i o no f af e wn a n o m e t e r s k e yw o r d ：s e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e ；p h a s e m o d u l a t i o n ；e l e c t r o o p t i cc r y s t a l ； m i c r o - i n t e r f e r o m e t e r 1 i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了 谢意。 作者签名：邀邀堡 日期 查? ! 出z 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 煎燮肇 壁2 ：! z 第一章绪论 1 1 激光自混合干涉技术的研究意义 激光自混合干涉技术是一种新型的计量技术从8 0 年代开始应用于干涉测 量。激光自混合干涉是指激光器的输出光被外部物体反射或散射后，其中部分 光被反馈回激光器的谐振腔，反馈光携带了外部物体的信息，与腔内光混合后， 调制输出功率变化。因输出信号的特点与传统的双光束干涉有相近之处，故称为 自混合干涉( s e l f - m i x i n g i n t e r f e r e n c e ) 。激光自混合干涉问题源于激光器外部光 反馈效应。开始人们总是设法消除光反馈的影响，如光噪声、谱线展宽和相干猝 灭等现象1 1 - 2 1 。随着研究的深入，逐渐地由消除光反馈的不利影响到主动利用光 反馈效应进行物理量的检测，从而形成激光自混合干涉技术。 1 9 6 3 年，k i n g 等在实验中发现一个外部反射镜引起激光强度波动【3 】，类似 于传统的双光束干涉，即一个条纹的移动对应于半个波长的位移，强度波动深度 与传统的双光束干涉系统相当。这两个现象奠定了自混合干涉的基础。 1 9 8 0 年l a n g 和k o b a y a s h i 的研究成果利用复合腔模型，考虑到反馈的影响， 修正了激光速率方程，将半导体激光器的动态特性研究提升到一个新的阶段f 4 1 。 这个模型清楚的表明半导体激光器的动态特性依赖于外腔的长度、反馈强度、注 入电流和激光器的线宽增益系数。研究表明反馈能够导致激光器呈现双稳态。他 们的研究成果以后被绝大多数从事半导体激光器自混合研究的学者借鉴引用。 1 9 8 8 年j e n t i n k 等利用半导体激光器进行速度测量时，假定激光腔内的光和 反馈光是相干的，用经典的干涉理论解释了强度波动，对于早期在弱光反馈水平 条件下观察的自混合干涉现象进行了解释1 5 1 。 1 9 9 3 年，w m w a n g l 6 j 等的研究指出，通过实验观察发现，可以得到三点重 要结论：自混合干涉不依赖于激光的相干长度；测量时产生自混合干涉远大于本 身对应的相干长度：干涉不依赖于使用单模或多模的激光器：干涉不依赖于使用 多模或单模的光纤。 与传统干涉相比，自混合干涉具有几个特点：干涉不依赖于激光的相干长度： 干涉不依赖于使用激光器的单模或多模：干涉不依赖于使用光纤的多模或单模： 干涉的相位灵敏度与传统干涉相同；干涉的调制深度与常规干涉相近，移动的方 向可以从干涉信号中获得，自混合干涉的光学系统仅有一个干涉通道，结构简单、 紧凑，且易准直，能够解决激光干涉系统尺寸庞大、光路复杂、不易准直等问题， 在部分应用领域优于传统干涉。因此自混合干涉技术受到越来越多国内外学者的 关注，被广泛用于位移、速度、振动测量等领域7 埘。 1 2 激光自混合干涉位相调制技术的发展需求 在自混合干涉信号中，相位和振幅的变化与外腔的光程及外反射表面有关， 这个性质被用于各种传感应用，如测量微小位移、速度和面形f 9 。”。自混合干涉 信号常用条纹峰值计数法分析，但是位移测量精度仅在z 2 。为了提高测量精度， 一些调制解调方法被引入自混合干涉信号的分析中。最常用的调制方法有激光器 的电流调制和位相调制等 1 2 - 1 3 】。 电流调制是通过改变注入电流来调制半导体激光器的输出频率。k a t o 等人 利用伪外差法，计算相移和周期比，测出了位移【1 4 l 。此后s u z u k i 等人又通过锁 相技术对位相变化进行了测量，得到了纯位移和绝对距离f ”】。但电流调制因其 固有的缺点，如温漂大、边模抑制比低、波长连续调制范围小等，制约了其应用 的范围。而且使用电流注入调制光频时，会导致输出光强较大的波动，产生较大 的测量误差。 位相调制主要有两种，一种是通过改变腔长改变了光程差，如p z t 调制； 另一种是折射率的变化改变光程差起到调制的作用，如电光晶体调制。p z t 调制 在是一种很有效的外腔调制方法，调制精度优于电流调制。o v r y n 和a n d r e w s 把 相移技术引入自混合干涉测量，得到了更高的信噪比，使测量精度达到纳米量级 1 6 1 0 近几年，m i n gw a n g 等人又通过f f t 方法对外腔调制进行解调，在微位移 测量中取得了新的进展【l ”。但p z t 调制在外腔中进行，它靠机械运动调相，有 迟滞特性的影响，尤其在调制频率较高时，调相的精度难以保证。 而电光晶体调制信噪比好，插入损耗小，可调制的频率范围大，调相精度高， 且没有迟滞现象，可以避免上述调制方法的缺点。近年来，许多学者利用电光晶 体进行了腔内位相调制方面的研究。王立刚等人利用在腔内放置电光晶体进行调 制的方法，实现对腔内模式的时空位相调制，从而控制不同模式的损耗，来改变 输出光束的性能。且证明位相调制法是对光腔内原来存在的所有模式进行调制。 除了调制器的插入损耗外，不影响输出功率【1 7 - 1 8 】。 2 但电光晶体腔外调制方面( 特别是自混合干涉腔外调制解调) 的理论和应用 研究还不多，还需要迸一步的发展。 自1 9 6 5 年b a l l m a n 等报道利用c z o c h r a l s h i 技术成功生长了铌酸锂( l i n b 0 3 ) 单晶以来，铌酸锂晶体被广泛的研究和应用。由于铌酸锂晶体具有以下特点：优 良的电光、双折射、非线性光学、声光、光弹、光折变、压电、热释电、铁电与 光生伏打效应等物理效应：机械性能稳定、耐高温、抗腐蚀；易于生长大尺寸晶 体、易加工、成本低；实施不同参杂后能呈现出不同的特殊性能，在声表面波滤 波器、光波导、电光调制器、限制器、倍频转换、全息存储等方面有着广泛的应 用，是一种不可多得的人工晶体，成为各项研究的模型晶体【1 9 1 。特别是其优良 的电光效应。为高精度的测量和调制提供了很好的基础。 把激光自混合干涉理论和位相调制测量技术结合，将电光晶体( l i n b 0 3 ) 引 入自混合干涉外腔调制，利用晶体的调制性能对自混合干涉信号进行位相调制， 在很宽的频率范围内都能保证很高的调制精度，测量误差小，能有效进行微位移 测量和粗糙表面轮廓的测量，这在微小尺寸测量，微机械和m e m s 加工等领域 具有很好的应用前景。 1 3 微型位相调制自混合干涉仪的研究意义 基于上述机理制成的干涉仪突出特点就是结构非常简单、紧凑，在仪器小型 化、集成化方面极具潜力。因此，有必要设计、研究微型位相调制自混合干涉仪， 充分发挥这一解调方法在微系统纳米测量领域的优势，提高微测量精度。结合光 学和微机械加工工艺集成微型位相调制自混合干涉仪，把激光自混合位相调制这 一调制机理微型化、集成化、实用化，也成为一个重要的发展方向，以满足微电 子、生物医学和微机电系统( m e m s ) 等前沿研究领域的需求，成为微系统的微 纳米测量的热点。 1 4 课题来源及本文主要研究内容 本课题由国家自然科学基金( n o 5 0 3 7 5 0 7 4 ) 资助 本文的研究内容包括以下几个方面： 1 、电光晶体位相调制的理论分析 讨论电光晶体的位相调制的原理，利用r s o f t 光学软件模拟电极和晶体的电 光效应及特性。给出了纯位相调制的方法，将位相调制和振幅调制区分开来，实 现对激光信号进行单一位相调制，为迸一步实验打下了良好的基础。 2 、自混合干涉信号位相调制的方法 将激光自混合干涉与位相调制技术相结合，将电光晶体引入自混合干涉外腔 位相调制，利用晶体的调制性能，在不同调制电压，不同调制频率，高频调制以 及不同调制波形的情况下，对干涉信号进行了比较和讨论，详细研究自混合干涉 测量中电光晶体的位相调制情况。 3 、微型位相调制自混合干涉仪的设计 把激光自混合于涉位相调制理论和光学加工工艺相结合，提出微型位相调制 自混合干涉仪的构想，通过光学系统和器件集成两方面的分析和研究，设计微型 位相调制自混合干涉仪，以适应微器件和m e m s 的微纳米测量要求。 首先对光路进行分析，通过对光路中光束的传输与损耗，偏振态和光路的方向的 调整，使光能沿预定的路径传播，并保证光束强度能产生明显的自混合干涉。其 次，利用光学和微机械加工工艺对微型位相调制自混合干涉仪中的重要器件，特 别是电光调制器进行集成封装，通过光路校准和微调完成基础器件测试，形成微 型干涉仪模型。 4 第二章电光晶体位相调制的理论研究 2 1 电光晶体的位相调制 一束自然光通过空气射向各向同性的介质的表面时，它将按折射定律沿某一 个方向折射。但如果光射到各项异性介质( 如方解石和石英晶体等) 中时，则由 于介质中各部分折射率的不同将产生两条折射光线，这种现象叫双折射，也叫自 然双折射。 人为地改变介质的折射率也能产生的双折射，其中最重要的一个现象是电光 效应 2 0 1 。电光效应是由外加电场引起介质折射率的变化而产生的双折射现象， 它是电光调制的基础。电光效应分为克尔效应和普克尔斯效应两种。介质折射率 的改变与电场强度的平方成正比，即a n = 打。ce 2 ，称为克尔效应，也n - 次电 光效应。介质折射率的改变与电场强度成正比，即a n = 月* e ，称为普克尔斯效 应，也叫线性电光效应。 普克尔斯效应，一般有两种：一种是外加电场平行于光传播方向，称为纵向 普克尔斯效应：另一种是外加电场垂直于光传播方向，称为横向普克尔斯效应。 线性电光效应发生时，沿某一光轴的折射率变化与外加电场成比例变化，从而引 起的光程变化和外加电压成正比。这里，我们主要介绍横向普克尔斯效应。 p 哥 图2 1 基本电光调制原理图 耵 基本电光调制实验采用的是l i n b 0 3 晶体横向调制口卜2 2 ，原理图如图2 1 所 示，偏振片p 和检偏器a 正交。入射光沿晶体光轴，在x 方向上加电场，加压 后x 轴和y 轴绕光轴旋转4 5 。，形成新的主轴，产生折射率差如，它正比于 外加电场强度e ， 。 a n = n 3 0 r e ( 2 1 ) 兵中r 为电光系数，为晶体对寻常光的折射率。激光经偏振片p 后光束分 成两个线偏光，e 光和0 光在晶体中得到调制，若入射波长为五，电光晶体长度 为，加在晶体两端的电极宽度为d ，那么，加载电压u 后得到的位相差占为： 万( = 等捌= 等瑶膪= 了2 7 t 3 ，( 吉) u ( 2 _ 2 ) d 电光调制器的一个重要性能参数是半波电压u ，它是产生1 8 0 。相移所需要的电 压，代入上述等式得到【2 1 】 啦叱= 专孚 c 2 由( 2 ) 和( 3 ) 得 占( u ) = 石芒+ 磊 ( 2 4 ) 通过检偏器a 后，根据偏振光干涉原理，出射光的光强为： l 却砰陋) s i n 2 ( 掣 他s ， 其中口= 见一以为p 与x 两光轴间的夹角。当口= + 4 5 。时，电压对输出光强 的调制作用最大，则 l = 倒f 掣 旺6 ， 二 将( 4 ) 代入得 l = i ，s i n 2 z 瓦u 泣， 于是可以得到输出光强和相差( 外加电压) 的关系曲线，如图2 2 所示： ，_ 、 i ! 、 ；k 、 - 葺2o 垅t 翻 图2 2 光强与相差( 外加电压) 的关系 5 u 6 电光调制实验中，输出光强和相差的关系并不独立，也同时包含了振幅的变 化情况。但进行干涉的过程，主要看相干光由于位相差而形成的干涉情况。因此， 由此将位相调制和振幅调制区分开来，对激光信号进行了单一位相调制。为了区 分位相调制和振幅调制，实验采用的电光晶体采用光轴加压的方式，使光轴方向 和电场方向一致，但同时仍依据横向电光调制原理。如图2 3 所示。 瑟冠僵号 图2 3 位相调制原理图 l i n b 0 3 晶体的电光系数大，插入损耗小，可调制的频率范围大，因此作为 位相调制器中的晶体使用。当晶体光轴加压时半波电压圪为 _ 2 希 其中是晶体无干扰时的折射率，r 3 ，是电光矩阵中的系数。 对于横向位相调制器，经位相调制的光束和其他经位相调制的载波信号的性 质是相同的，而且位相调制与频率调制密不可分。一个周期信号的瞬时频率可以 用整个信号位相的时间导数来描述。设一个经过位相调制的信号为 z 矽o ) ；型d t = 国+ 掣 ( 2 9 ) 其中厂o ) 是瞬时频率，以) 是整个信号的位相，。是光束频率。若给定一个位相 调制 矿( f ) = r o s i nn f ( 2 1 0 ) 聊是位相调制指数。那么，正弦位相调制将在固定频率q 处产生一个频率调制， 且调制后信号的位相和原信号的位相相差9 0 。，峰峰值变为为2 m q 。位相调制后， 电场的振幅可以用一组傅里叶成分来描述，其中能量只存在于离散的光频率 q 中，其中绝大部分位于光频率6 0 处，- - d , 部分存在于 q 的两个第一阶 旁频中。 e 。e o p 【。+ ”5 “n 】 ；e 。 杰以( m ) e t k f l t - 4 - 芝( 一1 ) k 以( 肌) 已，卜泣 ik = 0七= 1i 后是一个整数，m 是位相调制参数( 调制深度) 。以) 是j i 阶基本b e s s e l 函数。 当调制参数较小时，m l ，只有k = o 和k = l 是有意义的，展开可化简得 e 。e o 1 + i m s i n q t e 纠( 2 1 2 ) 在实验中，激光器发出的线偏光振动方向、电光晶体的主轴方向和偏振片的 透射方向必须调整为一致，这样，当晶体上加电压时，晶体就能产生纯位相调制， 去除了振幅调制的影响。 2 2 电光晶体及其位相调制的模拟与分析 整个干涉系统中最关键是部件是电光晶体，晶体对激光信号的调制效果决定 了干涉测量的效果，为了进一步了解晶体的性能和调制特性，我们对晶体进行了 模拟与分析。 2 2 1 铌酸锂晶体在外加电场中折射率变化关系推导 光在晶体中的传播特征由折射率椭球方程来描述。 等+ 罢弓：。1 ( 2 1 3 )_ + _ + _ 2【1 ) 噬 以；噶 电光晶体的特性表明，当把调制电压加到晶体上时，晶体的折射率椭球方程将会 发生改变。也就是说，在电光晶体上外加电场时会导致其主轴坐标的变化。通常， 加电压所引起的折射率的变化是很小的，可以用( 砉) ”表示。它与电场分量 乓( 七= x ，y ，：) 之间的关系为 ( 砉) ，2 蕃t 2 “) 式中为三阶电光张量的元。由于( ，的对称性，上式又可写成 其中 e e ” e ： ( 爿= ( 乳 ( 吉 ：= ( 鼽 ( 巍= ( 鼽 ( 砉) 。= 吉) 。= ( 砉) ，： ( 嘉) ，= ( 吉) ，= ( 吉 ，。 ( 砉) 。= ( 。：= ( 吉) ：。 铌酸锂晶体的电光张量矩阵为 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 9 亿仫嘞亿嘞嘞嘞_-246 、j、，、 一矿。一矿。一矿。一。一。一矿 吖 j d 2 0 j ；o o 0 1 - 0 2 00 0 0 0 2 t s ( c ) 图3 5 调制电压与干涉信号的关系：调制频率为2 5 h z 。电压峰峰值分别 为( a ) 1 2 5 6 v ：( b ) 2 5 1 2 v ；( c ) 3 7 6 8 v 3 2 2 调制频率与信号的关系 由于c = a 厂= 2 l t = 2 l n ，所以在对激光信号进行位相调制时，改变调制频 率将改变光功率周期性变化的次数，也就改变了输出信号的频率。我们在晶体上 施加峰峰值为2 5 1 2 v 的电压，改变调制频率，进行验证，实验结果见图3 6 。当 调制电压不变时，调制频率越大，干涉波形越密。 3 ( c ) 图3 6 调制频率与干涉信号的关系：调制电压峰峰值为2 5 1 2 v ，频率分别 为( a ) 2 5 h z = ( b ) 3 5 h z ；( c ) 4 5 h z 电光调制器在很宽的频率范围内都能保持线性，因此在高频部分也能得到很 好的干涉信号。但是与低频部分相比，高频部分的调制信号受噪声的影响很大， 容易引起相移形变。在晶体上施加峰峰值为2 8 v 的电压，调制频率分别为 1 0 0 k h z ，2 0 0 k h z 和3 0 0 k h z 时，得到的干涉信号如图3 7 所示。随着频率的升 高，位相发生了额外偏移，幅度不断缩小，相移形变不断增加。因此，在测量时 应选择合适的频率，减小高频噪声的影响，提高测量的精度。 03 5 o 1 5 嚣 - 00 5 0 1 5 - 02 0 - 03 0 00 0 0 1 700 0 0 1b0 n 0 0 1 900 0 0 2 00o f l 0 2 10 , 0 0 0 2 2 0 0 0 0 2 3 盯5 a 0 3 a 2 o j 呈0 0 - 0 1 0 j 0 3 a j ( a ) 0 d 0 0 2 0 000 0 0 2 1 00 d 0 a 2 1 5m 如 0鲇啪0o弘咖d a 0 0 0 1 8 5o 日0 0 1 目00 0 0 0 t 9 5 图3 7 高频调制的干涉信号：电光调制器输入电压晦峰值为 频率分别为( a ) 1 0 0 k h z ；( b ) 2 0 0 k h z 和( c ) 3 0 0 k h z 3 2 3 不同波形的调制情况 在电光晶体位相调制的实验中，我们在晶体上分别旆加正弦波信号和三角波 信号进行调制，得到的干涉信号如图3 8 所示，验证了不同波形通过电光晶体均 能起到了良好的调制效果。但如果采用脉冲信号( 方波信号) 进行调制，就要求 位相调制器及相关驱动设备有一个带宽，并且这个带宽至少要大于直角脉冲的宽 度。为了避免直角脉冲损坏位相调制器，文中不再对方波信号进行调制验证实验。 咖咖 一 姗 m 如 0 4 0 3 0 2 01 00 0 a 2 0 3 - 04 a0 d0 口1d 口2a d 3 t s ( b ) 图3 8 不同波形调制的干涉信号；电光调制器输入电压峰峰值为2 5 1 2 v ( a ) 正弦波调制；( b ) 三角波调制 3 3 本章小结 本章将电光晶体引入自混合干涉外腔位相调制，在不同调制电压，不同调制 频率，高频调制以及不同调制波形的调制情况下，对干涉信号进行了比较和讨论， 详细研究了自混合干涉测量中电光晶体的位相调制情况。实验结果显示，晶体调 制能有效地进行位相调制，而且在很宽的频率范围内都能保证很高的调制精度， 测量误差小。把电光晶体调制和解调位相应用于自混合干涉测量，能有效进行微 位移测量和粗糙表面轮廓的测量，这在微小尺寸测量，微机械和m e m s 加工等 领域具有很好的应用前景。 第四章微型位相调制自混合干涉仪的设计与研制 由于微电子、生物医学和微机电系统( m e m s ) 等前沿研究领域的需求，大 范围内的纳米级三维测量( 也即所谓的n a n o c m m ) 成为测试计量领域的新课 题。基于激光自混合效应测量技术，该光学系统仅有一个干涉通道，结构简单、 紧凑，且易准直，因而被广泛用于位移、速度、振动测量等领域。为了满足微型 化领域的不断拓展，光器件的微小型化提到了议事日程，激光自混合干涉仪的研 制也将因为它结构非常简单、紧凑，在小型集成化方面取得更广阔的空间。激光 自混合干涉仪能有效进行微位移测量和粗糙表面轮廓的测量，在微小尺寸测量， 微机械和m e m s 加工光学工程和航空航天等领域具有很好的应用前景。 4 1 微型干涉仪光路的设计与分析 首先，对微型自混合干涉仪的光路设计，原理框图如图4 1 所示。为了进行 微位移测量，我们将微小物体置于平台上，将微型干涉仪放在观测物的上，上方 再连接到显微镜和c c d 进行全场观察和初测。精密测量由微型干涉仪系统完 成。 图4 1 微型自混合干涉仪光路设计原理图 微型干涉仪系统由半导体激光器、光束准直部分，电光调制器和直角棱镜四 部分组成。我们根据加工情况，将这四个部分整合成三块分别进行封装，然后再 进行整合。这样既能及时对每部分进行检测，又能降低整合的难度。 4 1 1 半导体激光器及封装 半导体激光器( s e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e ，简称l d ) 是利用半导体材料内产 生的受激辐射和谐振腔提供的光反馈制作的一类半导体器件。它体积小，寿命长， 易于集成，可采用简单的注入电流的方式来泵浦，并可用高达g h z 的频率直接进 行电流调制以获得高速调制的激光输出，因此成为应用过程中最重要的一类激光 器。 半导体激光器输出光是部分偏振光，在设计中需要选择适当的偏振方向，保 证与电光晶体的主轴方向一致。光束的发散现象，会降低输出光束的效率，也影 响显微镜进行全场观察，因此需要设计准直结构，保证出射激光有很好的光束质 量，减少不必要的光强损失，以利于显微镜的初步观察、干涉信号的接收并提高 信噪比。准直原理如图4 2 所示。在设计中，我们用金属镜筒对半导体激光器进 行了准直封装，将出光和准直相结合，图4 3 为半导体激光器封装结构图( 参数 见附录表三) 。 图4 2 激光准直原理图 ( a )( b ) 图4 3 半导体激光器封装结构图：( a ) 整体外观；( b ) 各部分结构 半导体激光器工作时，其阈值电流和功率稳定性对温度比较敏感，激光器的 最佳工作温度为2 5 左右，因此需要精确稳定的控温装置，同时具备加热和制冷 两项功能，保证出射光的稳定性。鉴于此，我们实验室制作了半导体激光器温度 控制器，在以后的器件整合调制过程中，可将半导体激光器和制冷设备( 见附录 图四) 结合进行调试，在稳定的控温环境下，进行位相调制，完成对微干涉仪的 设计与测试。 4 1 2 棱镜的选择 在测量过程中，光路需要经9 0 。折转照射到物体表面，所以需要选择参数合 适的棱镜，既要不改变反射光的偏振方向，又要使光照射到物体之后能够原路返 回，与激光腔内的光耦合，形成自混合干涉。在设计中，我们选用了大恒的 g c l - 0 3 0 1 0 5 直角棱镜( 参数见附录表五) ，实现光束的9 0 。转向，棱镜的像如图 4 4 所示。 图4 4 直角棱镜及9 0 。转向成像 4 1 3 电光调制器封装 整个微型自混合干涉仪系统的关键是电光晶体，晶体对激光信号的调制效果 决定了干涉仪的测量效果，因此在光路设计过程中需要研究电光晶体的特性，了 解切割工艺对晶体通光及调制性能的影响，了解晶体接线、封装等技术，从而实 现对晶体的加压调制。 在第二章中，我们对电光晶体的基本性质、切割和加压等性能作了模拟和分 析；第三章我们对电光晶体的调制性能作了进一步的实验验证。在本章中，我们 着重针对电光晶体的接线和封装，将技术积累转化形成电光调制器，使晶体轴向 加压调制。 图4 5 电光调制器 铌酸锂晶体封装后如图4 5 所示。晶体采用0 1 0 通光( x 切y 传) ，主轴加电压， 两卟- x + y 表面抛光，s d 为1 0 5 ，平行度 30 - 0 叩6- 00 0 40 0 0 d 0 f 1 0 200 0 4 t s 图4 8 设计封装的电光调制器的干涉信号：调制电压峰峰值为4 6 v ，频率i k h z 目前，我们尚未购买到性能和参数与之匹配的交流放大器，因此还不能将超 过半波电压的大交流信号加载到晶体上。虽然，晶体调制器在低压时的工作情况 已经表现出很好的线性，但在今后的工作中还需要合适的交流放大器对晶体加 压，对晶体调制器的性能做进一步地测试。 4 2 3 高压放大器设计 为了产生高压交流信号，使电光调制器加载电压在半波电压以上，进一步进 行性能测试，在此对交流放大器作了基础的设计，原理图如图4 9 所示。放大器 由高压电源( h v ) 、数字信号发生器( l v ) 、场效应管( i r f 8 2 0 ) 和变压器四部 分组成，其中h v 为0 5 0 0 v 的直流电源，大功率电阻r ，和r ，线圈初次匝数 比为1 ：l 。 i r f 8 2 0 为场效应管，具有导通电阻小，转换速度快等优点，并且采用稳定 的多晶硅栅极结构，输入电容小；工作范围大，有很好的温度稳定性。漏极电压 v d s s 为5 0 0 v ，导通电阻为3 0q ，静态工作电流为2 5 a 。 图4 9 高压放大器设计原理图 在电路图中，输入信号l v 为1 0 k h z 的方波信号情况下：当l v 为高电平时， v - m o s 管导通，a b 两端输出电压为低电压；当l v 为低电平时，v - m o s 管截 止，a b 两端输出电压高电压( 并接近l v ) ，信号放大，占空比不变。由于电光 晶体具有容性电阻特性，如果在高频信号驱动或瞬间导通时，可能会出现大电流。 为了避免突变大电流对电路影响，因此采用一个变压器隔离；同时经过变压器线 圈后，初次级线圈都具有一定蓄能效应，最后输出信号为类正弦信号。但由于时 间有限，这部分工作还有待于今后继续改进。 4 3 本章小结 本章提出了微型位相调制自混合干涉仪的构想，对微型干涉仪的光路进行了 设计和分析，并在此基础上对整个微型位相调制自混合干涉仪系统进行了设计和 整合。首先对光路进行分析，通过对光路中光束的传输与损耗，偏振态和光路的 方向的调整，使光能沿预定的路径传播，并保证光束强度能产生明显的自混合干 涉。其次，利用光学和微机械加工工艺对微型位相调制自混合干涉仪中的重要器 件，特别是电光调制器进行集成封装，通过光路校准和微调完成基础器件测试， 形成微型干涉仪模型。 第五章总结与展望 本文研究了激光自混合干涉和电光晶体位相调制的基本理论和调制方法，对 微型自混合干涉仪进行了设计，论文的主要工作如下： l 、电光晶体位相调制的理论分析 利用r s o f t 光学软件模拟分析了电极和晶体的电光效应及特性，讨论了电光 晶体的位相调制的原理。给出了纯位相调制的方法，将位相调制和振幅调制区分 开来，对激光信号进行单一位相调制。模拟结果表明晶体能很好地进行调制，产 生稳定均匀的位相变化，为进一步实验打下了良好的基础。 2 、自混合干涉信号位相调制的方法 将激光自混合干涉与位相调制技术相结合，将电光晶体引入自混合干涉外腔 位相调制，利用晶体的调制性能，在不同调制电压，不同调制频率以及不同调制 波形的情况下，对干涉信号进行了比较和讨论，详细研究了自混合干涉测量中电 光晶体的位相调制情况。实验证明，使用电光晶体对自混合干涉信号进行位相调 制，在2 0 h z 1 0 0 k h z 的频率范围内测量误差都很小，使得位相测量达到很高的 精度。把电光晶体调制和解调位相应用于自混合干涉测量，能有效进行微位移测 量和粗糙表面轮廓的测量，这在微小尺寸测量，微机械和m e m s 加工等领域具有 很好的应用前景。