塞曼双折射双频激光光路设计

塞曼双折射双频激光光路设计

1声光调制法的应用双频激光干涉仪（df）的主要件是df，它输出了两种不同的极化频率，并将波长用作测量长度的基本公式。在目前DFL干涉仪中,广泛采用的是纵向塞曼激光器,其最高频率为3.5MHz左右。此外,有公司利用双反射模法得到双频,最高频差为6MHz,最高测速可达1.8m/s。部分公司利用声光调制法可得到20MHz频差,相应的干涉仪测速可达5.1m/s,但结构复杂,价格昂贵,不利于推广。上世纪90年代初本课题组研制的双折射DEL器,可以产生从40MHz到1GHz左右的频差,称为“大频差”。一旦频差小于40MHz,两频率之间会存在强模竞争,两频率之一熄灭,双频激光变成单频激光。而频差40MHz以上的外差信号要求的处理电路较为复杂,技术难度较大。最近我们成功地克服了上述DEL的频差闭锁现象,研制出一种新型的塞曼-双折射DFL器,输出频差在3~40MHz,称为“中频差”。以它为光源的干涉仪最高测速可达4m/s或更高。与双频干涉仪最常用的纵向塞曼激光器相比,这种激光器输出光的频差高,信号处理上更为复杂;输出的是两正交的线偏振光,而塞曼激光器输出的是两旋转方向相反的圆偏振光。本文针对激光器的特点设计装调了系统光路,并研究了适合处理中频差的光电转换及前置放大电路和外差信号处理方法。2偏振方向的装调控制根据DFL干涉仪的工作原理,输入偏振分光棱镜的光的偏振方向必须与棱镜的快轴方向一致或垂直,只有这样才能实现最好的分光效果,否则干涉仪不能正常工作。以纵向塞曼激光器为光源的干涉仪通常在激光器后面加一个λ/4波片,其作用有2点:1)将光源输出的圆偏振光转化成线偏振光;2)可利用它调制两线偏振光的偏振方向。且只需保证λ/4波片的快轴方向与偏振分光棱镜的快轴方向一致或垂直,不需要考虑激光器输出光的方向,也即不需考虑激光管的放置角度。与纵向塞曼激光相比,塞曼-双折射DFL器输出的直接就是两束正交的线偏振光,虽然不用调制偏振态,但两束光的偏振方向并不能完全确定。一方面,由于波片上应力分布较复杂,透射光点也不能完全确定,输出光的偏振态不一定和径向力施加方向绝对相同;另一方面,激光管封装有一定的随意性,这使得激光器输出光偏振方向很难正好就和偏振分光棱镜的快轴方向一致或垂直。因此,有必要对光路系统中光的偏振方向加以控制。我们提出在激光器后面添加λ/2波片以调制激光器输出光的偏振方向,并设计了如图1所示的系统光路。理想状态下,偏振分光棱镜可将垂直分量f1和平行分量f2完全分离开来,即各自只包含一个频率的成分。系统光路中涉及多个偏振元件,光路偏振态比较复杂,首要的是P3的角度位置。据此设计装调步骤为:1)遮蔽平行分量的光,使D2只接受垂直分量;调节P3的方向,使D2探测到的拍频幅值最小(尽量接近于0);2)重新耦合平行分量和垂直分量的光,调节P2方向使D2探测的拍频信号达到最佳;3)调节P1使D1探测的拍频信号达到最佳。经过上述装调,结合研制的光电转换及前置放大板,观测到了理想的频移现象。即:用示波器同时显示D1、D2探测的拍频信号Sr、Sm,微动M2,可观察到Sm和Sr之间的相位变化;微动方向不同,移动方向相反;频移过程中信号形状及幅值保持不变。以上现象说明光学系统已可满足干涉仪工作需要。3实验过程及结果分析根据解调原理,外差信号处理可分为频率解调法和相位解调法。后者所处理信号频率较低,不适合处理中频差外差信号。前者可理解为包含整数检测和小数检测两个部分。已有处理方法主要有组合频率解调法、锁相倍频计数法、混合型外差信号处理法、大数对减法、相位及相位整数测量法等。这些方法能处理的频差不超过6MHz,均不能直接移植用于处理中频差外差信号,因此还需研究适合中频差的外差信号处理法。这里只讨论整数检测部分。经过综合考虑,选择大数对减法处理中频差。系统框图如图2示。参考和测量光学拍频信号经过光电转换、前置放大和波形整形等前置处理,变成矩形的脉冲电信号。然后分别送入2个由CPLD器件构建的大容量高速计数器,再由PC104总线计算机对计数结果进行同步锁存,并进一步选通连接数据接口总线的三态门,结果逐段读入计算机,最后对采集数据进行运算得到位移测量值。根据干涉仪工作原理,对测量镜的速度进行时间积分可得其位移值,即其中N为两路脉冲数之差。由于期望干涉仪量程能达到80m,因而大容量计数器至少为28倍。就信号处理系统而言,计数器位数越高,其能处理的频率就越低。文献根据当时的需要,依靠FPGA硬件的优势,做到了能处理最高13MHz的信号。如果可设法降低系统的计数器位数,这种方案将有可能处理频率更高的信号。我们提出一种逐步求差的算法,根据设计方案既不要求位数太高的计数器,处理负位移时也不需要给计数器添加符号位。在信号处理系统中,计算机是不断地循环采样的。根据采样周期把时间分为t0,t1,t2,…,tn;ti时刻计数器读数为Ri、Mi;tm~tn(m<n)时间段两计数器增量分别为Rmn=Rn-Rm,Mmn=Mn-Mm;则最终的运算结果为Ln=(Mn-Rn)-(M0-R0)=(Mn-Rn)-(Mn-1n-Rn-1n)+(Mn-1n-Rn-1n)-(M0-R0)=(Mn-1-Rn-1)-(M0-R0)]+(Mn-1n-Rn-1n)=Ln-1+[(Mn-Mn-1)-(Rn-Rn-1)](2)式中:Ln-1为上个采样周期的计算结果,数值已知;(Mn-Mn-1)、(Rn-Rn-1)分别为两计数器数值在本采样周期内的变化量。变化量只能为正,且在数值上也是有限的。计数器量程只需大于这个增量,系统即可实现正常工作。利用实验数据计算出本系统中程序的采样频率约为2